液态金属植入式电子器件，最新Nature大子刊

植入设备‘充电’不怕跑偏！无线供电也能自动‘找频率’

心脏起搏、神经调控和再生刺激等植入式生物电子技术，正在让治疗从传统的药物干预走向更加精准、按需的电刺激。然而，要让这些设备真正长期工作在人体内，一个绕不开的问题就是供电。传统电池不仅体积大、刚性高，还会限制器件的小型化和柔性化，因此，“无电池植入式电子器件+无线供电”被认为是一条重要发展路线。问题在于，人体并不是一个静止的平台：呼吸、走路、皮肤拉伸和器官运动都会让体外发射线圈与体内接收线圈发生错位、拉伸甚至弯曲，原本调好的共振状态很容易被打破，供电效率随之大幅下降。

针对这一难题，韩国首尔基础科学研究所纳米粒子研究中心Dae-Hyeong Kim、Seung-Pyo Lee联合庆熙大学Sanghoek Kim和韩国首尔国立大学医院内科心脏病科Joonho Moon将非线性宇称-时间（parity–time，PT）对称电路与液态金属柔性植入器件结合，构建了一套能够主动适应位置变化和机械变形的可穿戴—植入式无线供电系统。简单来说，当发射端和接收端“没对准”或者植入线圈被拉伸时，系统能够自动寻找新的工作频率，重新维持高效共振。实验中，该系统在30%拉伸和30 mm错位等复杂条件下仍可保持较高的能量传输效率，并进一步在兔和猪模型中实现无线心脏起搏以及心动过速性心律失常终止。相关成果以“A wearable-to-implant wireless power transfer technology with variation tolerance”为题发表在《Nature Electronics》上。

传统无线充电为什么如此怕“错位”？核心原因就在于共振。常见的近场感应耦合无线供电系统通常在预先设定的固定频率下工作。当发射线圈和接收线圈保持理想距离和位置时，两者可以处于良好的共振状态；但一旦距离改变、横向错位，或者植入线圈发生拉伸和弯曲，系统的电感、耦合强度等参数都会变化，共振频率也会随之漂移。此时设备仍然守着原来的工作频率，自然就会“失谐”，导致能量传输效率快速下降（图1a）。研究团队的思路并不是强行让两个线圈永远保持对准，而是让无线供电系统自己适应变化。他们将可穿戴发射器与植入式液态金属接收器构造成PT对称共振系统，并在发射端加入实时反馈电路。当线圈之间的距离、位置或形状发生变化时，反馈系统能够感知耦合条件改变，并自动调整振荡频率，从原来的f₁切换至新的f₂，使发射端和接收端重新回到高效共振状态（图1b-d）。研究人员进一步制作了可拉伸、无电池的液态金属心脏起搏器以及柔性可穿戴发射器（图1e-f），最终形成了“体外穿戴供电、体内柔性治疗”的完整系统，并在猪模型中验证了无线起搏能力（图1g）。

图1：耐位置和形变变化的可穿戴—植入式无线供电系统。

不过，只有“聪明”的供电电路还不够，因为植入人体的接收器本身也必须足够柔软。为此，团队使用SBS弹性体作为基底、Ecoflex作为封装层、共晶镓铟（EGaIn）液态金属作为导体，并采用银-金纳米线/SBS复合材料作为与组织接触的刺激电极，构建出多层柔性心脏起搏器（图2a）。这种设计使器件能够随着身体发生拉伸、弯曲和扭转，而不是像传统刚性电路板一样抵抗组织变形。有限元模拟进一步显示，在50%单轴拉伸下，器件最大应力主要集中在弹性基底与刚性芯片的界面附近，但最大值约为250 kPa，仍明显低于基底约520 kPa的断裂阈值（图2b）。实际器件也可以承受明显的弯曲和扭转（图2c）。为了把液态金属真正做成复杂电路，研究人员还开发了选择性湿法涂覆和液态金属垂直互连孔（VIA）工艺（图2d-f），让上下两层液态金属线路实现电连接。VIA的引入并未带来明显额外电阻（图2g），液态金属与商用芯片之间的连接在高达100%拉伸下仍能保持稳定（图2h）。

液态金属的优势在这里体现得非常明显。线圈被拉伸50%时，其电阻仅增加至初始值的1.32倍；即使经历80%应变下1000次循环拉伸，仍表现出较好的电学稳定性（图2i）。但研究人员也发现，“电阻变化小”并不意味着无线供电不会受影响。随着线圈几何形状改变，其电感同样发生变化，使共振频率从未拉伸时的2.64 MHz下降到50%应变下的2.39 MHz（图2j）。这恰恰再次说明：对于真正会变形的植入器件，仅仅把线圈做软还不够，还需要一个能够主动追踪共振频率的供电系统。

图2：柔性液态金属无线心脏起搏器的设计、制备与性能。

于是，图3进入整项工作的核心：PT对称无线供电究竟能不能扛住现实中的各种扰动？研究人员构建了由“增益”发射共振器和“损耗”接收共振器组成的平衡系统，并利用非线性反馈放大器实现自振荡（图3a-c）。与固定频率工作的传统近场感应耦合不同，这套系统会随着两个线圈耦合状态改变自动选择合适的工作频率，而且受到扰动后可在约20 μs内达到稳定振荡。结果显示，当轴向距离增加至30 mm和40 mm时，PT对称系统的传输效率仍分别超过67%和47%，而传统系统仅为22%和13%（图3d）；当横向错位达到30 mm时，前者仍有64%的传输效率，而传统系统降至24%（图3e）。

面对拉伸，这种“自适应”能力同样发挥作用。得益于液态金属线圈较低的应变敏感性以及PT对称电路的自动调频，系统在30%和50%拉伸下仍分别实现约85%和71%的传输效率（图3f-g）。更关键的是，现实中的运动往往不是单一变化，而是拉伸和错位同时发生。即使在30%应变叠加30 mm轴向距离的情况下，传输效率仍保持在50%以上；30%应变叠加30 mm横向错位时则保持在55%以上（图3h-j）。LED演示更加直观：在这些复杂扰动下，PT对称系统仍能点亮植入设备，而传统固定频率系统已经无法正常供电（图3i、k）。

图3：PT对称无线供电系统对位置变化和机械形变的耐受能力。

实验室里的LED能亮，距离真正的植入式医疗应用显然还有很长一步。因此，研究团队首先在兔模型中进行了无线心脏起搏实验（图4a-c）。液态金属接收器被植入兔背部皮下，刺激电极则连接到心脏表面。X射线结果显示，植入后的器件能够顺应身体曲面发生明显形变，而没有因此失去工作能力（图4b）。随后，研究人员在左右心室分别布置刺激电极，实现了可编程的多位点刺激（图4d）。心电图显示，系统能够分别实现左心室和右心室起搏（图4e）。更重要的是，当体外发射器与植入接收器之间的轴向距离逐渐增加至35 mm，或者横向错位达到30 mm时，系统依然能够维持连续起搏（图4f-g）。研究人员还人为诱导出370 bpm的室性心动过速，并利用480 bpm无线超速起搏成功终止心动过速，使心律恢复至180 bpm的窦性节律（图4h）。这意味着这套系统展示的不只是“隔着皮肤给设备供电”，而是在动态条件下完成了实际电治疗操作。

图4：兔模型中的无线心脏起搏与心律失常干预。

为了进一步接近真实应用场景，团队又将实验推进到体型更大的猪模型，并把整个系统做成真正无需外部导线连接的形式。完整平台由植入式液态金属接收器、可穿戴发射器、可充电锂电池、信号与电源管理电路以及蓝牙通信模块组成，可通过智能手机远程控制刺激（图5a、d、e）。液态金属接收器被植入约20 mm深的皮下，起搏电极则固定在左心室表面，随后关闭胸腔（图5b-c）。在这种更加接近真实活动状态的环境中，PT对称系统仍可持续完成240 bpm的无线起搏。当发射端与植入端之间出现最高40 mm的轴向分离或30 mm的横向错位时，心脏起搏仍能继续；相比之下，传统固定频率感应耦合系统在相同扰动下出现起搏失败（图5f）。换句话说，这项工作的重点并不是单纯把无线供电距离做得更远，而是让无线供电从依赖“精确摆放”，向能够容忍人体运动和位置变化迈进。

图5：猪模型中的全无线动态心脏起搏。

小结

总体来看，这项研究把两个关键问题放在了一起解决：一方面，液态金属和弹性体让植入电子器件能够顺应组织变形；另一方面，PT对称无线供电系统通过实时反馈和自动调频，使能量传输能够适应错位、距离改变和机械拉伸。二者结合，让“柔软的植入器件”拥有了一套同样能够适应动态人体环境的供电方式。不过，研究团队也指出，真正走向长期临床应用仍需要进一步缩小植入接收器尺寸，并降低线圈和电路损耗；对于长期植入，还需要进一步提升柔性封装的气密性、生物相容性和长期可靠性，避免机械开裂、界面脱层以及水分渗透等问题。