莱斯大学的研究人员开发了无线和无电池的微型神经刺激器

无线无电池神经刺激器
图片来源:莱斯大学

神经刺激疗法包括使用侵入性或非侵入性手段对神经系统的活动进行有目的的调节。这项技术可以改善那些严重瘫痪或各种感觉器官严重受损的人的生活,也可以永久减轻严重的慢性疼痛,否则就需要持续的大剂量阿片类药物治疗。让神经刺激疗法更广泛应用的关键是创造出无电池的无线设备,这种设备小到可以在不需要大手术的情况下植入。

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美国莱斯大学的一组研究人员开发了一种可植入的神经刺激器,它既无线又由外部磁场提供动力。这种米粒大小的微型设备可以作为治疗帕金森病、癫痫和慢性疼痛等一系列疾病的系统的一部分。这种设备几乎可以被植入身体的任何地方,通过一种类似于在阻塞动脉中植入支架的微创程序。

这种植入物的关键成分是一种“磁电”材料薄膜,它能将磁能直接转化为电压。这种方法避免了无线电波、超声波、光甚至是磁线圈的缺点,所有这些都被提议用于为微型无线植入物供电,但已被证明会干扰活组织或产生有害热量,据莱斯大学报道

实验室啮齿动物试验
图片来源:莱斯大学

该研究的通讯作者、莱斯神经工程计划的成员雅各布·罗宾逊(Jacob Robinson)说:“进行这种原则性论证真的很重要,因为从台式演示到可能真正对治疗有用的东西,是一个巨大的技术飞跃。”“我们的研究结果表明,使用磁电材料进行无线电力传输不仅仅是一个新奇的想法。这些材料是临床级无线生物电子的优秀候选材料。”

为了证明磁电技术的可行性,研究人员展示了植入物在完全清醒、可以自由在笼子里走动的啮齿类动物身上的效果。

罗宾逊实验室的应用物理学学生阿曼达·辛格(Amanda Singer)通过将两种截然不同的材料层连接到一层薄膜中,解决了无线电源问题。第一层是由铁、硼、硅和碳组成的磁致伸缩箔,当置于磁场中时,它会在分子水平上振动。第二种是压电晶体,它将机械应力直接转化为电压。

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罗宾逊说,磁电薄膜能获得充足的能量,但工作频率太高,无法影响脑细胞。

辛格说,创造一种调制双相信号,既能刺激神经元又不伤害它们,这是一个挑战,小型化也是一个挑战。

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