Science 子刊：技术突破！一种全新的通信方法—离子通信，可长期无创采集神经信号
可植入生物电子设备正越来越多地用于监测、治疗疾病。如何把信号安全、有效和长期地从植入装置传输到外部电子是目前面临的主要挑战。
基于射频(RF)和超声波的通信实现了来自植入设备的无线数据传输。然而，复杂、高功耗、非生物相容性和刚性的射频电子元件，以及生物组织的高离子电导率，严重限制了其信号传输能力。因为解释和调节大脑活动需要很高的空间和时间采样，神经电子设备对数据传输有一些最苛刻的要求。脑机接口需要一个长期植入的、笨重的、僵硬的经皮端口，该端口将高时空分辨率的神经信号从微电极阵列传输到外部处理器。
哥伦比亚大学电气工程系Zifang Zhao等在SCIENCE ADVANCES杂志发表题为Ionic communication for implantable bioelectronics的材料学研究文章。该团队开发了一种基于生物学的数据通信方法：离子通信（IC），利用体液的高离子电导率在完整的组织界面上传输电信号。
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1. IC结构特征
IC的结构如上图所示。
(A) 为IC装置横截面示意图，包括一个植入生物组织内的发射器电极对(TX)，一个在组织表面的接收电极对(RX)。VTX为发射机信号，VRX为组织外RX测得的电压。
(B) 图示在10-3、10-2、10-1和1 PBS(颜色越深代表浓度越高)、去离子水(DI;灰色)、异丙醇(IPA;红色)中采集IC的频率响应，VTX扫描信号为1 Hz至10 MHz。TX和RX阵列之间的电极间距和距离固定在25mm。
(C)示IC电极作为工作电极在(B)相同介质中的电化学阻抗。Ag/AgCl电极作为计数电极和参比电极。
(D)电极/电解质界面EDL电容示意图。
2. IC优点
2.1 低功耗、高保真
IC操作需要低电压，且功耗大大低于射频、超声波等传统通信方法。在给定阻抗下，IC在频率上的功耗保持不变，较高的TX/RX阻抗会导致在所有数据速率上的功耗较低。IC能够以低功耗传输一系列临床和研究植入设备的数据。
该研究比较了IC通信效率(由相对于运行速度的功耗定义)和其他数据传输方法。由于IC在低电压下高效工作，其通信效率超过了用于此类设备的大多数无线通信协议。IC通过对组织应用兆赫范围的信号来工作。该研究发现，对于组织中的感应电场，最大工作电压随(i) TX阵列面积和(ii)一对TX电极之间的距离的函数较好地控制在安全范围内。
2.2高兼容性、便捷性
IC 所需的材料具有生物相容性且可购得。不会因暴露于水或离子而受损，使用电荷平衡编码协议最大限度地减少阵列电极处离子捕获的可能性。与用于基于射频的方法的调制器不同，RX/TX阵列不需要在生物环境中封装。
IC组件具有柔性，因为横截面直径小，并且能够嵌入适形的塑料基板中。它们的简单设计也可以使用柔软和可生物降解的材料，从而在需要进行限时监测或干预的情况下无需移除设备。
IC目前可以使用植入式电池供电。IC传输线不具有固有的方向性，提高了通过并行线对刺激器等有源设备进行双向通信的可能性。IC元件(TX/RX阵列)易于小型化，在生理可接受电压下可以在阵列电极间传输数倍于组织距离的距离(30 mV时4倍，100 mV时11倍)。
IC传输的采样率高，保真度高，并可耐受机体运动可能带来损伤。IC可以与各种有机电子设备集成，并可通过完整的组织接口进行通信，避免了挤压电子元件的需要，可以建立完全符合要求的可植入电子设备。
研究表明，IC能够在至少3周的时间内持续传递自由运动大鼠的神经信号，证实了IC在多种体内应用的可行性。
总 结
该团队创造了完全可植入的基于IC的神经接口装置，可在数周内从自由移动的啮齿动物获得、无创传输神经生理学数据，其稳定性足以分离单个神经元的动作电位。IC组件可由柔软、生物相容甚至可生物降解的材料制成，可以很容易地用于实际可植入设备中，这为检测、治疗疾病带来新的福音。
参考文献
Z. Zhao, G.D. Spyropoulos, C. Cea, et al., Ionic communication for implantable bioelectronics[J], Science advances, 2022,8(14):eabm7851.
编译作者：VONVEY（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）