无线能量采集技术有助于植入系统复杂功能的长期工作，同时无需担心电池泄漏和二次手术更换，该方式可以为患有脑部疾病、听力障碍和心律失常的患者实现治疗设备的终生佩戴提供新的解决途径。通常，人体体内无线能量采集需要通过刚性磁体将植入式设备和外部可穿戴设备进行透皮机械耦合，在磁共振成像过程中外部强磁场诱使磁体与外部磁场对齐时，可能会产生较大的扭转力，从而导致内部磁体断裂、移位和消磁以及引起患者不适。

  近期，天津大学精仪学院黄显教授团队基于磁体细分磁域边缘效应开发了一种全向旋转磁阵列（FORMA），并组装了基于FORMA的核磁（MRI）安全的透皮无线能量采集系统（图1）。通过模制三维印刷模具实现了微型柔性磁球（直径仅为1 mm）的制备，引入牺牲层工艺使磁球在PDMS弹性体密堆积腔体中可自由旋转。FORMA可以在植入式柔性接收器（Rx 模块）和可穿戴式柔性收发器（Tx 模块）间距为1 mm时提供2.14 N的磁吸附力，可在9g加速度下保持系统的稳定工作。系统在8 MHz的传输频率下实现了15.62 dBm的功率输出。FORMA 的开发可以应用于终身植入的无电池柔性植入系统，并为推广长期监测和治疗急性和慢性疾病的技术提供了应用潜力。

图1 MRI 安全 FORMA 和透皮无线能量采集系统的示意图。

  团队提出了创新的FORMA制作方法，包括了柔性磁球的模制、磁球表面石蜡牺牲层的包裹（磁球-石蜡层）、磁球-石蜡层的密堆积与互联、PDMS 封装、磁球磁化以及石蜡牺牲层的溶解去除。FORMA具有出色的机械灵活性和拉伸性，FORMA（图2）实现了22.06%的应变、大幅度的弯曲和27.6%的扭转；同时FORMA实现了124%的断裂应变下，柔性磁球仅有3.2%的形变，柔性磁球在FORMA破裂之前始终能够保持良好的完整性。FORMA与外部永磁体在0 mm距离处实现了3.11N的最大磁吸力（图3）。测试结果表明FORMA实现了1 mm距离下与外部15mm直径圆盘磁铁间的2.14 N磁力，该距离下外部可穿戴器件可承受约8.2g的垂直加速度。FORMA在强磁场中具有出色的耐受性和稳定性。在450 mT场强的旋转磁场测试与3 T场强的MRI扫描测试中仅表现微弱的磁性变化，柔性磁球在旋转与振动测试中未产生发热与磨损。仿真结果表明FORMA可大幅度降低器件的磁扭矩。因此，FORMA可以集成在植入模块中，为内外交互的可穿戴系统提供足够的磁力，低扭矩保证了强磁环境下的佩戴安全性，全柔性保证了植入器件长期使用的舒适性，因此，FORMA在诸如人工耳蜗、心脏起搏器、脊髓刺激器等系统设计中具有广泛的应用前景。 

图2 FORMA 的制造与其良好的机械性能。 

图3 FORMA 的磁性特征。

  外部可穿戴Tx模块与植入Rx模块在夹有1 mm猪肉时（图4），接收功率可达15.62 dBm，该功率足以执行电化学传感、电学和光学模拟、受控药物输送和闭环调节等许多功能，为植入式柔性电子器件提供更多功能模块。在受到1g至9g的加速度时，系统内部Rx模块多种脉冲刺激的输出电压幅度和频率保持了稳定输出，这保证了佩戴者日常活动状态下的系统能量传输与模块的稳定工作。 

图4 MRI 安全的透皮无线能量采集系统的电气特性。

  考虑到深部脑刺激和人工耳蜗刺激的潜在应用场景，Rx模块植入兔子头骨上方，2周的康复期后进行功能测试，无论兔子是静止还是自由移动，可穿戴Tx模块都会通过磁定位吸附在兔子的头上并点亮Rx模块中的LED，表明了在自由移动的动物中进行无线能量传输的可行性。长达6周的动物实验表明了器件良好的生物相容性。此外，在第三周进行了0.25 T场强下的MRI扫描，扫描前后体内植入设备仅有微小位移，未带来组织损伤与炎症，MRI扫描后的器件仍可实现器件磁定位和能量转移。 

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5451