《Nano Energy》：A wireless battery-free optogenetic photostimulation patch for precise neuromodulation in limb rehabilitation therapy
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基于超声波能量无线传输和光遗传学原理，本研究开发了一种植入式、无电池的光照刺激贴片，通过超声波编码信号精确控制蓝光脉冲发射，实现神经靶向激活与高精度肌肉收缩调控。实验表明该装置在啮齿类模型中可产生0.6-1.37mV肌电信号，驱动关节角度5°-35°可控运动，持续工作1分钟无疲劳衰减，其柔性微型化设计确保长期生物相容性。
杨光友|唐勇|林瑞|姜志贤|曹潭|邢莉莉|谢燕|詹阳|薛新宇
中国电子科技大学物理学院，成都 611731，中国
摘要
用于肢体康复治疗的神经肌肉电刺激方法受到空间精度低和容易引起快速肌肉疲劳的限制。为克服这些限制，我们提出了一种完全可植入、无线且无需电池的光刺激贴片，以实现精确的神经调节。该设备利用超声波进行能量传输和控制，从而无需经皮导线或有限的电池电源。接收到编码的超声波信号后，贴片会发出精确的蓝光脉冲，通过光遗传学方法刺激目标神经，实现高空间分辨率的细胞类型特异性激活。我们在小鼠模型中验证了该贴片的有效性，成功引发了下肢的受控肌肉收缩。这通过逐渐增加的肌电图反应（0.6–1.37 mV）和相应的关节角度（5°–35°）得到证实，在2–10 W的超声功率下，最大关节角度达到了35°，而在22.6 mW的光功率下实现了这一效果。贴片在连续刺激一分钟内保持了稳定的性能，且没有出现与疲劳相关的频谱偏移。其微型化、柔软的设计确保了长期的生物相容性和体内稳定性。这项技术为肢体康复治疗开辟了新的范式，提供了一个可植入的光遗传学平台，实现了精确、长期的神经调节，而不受传统电刺激或有线光遗传系统的影响。
部分内容摘录
1 引言
中风或脊髓损伤等神经损伤后恢复肢体运动功能在临床实践中是一个重大挑战。几十年来，神经肌肉电刺激被广泛用于肢体康复，以引发肌肉收缩并防止萎缩[1]、[2]、[3]、[4]。然而，这种方法受到电流在生物组织中传播特性的限制。电流常常会扩散到目标区域之外
2.1 光刺激贴片的制备
光刺激贴片由一个超声能量收集单元、一个发光组件和控制电路组成。定制的PZT压电换能器（3 mm × 2 mm）从SCH TECHNOLOGY CO., LTD购买。微柔性控制电路由内部设计，并由一家商业PCB服务公司（JLCPCB，中国）制造。制造过程首先用乙醇和去离子水清洗PZT换能器，然后进行环境干燥。
3.1 设计与结构
图1展示了用于肢体康复神经调节的无线、无电池光遗传学光刺激贴片的概念框架和工作原理。如图1A所示，该贴片被概念性地应用于人体坐骨神经，以引发腿部伸展和屈曲。一个便携式外部发射器通过组织传递聚焦的超声能量来为植入设备供电。贴片牢固地固定在目标周围神经上，并集成了多个组件
4 讨论
我们的工作通过将超声驱动的能量收集与光遗传学集成在一个微型化、完全可植入的贴片中，建立了精确神经调节的新范式。这种方法有效解决了传统电刺激的主要局限性——即空间精度低和快速肌肉疲劳——利用了光遗传学的细胞类型特异性。该设备的无线和无需电池的特性消除了对导线的依赖和重复手术的需要
5 结论
总结来说，我们开发了一种完全可植入、无线且无需电池的光遗传学光刺激贴片，有效解决了传统神经肌肉电刺激的局限性。该贴片包括一个超声能量收集单元、一个发光组件和控制电路。通过利用超声波进行能量传输和控制，该设备实现了精确的光遗传学刺激，利用其固有的细胞类型特异性来激活目标神经
作者贡献声明
薛新宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。詹阳：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。谢燕：撰写 – 审稿与编辑、监督。邢莉莉：资金获取、概念构思。曹潭：实验研究。姜志贤：实验研究。林瑞：实验研究。唐勇：实验研究、数据管理。杨光友：撰写 – 原稿撰写、实验研究、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了四川省科技计划（2024NSFSC0143和2024YFFK0333）和四川省精准放射肿瘤学重点实验室（2024ROKF06）的支持。
杨光友目前在中国电子科技大学物理学院攻读博士学位。他的研究兴趣包括纳米发电机和自供电系统。
