综述：用于植入式生物电子设备的无线能量传输方式：电磁、声学和磁动力视角

《Advanced Materials Technologies》：Wireless Power Transfer Modalities for Implantable Bioelectronics: Electromagnetic, Acoustic, and Magneto-Dynamic Perspectives

无线能量传输（WPT）技术为植入式生物电子器件提供了可持续能源解决方案，避免电池寿命和有线约束问题。本文系统综述了电磁（EM）、磁电（ME）、声学（AC）和磁动力（MD）四种主要WPT模式，分析其原理、材料、性能权衡及临床挑战。EM系统功率高但存在热效应和对齐敏感问题；ME通过磁-电转换降低SAR但功率受限；AC利用超声穿透软组织但效率低；MD通过磁驱动机械振动实现介质无关但对功率密度要求高。研究指出，混合系统（如ME-AC、MD-AC）和生物相容性材料优化是未来方向，而MD因其低频、高容错性被视为下一代技术突破点。

　　无线电力传输（WPT）技术正逐步成为植入式生物电子设备领域的重要支柱，其核心优势在于无需电池供电即可实现持续能量供给，同时避免了传统有线连接所带来的限制和风险。随着植入式医疗设备的不断发展，其功能愈加复杂，对可靠且高效能量传输的需求也日益增长。目前，科学家们已经探索了多种无线电力传输方式，包括电磁（EM）、磁电（ME）、声波（AC）和磁动态（MD）等方法，每种方式都有其独特的性能特征和适用场景。以下将对这些技术进行深入解读，分析其工作原理、材料选择以及在实际应用中的表现。

电磁耦合技术是最早应用于植入式设备的无线电力传输方式之一，其基本原理是通过发射端和接收端之间的电磁感应实现能量传递。常见的电磁传输方式包括电感耦合（IC）、谐振电感耦合（RIC）和电容耦合（CC）。这些技术在结构上相对简单，适用于浅层植入物，但存在一些局限性。例如，电感耦合虽然在高功率传输方面表现出色，但其对设备对齐的敏感性以及生物组织中的能量损耗限制了其在深层或动态植入环境中的应用。此外，电磁耦合在生物组织中会引发局部加热，这不仅影响设备性能，还可能对患者造成热损伤。因此，尽管电磁技术在早期占据了主导地位，但其在临床应用中的限制促使研究者探索其他更为安全和灵活的无线传输方案。

磁电耦合技术则通过结合磁致伸缩和压电材料，实现从磁场到电能的直接转换。这种方式不仅提高了对齐容忍度，还显著降低了生物组织中的能量吸收和加热风险，从而改善了长期植入的生物安全性。然而，磁电系统在输出功率方面仍然受到限制，特别是在高功率需求的应用中表现不佳。此外，许多高性能的压电材料含有铅元素，这可能引发长期生物相容性问题。因此，研究者正在寻找无铅替代材料，以提高磁电系统的生物相容性和输出效率。磁电技术的另一个重要优势是其能够支持灵活的设备设计，使得植入式设备在复杂生理环境下也能保持稳定运行。

声波无线电力传输技术利用超声波作为非侵入式能量来源，通过压电或摩擦纳米发电机（TENGs）将机械振动转化为电能。这种方法在低频操作中表现优异，能够有效穿透生物组织，同时避免了电磁辐射带来的热效应。然而，声波传输依赖于介质的均匀性和超声波探头与植入物之间的精确对齐，这在实际应用中带来了挑战。此外，声波系统的输出功率通常较低，难以满足高能耗设备的需求。尽管如此，声波技术在生物相容性和治疗潜力方面表现出色，例如其诱导的电场可以促进细胞增殖和伤口愈合，为短期或临时植入物提供了新的可能性。

磁动态无线电力传输技术则提供了一种全新的解决方案，通过外部磁场驱动植入物中的永磁体，实现能量转换和设备运行。这种技术具有较强的对齐容忍度和介质独立性，能够适应复杂和异质的生物环境。磁动态系统可以实现中等功率输出，并且在多种介质中保持稳定的性能，这使得其在深层植入和长期应用中具有显著优势。然而，磁动态系统仍然面临一些挑战，如微型永磁体的磁力有限，影响了整体的能量密度；此外，其对长期生物相容性的评估仍需进一步研究。尽管如此，磁动态技术的出现标志着无线电力传输领域的一个重要转折点，它结合了电磁、磁电和声波技术的优点，同时克服了它们的主要缺陷。

每种无线电力传输方式都有其特定的应用场景和性能限制。电磁技术虽然在功率输出方面具有优势，但其对齐敏感性和热效应限制了其在深层或动态植入环境中的使用。磁电技术提供了更好的生物相容性和对齐容忍度，但在高功率输出和材料选择上仍有改进空间。声波技术在生物相容性和治疗潜力方面表现出色，但其对介质依赖性和对齐要求使得实际应用受限。而磁动态技术则在介质独立性和对齐容忍度方面表现出色，能够适应多种复杂环境，成为未来植入式设备的一个重要方向。

综上所述，无线电力传输技术的发展为植入式医疗设备提供了多种选择，每种技术都有其独特的优势和局限性。电磁技术仍然是一个重要的基础，但随着生物相容性、对齐容忍度和安全性问题的不断解决，磁电、声波和磁动态技术正逐渐成为更具前景的替代方案。未来的研究方向将集中在如何优化材料选择、提高传输效率以及开发多模态集成系统，以实现更高效、更安全和更灵活的无线电力传输方案。这些技术的进步将为下一代植入式生物电子设备的临床应用提供坚实的基础，从而推动医疗科技向更智能、更安全的方向发展。