2020年2月24日消息，近日，美国莱斯大学的工程师们推出了第一款可通过磁场远程编程和充电的神经植入装置，该成果有望使脊髓刺激装置等嵌入式设备更具可行性。这个集成的微系统被称为磁电神经植入物（MagNI），它包含的磁电传感器能够让芯片从外部交变磁场获取能量。MagNI的开发是癫痫或帕金森氏症患者的福音。相关成果已在国际固态电路会议中发布。

研究人员正在对神经植入物原型机进行测试

电子与计算机工程助理教授Kaiyuan Yang说：“我们首次证实，可以利用磁场驱动植入物，并对其编程。我们通过将磁电传感器与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术相结合，打造了新的生物电子平台。对传感和信号处理任务而言，CMOS的性价比非常高。与目前应用的超声波、电磁辐射和感应耦合等刺激方法相比，MagNI的优势非常明显。”

Yang解释说，人体组织不会吸收磁场，磁场也不会对组织产生热效应。虽然超声波也不存在热效应问题，但它会反射到不同介质的界面上，例如头发、皮肤和骨骼。磁场不仅能够传递和控制信号，还不需要任何内部电压作为校准。

Yang等设计的原型设备以柔性聚酰亚胺材料为基板，基板上包含3个组件：2×4毫米的磁电薄膜、CMOS芯片和电容。研究人员测试了芯片在溶液、空气和模拟组织环境的琼脂中的性能，证实其具有长期稳定性。此外，研究人员还通过刺激水螅，进一步验证了设备的性能——他们观察到了水螅与芯片接触引发的生物收缩荧光信号。

目前，在第一代芯片中，能量和信号只能以一种方式流动。Yang的团队正在研究双向通信策略，以提高植入物的数据收集性能，拓宽应用范围。

杨说，与目前的刺激方法相比，MagNI有着明显的优势，包括超声波、电磁辐射、感应耦合和光学技术。

杨说：“人们一直在展示这种规模的神经刺激器，甚至更小。”“我们使用的磁电效应比主流的电力和数据传输方法有很多好处。”

他说，组织不会像其他类型的信号那样吸收磁场，也不会加热像电磁辐射、光辐射或感应耦合这样的组织。超声波不存在加热问题，但波会在不同介质之间的界面反射，如毛发、皮肤、骨骼和其他肌肉。

由于磁场也传输控制信号，杨说MagNI也是“无校准和健壮的”。

“它不需要任何内部电压或定时参考，”他说。

该原型设备的组件位于一个灵活的聚酰亚胺基板上，只有三个组件：一个2乘4毫米的磁电薄膜，它将磁场转换为电场，一个芯片和一个电容暂时存储能量。

研究小组成功地测试了芯片的长期可靠性，方法是将芯片浸泡在溶液中，并在空气和类似凝胶的琼脂中进行测试，以模拟组织的环境。

研究人员还通过令人兴奋的九头蛇（Hydra Vulgaris）验证了这项技术，这是罗宾逊实验室研究的一种小型章鱼生物。通过用实验室的微流控装置限制水合水，他们能够看到与芯片接触所触发的生物收缩相关的荧光信号。该团队目前正在不同型号上对该装置进行体内测试。

在当前一代芯片中，能量和信息流只是单向流动，但杨说，该团队正在研究双向通信策略，以方便从植入体收集数据，并提供更多的应用程序。

文章来源： 科学大观园杂志