从实验室到临床：植入式微型传感器的进展与挑战

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从实验室到临床：植入式微型传感器的进展与挑战

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网易

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植入式微型传感器和执行器在推动医学植入设备创新方面发挥着关键作用，为精准诊断、连续监测和个性化治疗带来了新的希望。然而，从实验室走向临床应用，仍然面临诸多技术难题和挑战。本文从不同角度深入探讨了植入式微型传感器与执行器目前的发展机遇与未来挑战，为该领域的研究人员提供了重要参考指引，并阐述出未来的攻克方向。

全球植入式医疗设备市场正持续增长。随着过去几十年新型制造技术的发展，各种微型植入式传感器和执行器不断涌现，并在商业和临床应用上取得了不同程度的成功。然而，成功的医疗器械转化不仅涉及技术创新，还包括严格的监管策略，以解决安全性和有效性问题。本篇综中深入探讨了相关领域的最新进展，并评估了过去几十年来的挑战和经验教训，展望了这些微创但功能强大的微型设备转化为临床应用的前景。

植入式微型传感器的商业化案例

下图展示了一些商业化的植入式微型医疗器械的例子，它们代表了不同的应用领域和技术方向。

图a 依次展示了以下商业化的植入式微型医疗器械：
CardioMEMS 植入式微型传感器 (Abbott Laboratories): 用于监测心力衰竭患者的肺动脉压力，帮助医生调整治疗方案，改善患者预后。
Neurovent-p ICP 传感器(Raumedic): 用于监测颅内压，帮助医生诊断和治疗颅内压升高相关疾病。
Eyemate SC 系统(Implandata Ophthalmic Product): 用于监测青光眼患者的眼内压，帮助医生评估病情并调整治疗方案。
图b 依次展示了以下商业化的植入式微型医疗器械：
微芯片治疗设备 (Microchip Biotech): 用于药物输送或其他治疗应用，例如基因治疗等。
nStrada (NanoMedical Systems): 一种纳米医疗系统，可能用于靶向药物输送或其他纳米技术应用。
Hydrus 微型支架 (Alcon): 用于治疗青光眼，通过改善房水引流来降低眼内压。
图c 依次展示了以下商业化的植入式微型医疗器械：
Stentrode 神经接口(Synchron): 一种微创脑机接口设备，通过血管植入，用于治疗瘫痪等神经系统疾病。该设备通过血管植入大脑，采集神经信号，实现脑机交互，帮助瘫痪患者恢复运动功能。
犹他阵列 (Blackrock Neurotech): 一种高密度微电极阵列，用于记录和刺激大脑神经活动，应用于脑机接口研究和临床应用。该阵列可植入大脑皮层，记录神经元活动，实现脑机接口控制，为脑科学研究和临床应用提供了重要工具。
图d 则展示了每种器械在转化过程中面临的对应挑战，这些挑战可能包括生物相容性、长期稳定性、信号处理、能量供应、临床试验、监管审批、成本控制等。

神经接口技术

神经接口技术，如同连接大脑与世界的桥梁，正以前所未有的速度发展。它允许我们直接记录和调节神经信号，与中枢和周围神经系统进行交互。这项技术不仅潜力巨大，更可能彻底改变我们对大脑的理解，以及与外部世界的互动方式。神经接口通常分为植入式和可穿戴式两种。植入式设备能够提供更高的时间和空间分辨率，更适合处理复杂的神经信息，满足特殊应用的需求。而可穿戴式神经接口则通过放置在皮肤上或附近的传感器，以非侵入性的方式检测神经信号，为应用提供了更多可能性。

微型化和生物相容性是神经接口发展的关键驱动力。在过去三十年中，微纳米工程的进步极大地推动了植入式神经接口的发展，使其在应用上取得了长足的进步。近年来，随着神经接口技术的快速发展，各种商业神经设备应运而生，如犹他阵列（Utah Array）、密歇根阵列（Michigan Arrary）和神经像素（Neuropixels）等，它们的设计都旨在满足不同用户的需求。

获取神经元信号的一种流行方法是利用微加工电极技术，即微电极阵列（MEA）技术。例如，犹他阵列就是一种可以记录和刺激大脑内的神经活动的高密度硅基MEA。自20世纪90年代末开发以来，犹他阵列已成为众多研究和临床应用的关键神经接口。该阵列已成功植入瘫痪志愿者体内，并在建立大脑与外部设备之间的通信通路方面取得了良好的效果。通过解码植入微电极的神经集合活动，研究人员展示了四肢瘫痪患者恢复运动功能并与周围环境互动的潜力。

Neuralink公司也在近年取得了显著进展，特别是其N1传感器，该设备集成了超过一千个电极。最近，他们获得了首次FDA人体临床试验的批准，这是该公司的一个重要里程碑。该临床试验针对严重脊髓损伤患者，旨在研究恢复或增强其运动能力的潜力。此外，Synchron公司的Stentrode和Precision Neuroscience公司的第7层皮质接口也是旨在恢复运动功能的的器件。

立体脑电图（sEEG）则是另一个例子，其中深度电极被植入大脑以更好地定位癫痫病灶。NeuroOne 公司成功获得 FDA 对其基于薄膜的 Evo® sEEG 系统用于临时（少于 30 天）脑部记录目的的 510(k) 批准。通过将薄而柔韧的 sEEG 电极与临时刚性探针相结合，与标准的 0.8 毫米直径的硅胶 sEEG 电极相比，这些电极的植入可以通过减少癫痫患者的 sEEG 电极偏移来提高准确性。

通过理解脑部疾病并促进创新治疗方法的发展，神经接口研究还可以改善神经和精神疾病患者的生活。例如，深部脑刺激（DBS）技术涉及在特定的深部脑区域植入电极，这些区域负责调节帕金森病、特发性震颤和肌张力障碍等疾病中的异常神经活动。DBS电极提供受控电脉冲以恢复功能失调的脑回路的平衡，从而缓解症状并改善患者的生活质量。

使用微型传感器和致动器的各种商用医疗植入物概览。红色虚线内的区域为植入部位。缩写：DAQ，数据采集系统；DDS，给药系统；ICP，颅内压；MIGS，微创青光眼手术；sEEG，立体脑电图。图改编自BioRender 中创建的图像；Jae Young Park.2025. https://BioRender.com/h66p182。

神经接口技术的商业化需要跨越实验阶段与实际应用之间的差距。临床前研究在此过程中发挥着至关重要的作用。它不仅为我们提供了关于神经机制、信号处理算法和接口设计的宝贵见解，还通过优化性能指标和提高安全有效性，为脑机接口（BCI）技术在人体试验之前的改进奠定了基础。

通过对神经电极记录质量、刺激性能、植入材料、外形尺寸和手术侵入性等关键参数进行评估和优化，研究人员可以为各种应用开发出有效且安全的神经植入物。值得注意的是，神经接口设备的测试结果很大程度上取决于所使用的动物类型。虽然啮齿动物因其成本低廉且易于实验而被广泛用于初始测试，但猪和非人类灵长类动物等大型动物模型对于转化研究而言至关重要。这是因为它们的大脑在解剖学和复杂性方面与人类大脑更为相似，能够更准确地预测设备在人体中的表现。

此外，材料成分和形状因素在神经植入物的发展中起着关键作用。电极材料直接影响关键电极属性，例如信噪比、串扰和电荷注入限制。硅基器件长期以来一直是神经微电极的传统选择，但近年来，聚合物植入物（例如 Neuralink 的N1传感器）因其良好的生物相容性和灵活性, 以及具备改善神经组织整合的潜力，引发了人们的广泛关注。然而，无论选择何种材料，具有亚细胞尺寸的神经探针都表现出减少组织包裹的优势，这对于提高植入物的长期性能具有重要意义。对于设计用于直接插入皮层的皮层内植入物，必须精心设计形状，以最大限度地减少组织体积位移，从而降低对神经组织的损伤。相反，位于皮层顶部的皮层电图植入物通常是片状或网状的，以实现更好的贴合和信号采集。成功植入和输送神经的装置也至关重要，Stentrode就是一种专为微创脑机接口而设计的创新装置。通过导管手术输送，使它无需开颅手术便可以直接植入大脑周围的血管中，大大减少了潜在的并发症，为患者带来了福音。

能源效率和无线技术的发展正不断推动着脑机接口技术的进步，为患者带来更多福音。电源效率是衡量神经接口用电效率的重要指标。较低的功耗不仅有利于延长电池寿命，还能最大限度地减少患者频繁充电或更换电池的需求，从而提高使用的便捷性和舒适性。为了提高电源效率，研究人员不断探索新的技术方案。例如，利用 ASIC（专用集成电路）甚至片上系统来替代传统的分立元件系统，可以显著降低功耗。此外，单晶蓝宝石窗口等创新材料的应用，则可以增强电磁透明度，实现低损耗无线传输和感应电力传输，为电池充电提供便利。

无线神经植入物系统的开发代表了另一项重大进步，为医学治疗带来了巨大潜力。一个引人注目的例子是PRIMA（光伏视网膜植入物），这是一种旨在恢复盲人视力的尖端设备。与需要外部连接的传统神经植入物不同，这种植入物可以在患者体内完全不受束缚地运行。通过在视网膜细胞之间植入光伏微芯片阵列，可以直接刺激因外层视网膜变性而失明的患者的内层视网膜细胞，帮助他们重见光明。这种无线技术不仅可以提高治疗的精度，更好地适应个人独特的神经回路，还可以避免与外部设备或连接线进行物理连接，从而大大提高安全性。随着研究和技术的不断进步，我们有理由相信，包括能源效率和无线技术在内的各项突破，将不断推动神经接口技术的发展，为增强人类健康和能力带来更多前所未有的机会。