《Nano Energy》：A wireless battery-free optogenetic photostimulation patch for precise neuromodulation in limb rehabilitation therapy
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基于超聲波能量無線傳輸和光遺傳學(xué)原理，本研究開發(fā)了一種植入式、無電池的光照刺激貼片，通過超聲波編碼信號精確控制藍(lán)光脈沖發(fā)射，實現(xiàn)神經(jīng)靶向激活與高精度肌肉收縮調(diào)控。實驗表明該裝置在嚙齒類模型中可產(chǎn)生0.6-1.37mV肌電信號，驅(qū)動關(guān)節(jié)角度5°-35°可控運動，持續(xù)工作1分鐘無疲勞衰減，其柔性微型化設(shè)計確保長期生物相容性。
楊光友|唐勇|林瑞|姜志賢|曹潭|邢莉莉|謝燕|詹陽|薛新宇
中國電子科技大學(xué)物理學(xué)院，成都 611731，中國
摘要
用于肢體康復(fù)治療的神經(jīng)肌肉電刺激方法受到空間精度低和容易引起快速肌肉疲勞的限制。為克服這些限制，我們提出了一種完全可植入、無線且無需電池的光刺激貼片，以實現(xiàn)精確的神經(jīng)調(diào)節(jié)。該設(shè)備利用超聲波進(jìn)行能量傳輸和控制，從而無需經(jīng)皮導(dǎo)線或有限的電池電源。接收到編碼的超聲波信號后，貼片會發(fā)出精確的藍(lán)光脈沖，通過光遺傳學(xué)方法刺激目標(biāo)神經(jīng)，實現(xiàn)高空間分辨率的細(xì)胞類型特異性激活。我們在小鼠模型中驗證了該貼片的有效性，成功引發(fā)了下肢的受控肌肉收縮。這通過逐漸增加的肌電圖反應(yīng)（0.6–1.37 mV）和相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度（5°–35°）得到證實，在2–10 W的超聲功率下，最大關(guān)節(jié)角度達(dá)到了35°，而在22.6 mW的光功率下實現(xiàn)了這一效果。貼片在連續(xù)刺激一分鐘內(nèi)保持了穩(wěn)定的性能，且沒有出現(xiàn)與疲勞相關(guān)的頻譜偏移。其微型化、柔軟的設(shè)計確保了長期的生物相容性和體內(nèi)穩(wěn)定性。這項技術(shù)為肢體康復(fù)治療開辟了新的范式，提供了一個可植入的光遺傳學(xué)平臺，實現(xiàn)了精確、長期的神經(jīng)調(diào)節(jié)，而不受傳統(tǒng)電刺激或有線光遺傳系統(tǒng)的影響。
部分內(nèi)容摘錄
1 引言
中風(fēng)或脊髓損傷等神經(jīng)損傷后恢復(fù)肢體運動功能在臨床實踐中是一個重大挑戰(zhàn)。幾十年來，神經(jīng)肌肉電刺激被廣泛用于肢體康復(fù)，以引發(fā)肌肉收縮并防止萎縮[1]、[2]、[3]、[4]。然而，這種方法受到電流在生物組織中傳播特性的限制。電流常常會擴(kuò)散到目標(biāo)區(qū)域之外
2.1 光刺激貼片的制備
光刺激貼片由一個超聲能量收集單元、一個發(fā)光組件和控制電路組成。定制的PZT壓電換能器（3 mm × 2 mm）從SCH TECHNOLOGY CO., LTD購買。微柔性控制電路由內(nèi)部設(shè)計，并由一家商業(yè)PCB服務(wù)公司（JLCPCB，中國）制造。制造過程首先用乙醇和去離子水清洗PZT換能器，然后進(jìn)行環(huán)境干燥。
3.1 設(shè)計與結(jié)構(gòu)
圖1展示了用于肢體康復(fù)神經(jīng)調(diào)節(jié)的無線、無電池光遺傳學(xué)光刺激貼片的概念框架和工作原理。如圖1A所示，該貼片被概念性地應(yīng)用于人體坐骨神經(jīng)，以引發(fā)腿部伸展和屈曲。一個便攜式外部發(fā)射器通過組織傳遞聚焦的超聲能量來為植入設(shè)備供電。貼片牢固地固定在目標(biāo)周圍神經(jīng)上，并集成了多個組件
4 討論
我們的工作通過將超聲驅(qū)動的能量收集與光遺傳學(xué)集成在一個微型化、完全可植入的貼片中，建立了精確神經(jīng)調(diào)節(jié)的新范式。這種方法有效解決了傳統(tǒng)電刺激的主要局限性——即空間精度低和快速肌肉疲勞——利用了光遺傳學(xué)的細(xì)胞類型特異性。該設(shè)備的無線和無需電池的特性消除了對導(dǎo)線的依賴和重復(fù)手術(shù)的需要
5 結(jié)論
總結(jié)來說，我們開發(fā)了一種完全可植入、無線且無需電池的光遺傳學(xué)光刺激貼片，有效解決了傳統(tǒng)神經(jīng)肌肉電刺激的局限性。該貼片包括一個超聲能量收集單元、一個發(fā)光組件和控制電路。通過利用超聲波進(jìn)行能量傳輸和控制，該設(shè)備實現(xiàn)了精確的光遺傳學(xué)刺激，利用其固有的細(xì)胞類型特異性來激活目標(biāo)神經(jīng)
作者貢獻(xiàn)聲明
薛新宇：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、資金獲取、概念構(gòu)思。詹陽：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、概念構(gòu)思。謝燕：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督。邢莉莉：資金獲取、概念構(gòu)思。曹潭：實驗研究。姜志賢：實驗研究。林瑞：實驗研究。唐勇：實驗研究、數(shù)據(jù)管理。楊光友：撰寫 – 原稿撰寫、實驗研究、數(shù)據(jù)管理。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的競爭性財務(wù)利益或個人關(guān)系。
致謝
本工作得到了四川省科技計劃（2024NSFSC0143和2024YFFK0333）和四川省精準(zhǔn)放射腫瘤學(xué)重點實驗室（2024ROKF06）的支持。
楊光友目前在中國電子科技大學(xué)物理學(xué)院攻讀博士學(xué)位。他的研究興趣包括納米發(fā)電機和自供電系統(tǒng)。
