在医疗科技领域，一项来自麻省理工学院媒体实验室的创新研究正在改变我们对体内植入物供电方式的认知。研究人员开发出一种仅有细沙大小的微型天线，能够通过无线方式为体内深部组织医疗植入物供电，无需电池且可通过注射方式植入。这项技术有望彻底改变心脏起搏器、神经调节器和体内过程监测器等医疗设备的使用方式，为患者带来更安全、更便捷的治疗体验。
传统植入物供电方式的局限性
目前，深部组织植入物的供电主要依赖于两种方式：一是通过手术植入几厘米长的电池，需要定期更换；二是通过手术放置的厘米级磁线圈，实现无线能量收集。然而，这两种方法都存在明显局限性。
电池供电的植入物虽然技术成熟，但需要定期通过手术更换，增加了患者的痛苦和医疗成本。同时，电池体积较大，限制了植入物的进一步小型化。而磁线圈无线供电方式虽然避免了电池更换问题，但在高频下工作会导致组织加热，限制了在亚毫米尺寸下安全输送的功率量。
"当超过这个限制时，你开始损伤细胞，"麻省理工学院媒体实验室Nano-Cybernetic Biotrek研究组的博士生Baju Joy解释道。正如研究团队在《IEEE天线与传播汇刊》论文中所指出的，"在超小尺寸（小于500微米）下开发能够在低频段高效工作的天线具有挑战性。"
磁电天线技术的创新突破
面对这一技术瓶颈，MIT研究团队开发出一种全新的解决方案——一种200微米大小的磁电天线，能够在低频（109 kHz）下高效工作。这项技术的核心在于一种创新设计：将磁致伸缩薄膜（在磁场作用下会发生形变）与压电薄膜（将形变转化为电荷）层压在一起。
当施加交变磁场时，磁致伸缩薄膜内的磁畴会发生扭曲，就像一块交织着金属片的织物在强磁场作用下会发生扭曲一样。磁致伸缩层的机械应变导致压电层在上下电极之间产生电荷。
"我们正在利用这种机械振动将磁场转化为电场，"Joy解释道。
图：磁电天线通过磁致伸缩和压电效应将外部磁场转化为电能
技术优势与性能突破
与传统依赖金属线圈并在GHz频段工作的类似尺寸植入式天线相比，这种新开发的磁电天线能够提供高出四个到五个数量级的功率。
"我们的技术有可能为能够在人体内深处无线操作的无创生物电子设备开辟新途径，"该研究的资深作者、麻省理工学院媒体实验室AT&T职业发展副教授Deblina Sarkar表示。
这种天线的工作原理基于磁电效应，即材料在磁场作用下产生电场，或在电场作用下产生磁场的现象。通过精心设计的材料组合和结构，研究团队成功将这一效应应用于微型天线，实现了在低频下的高效能量转换。
无创植入与可扩展性
这项技术最引人注目的特点之一是其微创植入方式。由于天线采用与微芯片相同的制造技术，可以轻松与现有微电子集成。
"这些电子和电极可以很容易地做得比天线本身小得多，它们将在纳米制造过程中与天线集成，"Joy说，"研究团队的工作利用了50年来在使晶体管和其他电子器件小型化方面的研发成果。其他组件可以非常小，整个系统可以通过注射针头放置。"
研究人员表示，天线的制造可以轻松扩展，可以注射多个天线和植入物来治疗身体的大面积区域。这种可扩展性为未来开发更复杂的医疗植入系统提供了可能性。
临床应用前景
这项技术的潜在应用前景广阔，除了心脏起搏和神经调节外，还包括体内葡萄糖监测等。目前，带有光学传感器检测葡萄糖的电路已经存在，但如果能够将无线电源无创地集成到体内，将大大提高这一过程的效率。
"这只是一个例子，"Joy说，"我们可以利用所有其他同样使用相同制造方法开发的技术，然后轻松地将它们集成到天线中。"
图：可注射天线技术可用于多种医疗植入场景，包括神经调节和器官监测
在神经医学领域，这项技术可能彻底改变癫痫和帕金森病的治疗方式。传统的深部脑刺激(DBS)系统需要大型电池和复杂的手术，而基于这种新技术的神经调节器可以通过注射方式植入，大大降低了手术风险和恢复时间。
对于心脏病患者，这种技术可以消除对心脏起搏器电池更换手术的需求，使患者免受反复手术的痛苦。同时，更小的设备尺寸意味着更少的组织损伤和更快的恢复。
技术实现与未来发展方向
这种磁电天线的制造过程采用了成熟的半导体制造工艺，这为其大规模生产奠定了基础。研究团队表示，这种制造方法的可扩展性意味着这种技术有望在未来几年内实现临床应用。
然而，从实验室到临床应用仍面临一些挑战。首先是长期生物相容性问题，需要确保植入材料在人体内长期安全工作。其次是能量传输效率的优化，需要在保证安全的前提下进一步提高能量传输距离和效率。
此外，研究人员还需要开发更先进的控制系统，以实现多个植入设备之间的协同工作，以及更精确的能量管理算法，以确保在不同组织深度和类型下都能稳定工作。
行业影响与潜在变革
这项技术的出现可能对医疗植入物行业产生深远影响。首先，它将推动植入物向更小型化、更微创方向发展，改变传统大型植入物的设计理念。其次，无线供电技术的成熟将使植入物的寿命大大延长，减少患者因电池耗尽而需要进行的重复手术。
从经济角度看，虽然这种新型植入物的初始成本可能较高，但考虑到其免除了电池更换手术和减少了住院时间，长期来看可能为医疗系统节省大量成本。
对于医疗设备制造商来说，这项技术开辟了新的产品开发方向。未来，我们可能会看到更多基于这种无线供电技术的创新医疗设备，如可注射的血糖监测系统、智能药物输送装置和先进的神经接口设备等。
社会意义与伦理考量
医疗植入物技术的进步不仅具有技术意义，还具有重要的社会意义。这项技术可能使更多患者能够负担得起先进的治疗方式，特别是对于那些需要长期植入医疗设备的患者，它可以显著提高生活质量。
然而，随着医疗植入物变得越来越微型化和无线化，也带来了一些新的伦理和隐私问题。例如，无线连接的植入设备可能面临安全风险，需要加强数据保护和网络安全措施。此外，对于能够远程监控和调节人体功能的设备，需要建立相应的伦理框架和监管机制。
结论
麻省理工学院媒体实验室开发的这种可注射磁电天线技术代表了医疗植入物供电领域的重要突破。它不仅解决了传统植入物供电方式的局限性，还为未来医疗设备的发展开辟了新方向。随着这项技术的不断成熟和临床应用的推进，我们有理由期待它将为医疗健康领域带来更多创新和变革，最终惠及广大患者。
这项研究展示了基础科学研究如何转化为具有实际应用价值的技术创新，也体现了跨学科合作在解决复杂医疗问题中的重要性。通过材料科学、电子工程、医学和纳米技术的结合，研究团队成功开发出这一革命性技术，为未来医疗植入物的发展指明了方向。
