電刺激在醫學上確實能用作疾病治療,像是慢性疼痛、癲癇、巴金森氏症、抑制發炎,甚至用在減重上。然而,這些治療可能是需要經常進行,或者是需要電刺激的位置,位於生物體內。於是,電刺激裝置元件被開發成植入物,附帶電池或接電線到體外。這樣的方式,對患者或者醫療人員,都相當的不方便。因此,怎麼樣能夠以無線的方式,做體內的電刺激,也就是「無線」供電,成為各方積極研究的主題。 

除了開發無線供電,植入物的尺寸大小,也是未來能否被接受的關鍵。Neuron期刊,近期一篇研究,開發磁電(magnetoelectric)材料薄膜(thin film),將磁能轉換成電壓,做成米粒大小的裝置,不再需要電池,植入小鼠的皮下進行實驗,展示無線電刺激的功能。在這之前,已經有不少研究,使用無線電波、超音波、光、磁線圈的設計,但都難避免植入物作用時,被周遭環境干擾,或者產生熱對生物體造成傷害。

無線電刺激植入物,能設計成米粒大小。
無線電刺激植入物,能設計成米粒大小。Credit: Polina [email protected]

這裡的磁電材料薄膜,由兩層薄膜組成。第一層為磁致伸縮(magnetostrictive)金屬薄膜,有鐵、硼、矽、碳的成分。這個材料置入磁場內,會產生分子層級的震動。第二層是壓電材料(piezoelectric)晶體,可以將其承受的應力,轉換為電壓。當磁場作用在磁致伸縮材料,對材料產生應力,材料沒有明顯的膨脹或縮小,但其分子層級的震動產生聲波,甚至形成聲共振模態(acoustic resonant mode)。而這些聲音的殘響(reverberation)可啟動壓電材料薄膜,將承受的應力轉換為電壓。以上,似乎已經做到無線啟動電刺激了。還要一個調頻器(frequency modulator),將高頻率轉換成低頻率以有效影響細胞。整個裝置,主要有三個單元組成,磁致伸縮薄膜、壓電薄膜和調頻器。

為驗證功能,將裝置植入小鼠腦部的皮下,能刺激小鼠腦部犒賞中心(reward center)的位置。之後,將小鼠放在一個有封閉的空間,只有一個部分區域有磁場。研究員發現,小鼠很自然地會多待在磁場區,因為腦部犒賞中心受刺激,讓他想待在那個區域。成功驗證植入物確實在磁場環境下,可以產生電刺激。

以上,各位覺得發展成為產品的可能性大嗎?這個米粒大小的設計,的確很吸引人。如果能像貓貓狗狗植入晶片那樣方便,再設計一個手持式磁場產生器,搭配使用,是不是能隨時給予電刺激治療呢?或許還要設計可以任意關閉和啟動壓電材料薄膜的功能,可以在不需要的時候關閉。避免不小心進入磁場區域,在無預警的狀況觸發電刺激。

文章參考: Rice University News & Media
圖片來源: Polina Tankilevitch@Pexels



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BioMeder

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