深部脑刺激仪或可从呼吸中汲取能量

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这是一种新的实验性无电池手术植入脑装置，可用于治疗慢性疾病和神经退行性疾病，为寻求最大程度上的有效性但微创的治疗方法带来了希望。

电刺激大脑深处组织的神经植入物如今被用于治疗帕金森病和癫痫。研究人员最近还表明，深度脑模拟可以用于治疗精神障碍，如成瘾、抑郁、强迫症和创伤后应激障碍。

为这些脑深部刺激（DBS）植入物供电的电池可使用约三年。然而，更换电池的手术会增加成本并增加感染风险。为了解决这个问题，研究人员制作了一个DBS系统，通过收集和储存呼吸肺运动的能量来为自己供电。

康涅狄格大学附属公司VoltXon的化学家兼首席技术官Islam Mos表示：“深部脑刺激器是能量怪兽，所以电池很快就会耗尽。”该公司正在将《细胞报告物理科学（Cell Reports Physical Science）》杂志上报道的系统商业化。“我们创造了第一个自我可持续的无电池深部脑刺激装置。”

大脑深部刺激使用手术植入大脑内部深处的电极，通过电极发送不同频率的电脉冲。一个放置在锁骨正下方皮肤下的脉冲发生器通过皮肤下的一根导线发射电极，该导线从颈部一直延伸到颅骨。

这些电脉冲必须以受控的方式传递到大脑。过去制造无电池DBS系统的努力依赖于采集人体的机械能，要么无法以受控的频率传递脉冲，要么无法产生足够的功率来触发电极。

康涅狄格大学化学教授James Rusling和他们的同事开发了一种新型摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）用于从肺部运动中获取能量，并开发了一个超级电容器来储存能量。这两种设备都超薄且灵活。

当重复运动导致由不同材料制成的两个电极分离并结合在一起时，TENG依靠电荷的积累。它们已经被证明可以通过脚步、肌肉运动和风等方式发电，但尚未大规模商业化。

新的TENG依靠两种不同塑料制成的薄膜的接触和分离工作。但研究人员还添加了一层额外的“生物石墨烯”，他们通过在碳微纤维织物上涂上石墨烯薄片和蛋白质来制造。Mosa说，由于碳材料和蛋白质之间的相对运动，这种生物石墨烯可以作为额外的TENG，提高TENG产生的能量。整个装置是纸的厚度，一个4×5厘米的装置在每个接触分离循环中产生6.9微瓦。

这些能量储存在超级电容器中，研究人员通过在两个生物石墨烯电极之间夹一个凝胶电解质来制造超级电容器。一旦超级电容器充电，它就给脉冲发生器供电，以激发植入的电极。

他说，为了实际使用，TENG不会放在脆弱的肺组织上，而是附着在胸腔内。然后，每当一个人吸气和呼气时，肺部就会按压并释放装置。

研究人员目前对他们的系统进行了体外测试，将TENG放在一个模型胸腔上，用泵将猪肺充气和放气，将生物超级电容器连接到培养皿中刺激小鼠脑组织的电极上。

虽然商用DBS系统持续电刺激大脑，每秒产生60至180个脉冲，但新系统适用于间歇性DBS。Mosa说，最近的研究表明，间歇性刺激可能对阿尔茨海默病、记忆、抑郁和PTSD等疾病更有效。

“接下来，我们计划进行一项长期的体内研究，”他说。