注入天線可以安全地為位於深層組織的醫療植入物供電

麻省理工學院媒體實驗室的研究人員開發了一種細沙粒大小的天線，可以插入體內，為位於深層組織的醫療植入物提供無線供電，例如用於心髒病患者的起搏器和用於癲癇或帕金森病患者的神經調節器。

“這是深層組織植入物小型化的下一個重要步驟，”Baju Joy 博士說。媒體實驗室“納米控制生物軌道”研究小組的學生。 “這使得無需電池的植入物可以用針安裝，而不需要進行大手術。”

詳細介紹這項工作的文件是 發表 在雜誌十月號上 IEEE 天線和傳播彙刊。 Joy 與主要作者 Yubin Tsai 博士一起參與了這項工作。媒體實驗室學生； Benoit XE Debiol 和 Victor Schell，前麻省理工學院博士後； Shubham Yadav，麻省理工學院博士。媒體藝術與科學專業的學生； David K. Bono，麻省理工學院材料科學與工程系講師；資深作者 Deblina Sarkar，AT&T 媒體實驗室職業發展助理教授兼 Nano-Cyber​​netic Biotrek 小組負責人。

目前，深層組織植入物由通過手術植入體內並需要定期更換的厘米長電池供電，或者通過手術放置的磁線圈（也是厘米大小）可以無線收集能量。線圈方法僅在高頻下工作，這可能會導致組織發熱，從而限制了將能量安全地傳遞到微型至亞毫米尺寸的植​​​​入物的能力。

“超過這個限制，你就會開始損害細胞，”喬伊說。正如該團隊的論文所述，“開發一種能夠在低頻範圍內有效運行的超小型天線（小於 500 微米）具有挑戰性。”

這種直徑為 200 微米的天線是由 Sarkar 領導的研究開發的，由於採用了新技術，該天線可在低頻（109 kHz）下工作，其中磁致伸縮薄膜在施加磁場時會變形，並與壓電薄膜層壓在一起，壓電薄膜將變形轉化為電荷。

當施加交變磁場時，磁致伸縮薄膜內的磁疇會使其變形，就像用金屬片編織的織物被強磁鐵扭曲一樣。磁致伸縮層的機械變形導致壓電層在位於上方和下方的電極上產生電荷。

“我們利用這種機械振動將磁場轉化為電場，”喬伊說。

薩卡表示，新開發的天線比類似尺寸的依賴金屬線圈並在 GHz 頻率範圍內工作的植入式天線提供的功率高出四到五個數量級。

“我們的技術有潛力為創造微創生物電設備開闢新的可能性，這些設備可以在人體深處進行無線操作，”她說。

激活天線的磁場是由類似於可充電無線手機充電器的設備產生的，並且足夠小，可以作為貼片貼在皮膚上或放置在靠近皮膚表面的口袋中。

由於天線採用與微芯片相同的技術製造，因此可以輕鬆與現有微電子集成。

Joy 說：“這些電子設備和電極可以很容易地做得比天線本身小得多，並且它們將在納米製造過程中與天線集成在一起。”他補充說，研究人員的工作建立在 50 年的研究和開發基礎上，旨在使晶體管和其他電子設備變得越來越小。 “其他組件可能很小，但整個系統可以用針放置。”

研究人員表示，天線的生產可以很容易地擴大規模，並且可以插入多個天線和植入物來治療身體的大面積區域。

除了心臟起搏和神經調節之外，這種天線的另一個可能的應用是檢測體內的葡萄糖水平。用於葡萄糖檢測的光學傳感器電路已經存在，但該過程將極大地受益於可以非侵入性集成在體內的無線電源。

“這只是一個例子，”喬伊說。 “我們可以使用所有這些其他技術，這些技術也是使用相同的製造技術設計的，然後將它們無縫集成到天線中。”

這個故事是在麻省理工學院新聞的許可下重新發表的（web.mit.edu/新聞辦公室/），一個涵蓋麻省理工學院研究、創新和教學新聞的熱門網站。