CCI创新周讯| 基于离子通信的植入设备无线数据传输

哥伦比亚大学工程与应用科学学院（Columbia University School of Engineering and Applied Science）的研究人员开发了一种新的植入设备与外界通信的方法，该方法利用了人体组织中天然存在的离子。富含离子的组织储存势能，在这种情况下，植入的设备会通过交替的电脉冲改变储存的能量。放置在附近皮肤上的电极可以测量这些能量变化，并对其进行分析，以获得临床数据。该方法速度快，功耗低。

植入式设备与外界进行通信。目前的解决方案涉及穿透皮肤的电线，这对长期植入物具有明显的感染风险。其他方法包括使用无线电波或光，但根据植入部位和深度，这些方法可能难以穿透组织。

为了开发出更有效、更可靠的设备，研究人员转向了我们组织中天然存在的离子，这些离子是细胞经常用来相互交流，富含离子的组织可以比作电池，因为它们都储存势能。这项新技术利用这一点实现无线通信。

这一概念涉及到一种植入的装置，该装置发射电脉冲，脉冲以特定的方式发射，以对临床数据进行编码。然后，将电极植入该组织上方的皮肤上，检测这些变化，并将其转化为可用的临床数据。参与这项研究的研究人员Dion Khodagholy评述：“离子通信是一种基于生物学的数据通信形式，它在整个完整的组织之间建立长期、高保真度的无线通信。”

到目前为止，研究人员已经在大鼠身上测试了他们的技术，并表明它可以在数周内传输大脑数据。此外，该系统足够敏感，可以分离单个神经元的信号。该技术还具有很高的能效，比无线电波等其他方式需要的功率要少得多。

各向异性离子导电高分子复合材料（AIC）：由离子（红色和蓝色）、导电颗粒（灰色）和绝缘支架（蓝色）组成的AIC横截面示意图，黑线表示垂直传导路径。

AIC薄膜扫描电子显微镜横截面图像：红色为聚苯乙烯磺酸钠颗粒（10微米）和紫色为聚氨酯支架。

Khodagholy认为他们开发的新型材料具有独特的特性，能够实现大规模有机生物电子设备，从而增强其在人类健康方面的应用。下一步的目标是为生物电子学应用设计由许多有机晶体管组成的紧凑而复杂的各向异性离子导体基集成电路。

  点评  

该文章认为植入的生物电子设备需要通过组织进行数据传输，但这种介质的离子导电性和不均匀性使传统的通信方法难以实现。该文章介绍了离子通信（IC），它使离子有效地传播兆赫范围的信号，证明了IC是通过在极化介质中产生和感应电势能来工作的。IC被调整为在生物相关组织深度范围内传输。该团队开发了一种完全植入式的基于IC的神经接口设备，该设备可在3周内从自由活动的啮齿动物身上获取和无创传输神经生理学数据，其稳定性足以从单个神经元分离动作电位。总体而言，IC提供了独特的功能，可以简化和增强植入的生物电子设备的数据传输，临床适用于从葡萄糖检测到脑机界面等设备，值得期待。 

译者简介

任燕龙

北京安贞医院

任燕龙，北京安贞医院心内科

Cleveland clinical访问学者。

主持自然基金青年科学基金，北京市优秀人才培养资助（青年骨干个人）等多项研究基金，参与在研国家自然科学基金重大研究计划等研究项目。

CCI二期学员，专利发明9项，转化1项，SCI一作9篇。

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本期策划：沈雳

责任编辑：陈宝麟

本文作者：任燕龙

后期制作：汪蕊