《SCIENCE》：An in-body networking system for communication between wearable and implantable therapeutics
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生物电子传感器与执行器网络可实现连接远端相关生理动态的闭环治疗（closed-loop therapy）。当前器件交互受限于低效穿透组织且需笨重组件的通信方法。受神经系统离子信号启发，研究人员设计了利用组织作为导电介质、在植入式与可穿戴器件间通过表皮、皮下、腹
生物电子传感器与执行器网络可实现连接远端相关生理动态的闭环治疗（closed-loop therapy）。当前器件交互受限于低效穿透组织且需笨重组件的通信方法。受神经系统离子信号启发，研究人员设计了利用组织作为导电介质、在植入式与可穿戴器件间通过表皮、皮下、腹腔及胃肠道空间传输信号的通信平台。器件产生瞬态电场，当其他器件接收到使其特定晶体管电路开启的脉冲时被选择性激活。植入件可注射，监听态功耗可忽略，组织通信覆盖优于蓝牙（Bluetooth）10倍以上。在大鼠体内，研究人员展示了由传感器与神经接口构成的协调式全身网络，可实现无线双侧肢体运动控制。
研究背景方面，胰岛素泵、起搏器、神经刺激器、电子药丸、药物递送植入物与假体等智能生物电子治疗器件，通过闭环反馈把传感器与执行器连接起来改善预后。若把更多微型协调节点分布到体内，可同步监测并治疗多个互相关联的生理位点，但现有射频（radio frequency，RF）类无线通信需笨重组件、组织内表现差且可协调独立节点数有限。蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）组件至少宽5 mm，近场通信（near-field communication，NFC）与感应耦合需精确对位，磁电子、光电子和超声等方法也常依赖外部发射器，因此不适合深部靶区、容错错位和多点控制。正因如此，亟需一种小型化、低功耗、可穿过组织并支持多节点组网的体内通信架构。
为解决这个问题，研究人员提出SWANS（Smart Wireless Autonomous Networking System，智能无线自治网络系统），把身体组织当作导电介质，用低频特征电压脉冲在组织内产生瞬态电场，靠接收垫感知电压梯度，并用不同晶体管与无源电路实现按电压幅值、脉宽和频率选择性开启，从而完成可穿戴—植入件、植入件—植入件、植入件—可穿戴的双向跨体通信。该系统监听态为微瓦级功耗，器件可小至毫米级并经注射器植入，组织通信覆盖面积较RF方法大10倍以上。论文发表于《SCIENCE》。
主要关键技术方法上，研究人员以离体猪腹肉、鸡胸肉及啮齿类组织，以及大鼠在体模型为样本来源；采用微针贴片将可配置0–12 V方波脉冲引入皮下，绕过高阻角质层（stratum corneum）；用双接收垫柔性印刷电路板（flexible printed circuit board，fPCB）检测组织内电压梯度；借助NPN/PNP双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET）、有机电化学晶体管、TS883IST比较器及电阻电容组合实现多路复用与逻辑门控；并以激光诱导石墨烯（laser-induced graphene，LIG）应变传感器、坐骨神经袖套和体温敏电阻构成传感—触发—中继闭环。
体内离子通信用于触发生物电子治疗器件部分，离体实验显示接收垫间电势随注入电压线性变化，加电阻提高开启所需电压幅值，加电容提高所需脉宽，低电压长脉触发含电容开关、高电压短脉触发含电阻开关，证明选择性寻址。离体带皮带骨猪组织中10 V、1 Hz、200 μs脉冲可形成跨越30+ cm、深达14 cm的电压梯度，非对齐30 cm外仍可检到>0.1 V梯度，工作面积超BLE/NFC/感应耦合10倍以上。
可穿戴与植入式间低功耗无线通信平台部分，SWANS由可穿戴中枢、微针贴片、可注射电路三部分组成；可穿戴fPCB读传感器并输出0–12 V离子通信脉冲，微针直接皮下造场，植入fPCB含接收垫、可换晶体管开关、电源与神经刺激等执行器。最小通信配置直径1 mm，集成电池后尺寸3 mm×1.1 mm×17 mm仍可经6号针部署；还实现首枚植入件触发第二枚植入件、测温植入件在发热时中继信号、植入件向可穿戴回传确认等全身体组网。
体内SWANS通信保真度与生物相容性部分，大鼠皮下7.5 V脉冲给皮下植入件带来0.87±0.16 V，足以开启NPN；腹腔内MOSFET九次全开，胃内PNP与比较器同压开启；不同方位布局均有足够梯度。组织学上≤10 V、≤10 ms、1 Hz刺激10天不伤组织，电荷密度19 μC/cm2在安全范围；2个月慢性植入虽被纤维化包囊，仍可在安全电压内维持通信，心肝脾神经等未见凋亡、增殖和氧化应激异常，且不扰乱心电与周围神经自然电活动。
体内闭环神经刺激部分，前肢LIG传感器探知运动意图后，可穿戴中枢发肢体特异性脉冲，分别开启后肢NPN或PNP植入刺激器，经坐骨神经袖引发对应后腿屈曲；NPN-电阻与NPN-电容两植入件因组织阻抗差异可用不同脉宽电压独立触发，证明分散感知—执行节点可协同做全身协调控制。
讨论部分指出，SWANS用市售元件即可嵌入任意生物电子器件，相较其他无线方案更省电、覆盖更大、无需外置天线、对位约束小且可注射；借电阻、电容、比较器实现多路复用与逻辑门控，也可换为传感器使节点随生理状态改变响应。2个月安全性研究未见可检损伤，但长期低电压离子信号、微针放置对细胞行为、组织重塑及疾病态下影响，以及大动物和人体中异质组织层的通信表现，仍需进一步研究。SWANS适合低频触发、低数据量场景，以带宽换小型化与寿命，是对现有无线的补充。
研究结论可译为：SWANS确立了分散式可穿戴与植入式治疗器件经组织离子传导进行全身通信的框架；其用现成元件、功耗更低、工作区域更大、无外置天线、减小对位限制并可注射；通过响应特定电压与脉宽的接收电路实现多路复用与逻辑门控；在测试条件下不引起可检组织损伤；特别适用于不频繁触发和低数据传输，以待机近零功耗换取微型化与长寿命，是现有通信架构的互补方案。
