注射生物医学电子产品以监测和治疗人体器官

文章来源：北科新材浏览次数：5121时间：2020-08-10 QQ学术交流群：1092348845

可植入的电子设备范围从传感器，胃和心脏起搏器，心脏复律除颤器到脑部，神经和骨骼刺激器。这些设备与人体连接以提取精确的医学数据，并通过提供电刺激来干扰组织功能。长期植入物提出了特定的工程挑战，包括低能耗和稳定的性能。此外，大多数电子材料的生物相容性和细胞相容性较差，导致免疫反应和感染。

最初，可以与人体进行交互的电子设备是基于平面，刚性和笨重的硅晶片的设备，并不适合与生物学所呈现的柔软，曲线和动态的环境进行交互。为了克服这些问题，研究人员制造的设备类别之一是高纵横比结构中相对新颖，小型化的针状载体。它们用于通过微创注射或插入器官的特定区域，在体内传递微小的传感器和刺激工具。

比较各种形式的最新可植入电子产品。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）

在最近的一篇综述先进材料（“注射生物医学设备的传感和刺激内部身体器官”）总结的最新进展在材料，设计和制造可注射生物医学设备领域的技术，突出的可行的临床工具，独特的应用和示威被应用于各种内部器官。

可注射生物医学设备是半导体技术进步推动下的一个快速发展的领域，它允许将以微米和纳米级制造的基于晶片的电子和光电子转换为高纵横比形式。

到目前为止，高纵横比形式的各种类型的生物医学设备已应用于几乎所有身体部位。例如，深部脑刺激使用形状为高长宽比，可注射形式的金属或硅电极，以对脑深部区域的神经元为目标，而对其他脑部区域的损害最小。超薄的针状眼部植入物可通过最小的手术开口代替位于眼球内部的受损视网膜，否则会导致玻璃体液泄漏。

人体解剖图和不同类别的可注射生物医学设备，用于感应和刺激体内器官。深度脑部探头可在不损害神经元组织的情况下提供记录和刺激大脑的功能。耳蜗植入物的可插入电极将外部声音转换为电信号以助听。注入肾上腺的聚合物探针可测量皮质醇浓度水平，以监测压力。将软电子器件插入脊髓以测量神经元活动并刺激神经元。使用通过眼睛注入的柔性光电系统可实现视觉修复。注射式温度传感器可准确检测沿心脏壁的病变。放置在可注射探针上的压电设备为癌症靶向提供了组织机制。皮下注射装置可以安全可靠的方式记录，跟踪和刺激人体信息。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）

微机电系统（MEMS）也可以在这些基于晶圆的可注射生物医学设备中实现，以创建复杂的3D几何形状，例如流体通道和光波导。最近，在聚合物基片上制造这种先进装置的能力创造了一种低成本和较薄形式的针，用于体内的机械顺应性操作。通过将各种设备转移打印到聚合物针尖上，可以实现不同传感器类型以及仿真工具的同时操作。

对于光学刺激，光纤主导了深层组织刺激。纤维技术的最新发展将除光波导以外的电子工具嵌入到纤维中，例如电极和微流体通道，都在微米级纤维直径内。可以使用可注射注射器的网状电子器件来实现将装置尺寸进一步减小至纳米级的努力。

可以使用常规注射器针头将纳米线和纳米网格形式的金属电极和半导体深注入人体部位，因为它们的物理尺寸非常小，无法放入注射器针头内部。

在微型针状体系结构中集成多种电子和光电功能需要既了解常规的微细加工工艺，又需要了解相对较新的制造方法，例如转移印刷，热拉伸和聚合物成型技术。

在过去的十年中，多材料结构制造技术的进步导致多功能，高长宽比的生物医学工具的数量增加。在这篇综述中，作者描述了应用于人体各个部位的这些可注射类生物医学设备的最新进展，回顾了用于实现这些目标的策略以及针对各种应用开发的不同类别的材料和电子设备，特别是：

–大脑注射系统

–脊髓注射系统

–眼睛和耳朵的注射系统

–腹腔器官注射系统

–皮下组织注射系统
。

与大脑的光电子学和微流体学结合的可注射电子学。左：具有嵌入式微流体通道的多通道神经探针，用于同时进行体内神经记录和药物递送。制成的神经探针的SEM图像显示带有8个铱微电极和微流体出口的小腿尖。中：硅2D光电极阵列，能够使用SU-8作为波导芯将光传输到多个位置。制成的电极的SEM图像显示了带有光波导芯和微电极阵列的单柄尖端。右：在硅神经探针上的单片集成μ-LED。具有记录电极和集成μ-LED（插图，比例尺，15 μm）的可植入的硅神经探针的图像。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）

最后，作者警告说，他们审查的许多研究结果都是对具有高长宽比设计的新型电子产品的初步可行性测试。在优化设计和功能方面的进一步研究和开发应为人体试验准备经过审查的可注射生物医学工具。

他们还总结了与可注射生物医学电子学的发展有关的潜在问题和建议的解决方案，并强调在准备好将其投入临床使用之前，需要进行更多工作才能进行与这些设备的长期使用相关的安全性评估。

可注射生物医学电子技术的另一个挑战是消除用于获取数据或提供电源的导线。迄今为止，由于缺乏无线通信功能，新型生物医学电子学的实际应用已经被推迟，因为它们难以瞄准人体深处的器官，因此尤其困难。商业上成功的设备，例如耳蜗植入物和可插入的心脏监护仪，都具有无线功能；然而，这些设备包括刚性电子芯片，需要将其封装在相对笨重的设计中。

信息来源：Nanowerk

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可植入的电子设备范围从传感器，胃和心脏起搏器，心脏复律除颤器到脑部，神经和骨骼刺激器。这些设备与人体连接以提取精确的医学数据，并通过提供电刺激来干扰组织功能。长期植入物提出了特定的工程挑战，包括低能耗和稳定的性能。此外，大多数电子材料的生物相容性和细胞相容性较差，导致免疫反应和感染。
最初，可以与人体进行交互的电子设备是基于平面，刚性和笨重的硅晶片的设备，并不适合与生物学所呈现的柔软，曲线和动态的环境进行交互。为了克服这些问题，研究人员制造的设备类别之一是高纵横比结构中相对新颖，小型化的针状载体。它们用于通过微创注射或插入器官的特定区域，在体内传递微小的传感器和刺激工具。

比较各种形式的最新可植入电子产品。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）
在最近的一篇综述先进材料（“注射生物医学设备的传感和刺激内部身体器官”）总结的最新进展在材料，设计和制造可注射生物医学设备领域的技术，突出的可行的临床工具，独特的应用和示威被应用于各种内部器官。
可注射生物医学设备是半导体技术进步推动下的一个快速发展的领域，它允许将以微米和纳米级制造的基于晶片的电子和光电子转换为高纵横比形式。
到目前为止，高纵横比形式的各种类型的生物医学设备已应用于几乎所有身体部位。例如，深部脑刺激使用形状为高长宽比，可注射形式的金属或硅电极，以对脑深部区域的神经元为目标，而对其他脑部区域的损害最小。超薄的针状眼部植入物可通过最小的手术开口代替位于眼球内部的受损视网膜，否则会导致玻璃体液泄漏。

人体解剖图和不同类别的可注射生物医学设备，用于感应和刺激体内器官。深度脑部探头可在不损害神经元组织的情况下提供记录和刺激大脑的功能。耳蜗植入物的可插入电极将外部声音转换为电信号以助听。注入肾上腺的聚合物探针可测量皮质醇浓度水平，以监测压力。将软电子器件插入脊髓以测量神经元活动并刺激神经元。使用通过眼睛注入的柔性光电系统可实现视觉修复。注射式温度传感器可准确检测沿心脏壁的病变。放置在可注射探针上的压电设备为癌症靶向提供了组织机制。皮下注射装置可以安全可靠的方式记录，跟踪和刺激人体信息。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）
微机电系统（MEMS）也可以在这些基于晶圆的可注射生物医学设备中实现，以创建复杂的3D几何形状，例如流体通道和光波导。最近，在聚合物基片上制造这种先进装置的能力创造了一种低成本和较薄形式的针，用于体内的机械顺应性操作。通过将各种设备转移打印到聚合物针尖上，可以实现不同传感器类型以及仿真工具的同时操作。
对于光学刺激，光纤主导了深层组织刺激。纤维技术的最新发展将除光波导以外的电子工具嵌入到纤维中，例如电极和微流体通道，都在微米级纤维直径内。可以使用可注射注射器的网状电子器件来实现将装置尺寸进一步减小至纳米级的努力。
可以使用常规注射器针头将纳米线和纳米网格形式的金属电极和半导体深注入人体部位，因为它们的物理尺寸非常小，无法放入注射器针头内部。
在微型针状体系结构中集成多种电子和光电功能需要既了解常规的微细加工工艺，又需要了解相对较新的制造方法，例如转移印刷，热拉伸和聚合物成型技术。
在过去的十年中，多材料结构制造技术的进步导致多功能，高长宽比的生物医学工具的数量增加。在这篇综述中，作者描述了应用于人体各个部位的这些可注射类生物医学设备的最新进展，回顾了用于实现这些目标的策略以及针对各种应用开发的不同类别的材料和电子设备，特别是：
–大脑注射系统 –脊髓注射系统 –眼睛和耳朵的注射系统 –腹腔器官注射系统 –皮下组织注射系统。

与大脑的光电子学和微流体学结合的可注射电子学。左：具有嵌入式微流体通道的多通道神经探针，用于同时进行体内神经记录和药物递送。制成的神经探针的SEM图像显示带有8个铱微电极和微流体出口的小腿尖。中：硅2D光电极阵列，能够使用SU-8作为波导芯将光传输到多个位置。制成的电极的SEM图像显示了带有光波导芯和微电极阵列的单柄尖端。右：在硅神经探针上的单片集成μ-LED。具有记录电极和集成μ-LED（插图，比例尺，15 μm）的可植入的硅神经探针的图像。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）
最后，作者警告说，他们审查的许多研究结果都是对具有高长宽比设计的新型电子产品的初步可行性测试。在优化设计和功能方面的进一步研究和开发应为人体试验准备经过审查的可注射生物医学工具。
他们还总结了与可注射生物医学电子学的发展有关的潜在问题和建议的解决方案，并强调在准备好将其投入临床使用之前，需要进行更多工作才能进行与这些设备的长期使用相关的安全性评估。
可注射生物医学电子技术的另一个挑战是消除用于获取数据或提供电源的导线。迄今为止，由于缺乏无线通信功能，新型生物医学电子学的实际应用已经被推迟，因为它们难以瞄准人体深处的器官，因此尤其困难。商业上成功的设备，例如耳蜗植入物和可插入的心脏监护仪，都具有无线功能；然而，这些设备包括刚性电子芯片，需要将其封装在相对笨重的设计中。