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为解决可穿戴和植入式设备能源供应及连接问题，研究人员开展无线无电池植入物相关研究。他们构建技术框架，实现植入物无线无电池运行。该研究可助力骨折康复监测，推动医疗数字化发展。
在当今医疗科技飞速发展的时代，人们对健康监测的精准度和便捷性有了更高的追求。连续收集生物信号对于提升诊断准确性、实现个性化医疗以及评估疾病进展和干预效果至关重要。植入式设备相较于可穿戴医疗设备，能以更高的灵敏度和测量精度采集生物信号，为健康监测带来了新的可能。然而，传统植入式设备的连续运行依赖于电化学储能，如电池，这存在诸多弊端。电池不仅使用寿命有限、能量存储容量受限，而且由于目标部位空间有限，其尺寸也受到限制。无线充电技术虽有所改善，但可充电电池的循环次数有限，效率会随时间下降，电池尺寸依旧制约着目标部位的选择和设备架构。此外，目前向大型动物模型和人类的可植入无线无电池（WBF）系统持续供电是一大技术瓶颈，现有临床 WBF 植入物使用的供电方式不便，且缺乏长期部署的实用方案。在此背景下，开展一项旨在突破这些困境的研究迫在眉睫。
为解决上述难题，研究人员开展了关于无线、无电池植入物持续运行的研究，以实现对骨折康复的先进监测。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为医疗领域带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。在设备制造方面，通过特定的柔性面板结构制造可穿戴和植入式电子设备，包括对金属箔应变计等组件的处理以及多层材料的封装。利用 3D 扫描和建模技术制作可穿戴设备的适配结构，确保佩戴舒适。同时，借助远场功率传输、近场通信（NFC）和蓝牙低功耗（BLE）等无线通信技术，实现设备间的能量传输和数据交换 。在实验过程中，使用多种实验动物模型，如羊，进行体内实验和长期监测。
研究结果
- 可穿戴和植入物的无限期运行：生物共生架构的可穿戴生物共生集线器（BH）利用现代 NFC 技术，能与体内数厘米深的 WBF NFC 功能设备进行供电和数据交换。其特殊的天线设计和电路布局，实现了系统级的可拉伸性和应变耐受性，并且通过远场功率传输技术实现无线充电。研究详细分析了 BH 在不同工作场景下的电流和功耗，测试了其在不同组织厚度下的功率传输能力，以及与不同几何形状植入式设备天线的适配性。
- 慢性可穿戴实验：研究重点消除用户与 BH 的交互，通过优化设备架构，使 BH 重量轻、厚度薄、佩戴舒适，减少皮肤接触和避免使用粘合剂，降低皮肤刺激。慢性可穿戴实验表明，BH 可实现连续佩戴和不间断的数据传输，在为期两周的实验中，仅依靠远场功率传输，BH 的电池电压始终保持在正常工作范围。
- 增强型骨表面电子设备用于慢性骨健康表征：骨表面电子设备与 BH 结合，可长期深入了解骨健康状况。通过集成数字调节应变传感电路，补偿手术和骨整合阶段产生的偏差。实验展示了该设备对骨应变的高分辨率传感能力，以及温度传感功能在检测局部组织温度波动方面的作用，可作为急性炎症或感染的生物标志物。
- 大型动物研究：在羊身上进行的长期大型动物研究，验证了该技术框架的临床应用潜力。研究展示了多个骨表面设备的同时使用和精确定位，通过监测羊的运动，如摇摆和行走，获取了高精度的骨应变和温度数据，且植入手术对羊的正常步态无影响。
- 大型动物模型中骨健康和骨折恢复的长期监测：为期 11 个月的实验表明，骨表面电子设备具有良好的生物相容性，不会干扰伤口愈合过程或损害骨完整性。在骨折愈合研究中，通过监测骨应变作为骨折愈合的生物标志物，发现其与放射学分析高度相关，为骨折愈合评估提供了定量依据。
研究结论与讨论
该研究成功引入了无线、可穿戴的生物共生集线器（BH），实现了与 WBF 植入式设备的长期持续供电和数据交换。通过远场功率收集，BH 可实现无缝无线充电，无需用户操作，且使用标准化射频通信协议，提高了与现有基础设施的兼容性。长期动物实验证明，该系统能够实现高保真的骨应变和温度监测，为骨健康评估提供关键指标。同时，骨表面电子设备在骨折愈合研究中展现出临床实用性，为标准骨折护理提供了新的应用框架。
这项研究成果意义重大，它使患者能够自由活动，且无需改变日常生活习惯，就能实现对骨健康生物标志物的全天候监测。医生可通过该技术远程监控患者，将医疗护理从医院延伸到家庭，提高医疗效率。此外，该技术为骨折愈合提供了定量评估方法，结合标准放射学评估，有助于提高治疗的一致性，降低医疗成本。随着 WBF 薄膜植入物理论寿命的不断提高，该技术平台有望在药物输送等更多领域发挥作用，推动实现数字化连接身体的目标，为未来医疗发展开辟新的道路。
