無線能量采集技術有助于植入系統復雜功能的長期工作，同時無需擔心電池泄漏和二次手術更換，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治療設備的終生佩戴提供新的解決途徑。通常，人體體內無線能量采集需要通過剛性磁體將植入式設備和外部可穿戴設備進行透皮機械耦合，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，可能會產生較大的扭轉力，從而導致內部磁體斷裂、移位和消磁以及引起患者不適。
近期，天津大學精儀學院黃顯教授團隊基于磁體細分磁域邊緣效應開發了一種全向旋轉磁陣列（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（圖1）。通過模制三維印刷模具實現了微型柔性磁球（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。FORMA可以在植入式柔性接收器（Rx 模塊）和可穿戴式柔性收發器（Tx 模塊）間距為1 mm時提供2.14 N的磁吸附力，可在9g加速度下保持系統的穩定工作。系統在8 MHz的傳輸頻率下實現了15.62 dBm的功率輸出。FORMA 的開發可以應用于終身植入的無電池柔性植入系統，并為推廣長期監測和治療急性和慢性疾病的技術提供了應用潛力。
圖1 MRI 安全 FORMA 和透皮無線能量采集系統的示意圖。
團隊提出了創新的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、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）實現了22.06%的應變、大幅度的彎曲和27.6%的扭轉；同時FORMA實現了124%的斷裂應變下，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距離處實現了3.11N的最大磁吸力（圖3）。測試結果表明FORMA實現了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定性。在450 mT場強的旋轉磁場測試與3 T場強的MRI掃描測試中僅表現微弱的磁性變化，柔性磁球在旋轉與振動測試中未產生發熱與磨損。仿真結果表明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，為內外交互的可穿戴系統提供足夠的磁力，低扭矩保證了強磁環境下的佩戴安全性，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、脊髓刺激器等系統設計中具有廣泛的應用前景。
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15.62 dBm，該功率足以執行電化學傳感、電學和光學模擬、受控藥物輸送和閉環調節等許多功能，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，系統內部Rx模塊多種脈沖刺激的輸出電壓幅度和頻率保持了穩定輸出，這保證了佩戴者日常活動狀態下的系統能量傳輸與模塊的穩定工作。
圖4 MRI 安全的透皮無線能量采集系統的電氣特性。
考慮到深部腦刺激和人工耳蝸刺激的潛在應用場景，Rx模塊植入兔子頭骨上方，2周的康復期后進行功能測試，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行無線能量傳輸的可行性。長達6周的動物實驗表明了器件良好的生物相容性。此外，在第三周進行了0.25 T場強下的MRI掃描，掃描前后體內植入設備僅有微小位移，未帶來組織損傷與炎癥，MRI掃描后的器件仍可實現器件磁定位和能量轉移。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5451
