無線能量采集技術(shù)有助于植入系統(tǒng)復(fù)雜功能的長期工作，同時無需擔(dān)心電池泄漏和二次手術(shù)更換，該方式可以為患有腦部疾病、聽力障礙和心律失常的患者實現(xiàn)治療設(shè)備的終生佩戴提供新的解決途徑。通常，人體體內(nèi)無線能量采集需要通過剛性磁體將植入式設(shè)備和外部可穿戴設(shè)備進(jìn)行透皮機械耦合，在磁共振成像過程中外部強磁場誘使磁體與外部磁場對齊時，可能會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力，從而導(dǎo)致內(nèi)部磁體斷裂、移位和消磁以及引起患者不適。
近期，天津大學(xué)精儀學(xué)院黃顯教授團(tuán)隊基于磁體細(xì)分磁域邊緣效應(yīng)開發(fā)了一種全向旋轉(zhuǎn)磁陣列（FORMA），并組裝了基于FORMA的核磁（MRI）安全的透皮無線能量采集系統(tǒng)（圖1）。通過模制三維印刷模具實現(xiàn)了微型柔性磁球（直徑僅為1 mm）的制備，引入犧牲層工藝使磁球在PDMS彈性體密堆積腔體中可自由旋轉(zhuǎn)。FORMA可以在植入式柔性接收器（Rx 模塊）和可穿戴式柔性收發(fā)器（Tx 模塊）間距為1 mm時提供2.14 N的磁吸附力，可在9g加速度下保持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。系統(tǒng)在8 MHz的傳輸頻率下實現(xiàn)了15.62 dBm的功率輸出。FORMA 的開發(fā)可以應(yīng)用于終身植入的無電池柔性植入系統(tǒng)，并為推廣長期監(jiān)測和治療急性和慢性疾病的技術(shù)提供了應(yīng)用潛力。
圖1 MRI 安全 FORMA 和透皮無線能量采集系統(tǒng)的示意圖。
團(tuán)隊提出了創(chuàng)新的FORMA制作方法，包括了柔性磁球的模制、磁球表面石蠟犧牲層的包裹（磁球-石蠟層）、磁球-石蠟層的密堆積與互聯(lián)、PDMS 封裝、磁球磁化以及石蠟犧牲層的溶解去除。FORMA具有出色的機械靈活性和拉伸性，FORMA（圖2）實現(xiàn)了22.06%的應(yīng)變、大幅度的彎曲和27.6%的扭轉(zhuǎn)；同時FORMA實現(xiàn)了124%的斷裂應(yīng)變下，柔性磁球僅有3.2%的形變，柔性磁球在FORMA破裂之前始終能夠保持良好的完整性。FORMA與外部永磁體在0 mm距離處實現(xiàn)了3.11N的最大磁吸力（圖3）。測試結(jié)果表明FORMA實現(xiàn)了1 mm距離下與外部15mm直徑圓盤磁鐵間的2.14 N磁力，該距離下外部可穿戴器件可承受約8.2g的垂直加速度。FORMA在強磁場中具有出色的耐受性和穩(wěn)定性。在450 mT場強的旋轉(zhuǎn)磁場測試與3 T場強的MRI掃描測試中僅表現(xiàn)微弱的磁性變化，柔性磁球在旋轉(zhuǎn)與振動測試中未產(chǎn)生發(fā)熱與磨損。仿真結(jié)果表明FORMA可大幅度降低器件的磁扭矩。因此，FORMA可以集成在植入模塊中，為內(nèi)外交互的可穿戴系統(tǒng)提供足夠的磁力，低扭矩保證了強磁環(huán)境下的佩戴安全性，全柔性保證了植入器件長期使用的舒適性，因此，FORMA在諸如人工耳蝸、心臟起搏器、脊髓刺激器等系統(tǒng)設(shè)計中具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖2 FORMA 的制造與其良好的機械性能。
圖3 FORMA 的磁性特征。
外部可穿戴Tx模塊與植入Rx模塊在夾有1 mm豬肉時（圖4），接收功率可達(dá)15.62 dBm，該功率足以執(zhí)行電化學(xué)傳感、電學(xué)和光學(xué)模擬、受控藥物輸送和閉環(huán)調(diào)節(jié)等許多功能，為植入式柔性電子器件提供更多功能模塊。在受到1g至9g的加速度時，系統(tǒng)內(nèi)部Rx模塊多種脈沖刺激的輸出電壓幅度和頻率保持了穩(wěn)定輸出，這保證了佩戴者日常活動狀態(tài)下的系統(tǒng)能量傳輸與模塊的穩(wěn)定工作。
圖4 MRI 安全的透皮無線能量采集系統(tǒng)的電氣特性。
考慮到深部腦刺激和人工耳蝸刺激的潛在應(yīng)用場景，Rx模塊植入兔子頭骨上方，2周的康復(fù)期后進(jìn)行功能測試，無論兔子是靜止還是自由移動，可穿戴Tx模塊都會通過磁定位吸附在兔子的頭上并點亮Rx模塊中的LED，表明了在自由移動的動物中進(jìn)行無線能量傳輸?shù)目尚行。長達(dá)6周的動物實驗表明了器件良好的生物相容性。此外，在第三周進(jìn)行了0.25 T場強下的MRI掃描，掃描前后體內(nèi)植入設(shè)備僅有微小位移，未帶來組織損傷與炎癥，MRI掃描后的器件仍可實現(xiàn)器件磁定位和能量轉(zhuǎn)移。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5451
