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生物电子学的发展为医疗领域带来了重大变革，通过电子设备感知和操控生物信号，特别是调控神经系统和心血管系统的活动，显著提升了医疗效果。

尽管这些技术在治疗多种疾病方面具有潜在应用，但目前仅有少数植入式设备成为标准治疗手段，由于大型电池组和复杂的设计限制了广泛应用。为解决这一问题，无需电池的微型生物电子设备成为一个解决方案，可通过外部传输器或体内能量收集实现微小化。这一创新包括超声、电磁、磁性和光学方法，为生物电子设备提供了安全的电力支持，进一步推动了设备的微型化和舒适佩戴。

无电池生物电子学。微型生物电子学有望支持多种治疗方法。

2023年11月10日，莱斯大学Jacob T. Robinson团队，论述了微型生物电子设备最新的研究成果，主要关注生物电子设备的无线能量传输和能量收集技术，探讨了这些技术如何推动微型化生物电子设备的发展，从而提高医疗治疗的精确性和适应性。该综述以“Miniature battery-free bioelectronics”为题，发表在Science期刊上。第一作者是莱斯大学的Vishnu Nair。

【无电池技术支持极小型化】

首先，文章讨论了如何在不增加植入物尺寸的情况下实现更高功率水平，以及下一代微型生物电子设备如何从外部传输器或人体本身获取能量。为了确定何时应考虑无电池解决方案，作者通过计算植入物的体积（V24h），即电池无法支持超过24小时运行时间的体积，量化了这一问题。文中提到，理想电池中的电荷量等于电池体积（V）乘以体积电荷存储容量（k），因此可以通过以下方程（1）编写特定应用的电池寿命（T），其中电流（I）为：

在此基础上，通过方程（2）计算V24h，即支持24小时运行时间所需的电池体积。

为了减小V24h并实现更小型的电池供电设备，必须增加电池的体积电荷容量或减小电池的功耗。图1C展示了一个假设应用，从具有(k = 0.05)的电池（从Dantona Industries的LITH 75电池的数据表中估算）中提取8.3 mA电流时的近似V24h。该分析未考虑电池容量随时间衰减，这可能会进一步增加V24h。因此，为了提供无法存储在电池中的能量，考虑从人体中收集能量和无线能量传输（WPT）到植入或植入人体的设备。

文章指出，制定这些比较的挑战之一是电池、能量收集器和WPT的优点都不同，因为它们在尺寸变化方面有不同的比例。尽管电池存储电荷随体积增加而增加，能量收集器则随体积增加而产生更多功率。因此，如果不指定它们所驱动的负载，无法比较这些技术。由于WPT技术通常不会与体积线性缩放，因此必须根据最能描述每种技术的优点来表征电池、能量收集技术和WPT的性能。最后，通过检查这些技术在相同生物电子应用中的性能，作者的目标是了解现有技术的性能极限，以便探索当前先进技术和未来发展的机会，以开发能源传输或收集的材料和方法，以扩展无电池生物电子设备的能力。

图1. 发展微型无电池生物电子学的基本原理。

【从人体中收集能量的材料和方法】

接着，文章讨论了从人体中收集能量的材料和方法。它介绍了三种主要的能量收集策略，即生物机械能收集、电化学细胞和其他能量收集策略。

1. 生物机械能收集（Biomechanical Energy Harvesting）：

·摩擦电发电机（TEGs）：利用电荷分离产生电场，通过摩擦电化学效应将生物机械工作（例如人体运动）转化为电能。

·压电发电机（PEGs）：使用材料将机械应变转化为内部电场，从而将机械工作（如心脏和血液循环活动）转化为电能。

优势：

可再生能源：利用人体运动等机械活动产生的能量，提供可再生的电力来源。

无需电池：不需要常规电池，减少对电池更换的需求。

挑战：

功率限制：生物机械能量相对较小，因此提取的电力可能有限。

依赖活动：生物机械发电机对机械运动或变形的依赖性，可能在某些情况下难以保持一致的电力输出。

应用性能：

适用于低功率设备：例如植入式医疗器械、可穿戴设备等低功率需求的应用。

2. 电化学细胞（Electrochemical Cells）：

利用集成生物组件的电化学细胞进行现场能量生成，例如利用耳蜗内的内耳电位，或者在胃肠道使用镁或锌阳极和铜阴极的生物电池。这些系统可以在生物体内产生电能，但在某些情况下功率和电压可能较低。

优势：

内源电能：利用生物体内的电化学反应提供的内源电能。

长期供电：在某些情况下，可提供相对稳定的长期电力。

挑战：

低功率：通常输出功率较低，可能不足以满足高功耗设备的需求。

生物相容性：需要材料对生物体具有较好的相容性，以防止毒性或炎症反应。

应用性能：

适用于低功耗和长寿命需求：例如植入式医疗器械、可穿戴健康监测设备。

3. 其他能量收集策略：

· 热电发电机（Thermoelectric Generators，ThEGs）：利用材料中的热梯度促使电荷载体扩散，产生电势。主要适用于皮肤表面或皮下植入物等局部热梯度较大的区域。

·弹性磁性材料（Magnetoelastic Materials，MEGs）：利用弹性变形产生的磁场变化，通过磁感应耦合和磁感应器，将机械能转化为电能。可用于从生物机械能源中提取电力，例如通过人体运动。

优势：

多样性：不同策略适用于不同的能源环境，提供多样性的能源选择。

可适应不同环境：可根据环境条件选择合适的能源收集方法。

挑战：

技术挑战：每种方法都有其独特的技术挑战，例如材料选择、效率优化等。

性能波动：性能可能受到环境因素的影响，例如温度、湿度等。

应用性能：

依赖于具体技术：不同技术适用于不同应用，例如ThEGs适用于皮肤表面的低功率设备，而MEGs适用于从生物机械能源中提取电力。

图2. 比较能量收集技术的功率密度。

【用于无线能量传输技术的材料和方法】

文章还讨论了在无线能量传输（WPT）技术中用于生物电子设备的材料和方法。

1. 需求背景：当从人体中收集的能量无法足够供电微型生物电子设备时，无线能量传输通常可以实现更大的功率密度。然而，必须谨慎设计材料和方法，以确保能量传输对人体安全。

2. 安全限制：安全限制主要来自于为生物电子设备设计的能量也可能被人体吸收，从而导致组织加热到不安全的水平。与组织加热相关的安全限制由特定吸收速率确定，这取决于组织的导电性、密度、电磁波频率和电场的均方根。高频电磁波易被人体吸收，这促使研究人员寻找能够从非传统能源如低频磁场、光和超声波中接收能量的材料和方法。

3. 新兴WPT技术：除了常见的近场感应耦合（NIC）之外，还有一些新兴的WPT技术，旨在提高功率密度、适应深度、容忍错位并提高效率。这些技术包括超声、射频、磁电、光、中场和电容功率传输。研究数据显示，这些新兴技术在微型生物电子植入物中的能量传输方面取得了显著进展，可能逐渐取代NIC以实现更高级的功能。

4. 尺寸与功率关系：图3中通过将接收功率（以微瓦为单位）与接收器面积（以平方毫米为单位）相对比，显示了不同WPT技术在满足生物电子应用的功率需求时的性能。散点图显示了各种WPT设备的功率与接收器面积之间的关系。这些设备根据植入深度分为深植入和浅植入，其中深植入指的是刺激电极或接收器距离皮肤表面超过1厘米。浅植入是指接收器元件距离皮肤表面不超过1厘米。图中的浅灰色虚线标记为“无线供电”，连接了每个尺寸的最高功率设备。深灰色虚线标记为“能量收集”，表示在图2中对应分析所得到的体外包络。在这里，仅考虑了在人体安全限制内进行无线供电的演示。y轴显示了常见生物电子应用所需功率范围，如脉搏血氧饱和度测量、深脑刺激、心脏起搏和嵌入式电子设备。这些图的左上方的技术具有最高的功率密度。作者期望随着新技术的发明或现有技术的改进，这个范围会扩大，从而实现更高的功率密度。

图3. 比较无线电能传输技术的功率密度。

【无线通信和遥测的材料与方法】

最后，文章介绍了用于生物电子设备的无线通信和遥测的材料与方法。对于这些设备，用户和医生需要通过通信重新编程设备的操作，并接收传感器数据以辅助治疗。无线数据传输面临与无线能量传输相似的挑战，如辐射波被人体吸收和反射。然而，通过使用相同的材料和方法，可以在或通过人体附近安全地发送和接收数据。

内容分为下行通信和上行通信两个方面。下行通信通常用于低数据速率的设备编程，而几乎所有无电池生物电子系统使用直接调制无线能量传输信号的方法进行下行数据传输。上行通信则更具挑战性，因为不同的传感应用需要广泛的数据速率。上行通信的方法根据其与无线能量传输方法的关系分为被动回波、主动回波和混合通信和功率传输。

被动回波利用调制接收器的输入阻抗反射来反射外部发射器发出的波，适用于生物电子应用。主动回波是通过与无线能量传输相同的方法广播上行数据的过程，适用于射频电磁波和光能传输。混合通信和功率传输是一种将不同的机制集成到设备中，以分别优化功率和通信链路的方法。

图4. 生物植入物的上行通信机制。

【展望】

微型无电池生物电子设备嵌入无线网络可能成为下一代医疗创新的重要平台。能量收集和无线能量传输技术提供了使这些设备微型化且长寿命的可能性，无需传统电池。未来工作的重点将集中在设计设备，以弥合深部植入设备的能量收集差距。当前无线能量传输技术能够支持治疗性刺激应用，如深部脑刺激，为闭环治疗提供支持。短期内，微型无电池植入物可能在心脏和神经治疗领域取得商业成功，未来还可能涉及术后监测和药物输送等应用。这一领域的发展有望成为未来医学电子学的引领者。

原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4732