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为解决传统电疗设备的局限，满足下一代电疗对设备无线、自主可控和多功能的需求，研究人员开展了无线生物电子电疗设备的研究。他们整合相关技术，明确应用场景，发现该设备在多领域有应用潜力，为未来医疗提供新方向。
在现代医学不断发展的进程中，电疗作为一种重要的治疗手段，正发挥着越来越关键的作用。电疗（Electrotherapy），即利用电流来实现治疗效果，其中电刺激（Electrostimulation，ES）是其典型方式，在疼痛管理、心脏起搏、伤口愈合促进、神经肌肉调节等多个医疗领域广泛应用 。然而，传统的电疗设备存在诸多弊端。早期的永久性电刺激器，如心脏起搏器，依靠电池供电且需通过有线导联连接心脏组织，不仅电池更换需要手术操作，有线导联还可能引发慢性健康问题。此外，现有设备在整合多种优势方面面临挑战，例如先进的供电系统可能引发长期生物相容性和安全性问题，而人工决策或算法控制器在处理大量生理数据时难以达到高标准的生物控制要求。因此，开发更先进的电疗设备迫在眉睫。
为了应对这些问题，新加坡国立大学（National University of Singapore）的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发无线生物电子设备，以满足下一代电疗的需求。该研究成果发表在《Cell Biomaterials》杂志上，为生物电子学和电疗领域带来了新的突破。
研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。在电源供应方面，研究了多种自供电和无线远程供电技术，包括能量存储系统（Energy Storage Systems，ESSs）、内部能量收集系统和外部功率传输系统；在控制系统研究中，探索了闭环控制系统对生物电子设备的重要性，并通过算法和机器学习（Machine Learning，ML）实现自主控制。此外，还对不同应用场景下的设备进行了针对性研究。
下面详细介绍研究结果：
- 电源供应（Power Supplies）：电源对于无线生物电子设备的稳定运行至关重要。研究人员将先进的供电系统分为三大类进行研究。
- ESSs：ESSs 主要包括电池、生物燃料电池（Biofuel Cells，BFCs）和超级电容器（Supercapacitors，SPCs）。电池能将化学能转化为电能，具有高能量密度、长寿命等优点，在可穿戴和植入式设备中广泛应用。例如，新型自供电电子绷带利用生物流体作为电解质，实现了电刺激功能，且在体内可完全降解，避免了二次手术 。BFCs 能利用人体内部的生物燃料产生电能，具有自维持性和底物特异性响应等特点 。SPCs 具有高功率密度、快速充放电等优势，但能量密度较低，常与其他技术结合使用 。
- 内部能量收集系统：该系统包括摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators，TENGs）、压电纳米发电机（Piezoelectric Nanogenerators，PENGs）和热电发电机（Thermoelectric Generators，TEGs）。TENGs 通过人体肌肉运动产生电荷，为设备供电 ；PENGs 可将压缩机械能转化为电能，如集成在心脏起搏器中的 PENG 能为心脏起搏提供一定能量 ；TEGs 则利用塞贝克效应将热能转化为电能，但在体内应用存在一定挑战 。
- 外部功率传输系统：常见的外部功率传输系统有无线功率传输、光伏发电和集成超声 - 机械能量收集器系统。无线功率传输利用电磁场感应为设备供电，还可与其他技术结合实现无线充电和存储 ；光伏发电通过捕获光能转化为电能，可作为神经刺激器的电源 ；集成超声 - 机械能量收集器系统利用超声将外部机械能传输到内部设备，实现能量转换和设备控制 。
- 控制系统（Control Systems）：控制系统是生物电子设备的关键组成部分，对设备的安全性和性能起着决定性作用。
- 被动设备与主动设备的手动控制：对于简单应用，如伤口愈合促进，生物电子设备可以是被动的，无需特定控制。而在主动设备中，手动控制分为开环和闭环两种方式 。开环手动控制在操作过程中缺乏对结果的反馈监测，闭环手动控制则通过分析设备性能来完成闭环控制，但两者都需要大量的人工干预 。
- 主动设备的闭环自主控制：闭环自主控制旨在用算法取代人工决策。研究人员通过算法和比例 - 积分 - 微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制器实现了对植入式心脏起搏器的瞬态闭环自主控制 。此外，ML 算法的应用为实时数据驱动的预测和控制提供了更多可能性，如通过卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）实现对癫痫发作的预测和药物释放控制 。
- 应用（Applications）：下一代无线生物电子设备在多个医疗领域展现出了广阔的应用前景。
- 心脏起搏器（Cardiac pacemakers）：心脏起搏器对于治疗心律失常至关重要。生物可吸收起搏器的出现减少了对患者的二次伤害和感染风险 。同时，研究人员还开发了瞬态闭环系统，实现了对心脏起搏器的自主、速率自适应控制 。此外，小型化的生物相容性起搏器也在不断发展，以提升患者体验 。
- 神经工程应用（Neural engineering applications）：ES 在治疗神经损伤、功能障碍和精神疾病方面具有重要作用。自我供电或无线供电的远程集成闭环神经调节系统是未来的研究热点 。例如，利用 AI 技术的自供电无线微创脑探针可通过智能手机远程缓解癫痫发作 。同时，生物可降解的自供电微导管设备可促进周围神经再生 。
- 皮肤伤口愈合增强（Skin-wound-healing augmentation）：新型生物电子设备通过施加外部电场，能加速伤口愈合 。无线无电池的电疗系统可实时监测伤口恢复情况 。将 ES 与药物输送相结合，能进一步提高伤口愈合效率 。
- 肌肉骨骼组织再生（Musculoskeletal tissue regeneration）：ES 常用于肌肉骨骼损伤的术后治疗和康复。无线植入式骨电子接口和可生物吸收的微针设备，分别通过超声驱动和无线激活，实现了促进骨修复和组织再生的功能 。
研究结论与讨论部分指出，选择合适的电源技术对生物电子设备至关重要，应根据设备的预期应用进行定制 。电池在可穿戴设备中应用广泛，但存在安全和生物相容性问题；无电池电源则更适合植入式设备 。同时，混合电源系统能提高能量效率，但目前更适用于可穿戴设备 。AI 技术在生物电子学中具有重要作用，可辅助生理传感、监测和分析，实现疾病的预测和诊断 。然而，AI 技术也面临着决策可信度、数据隐私和计算能力等挑战 。此外，提高生物电子设备各模块的生物相容性和生物降解性同样重要 。虽然下一代无线生物电子设备面临着监管和商业化的障碍，但通过多方面的努力，如与医院合作、参与相关项目、创建共享平台等，有望克服这些障碍。
总的来说，该研究为下一代电疗提供了新的解决方案，推动了生物电子学在医疗领域的发展，具有重要的理论和实践意义。它不仅为治疗多种疾病提供了更有效的手段，还为未来家庭医疗保健的发展奠定了基础，有望实现更便捷、个性化的医疗服务。
