Een team van ingenieurs van Rice University heeft het eerste neurale implantaat geïntroduceerd dat zowel kan worden geprogrammeerd als op afstand kan worden opgeladen met een magnetisch veld.

Hun doorbraak kan ingebouwde apparaten mogelijk maken, zoals een ruggenmergstimulerende eenheid met een op batterijen werkende magnetische zender aan een draagbare riem.

Het geïntegreerde microsysteem, genaamd MagNI (voor magneto-elektrisch neuraal implantaat), bevat magneto-elektrische transducers. Hierdoor kan de chip stroom oogsten van een wisselend magnetisch veld buiten het lichaam.

Het systeem is ontwikkeld door Kaiyuan Yang, een assistent-professor in elektrische en computertechniek; Jacob Robinson, een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek en bio-engineering; en co-hoofdauteurs Zhanghao Yu, een afgestudeerde student, en afgestudeerde student Joshua Chen, allemaal bij Rice's Brown School of Engineering.

Yang introduceerde het project op de International Solid-State Circuits Conference in San Francisco.

MagNI richt zich op toepassingen die programmeerbare, elektrische stimulatie van neuronen, bijvoorbeeld om patiënten met epilepsie of de ziekte van Parkinson te helpen.

"Dit is de eerste demonstratie dat je een magnetisch veld kunt gebruiken om een ​​implantaat van stroom te voorzien en ook om het implantaat te programmeren, Yang zei. "Door magneto-elektrische transducers te integreren met CMOS-technologieën (complementaire metaaloxide-halfgeleider), wij bieden een bio-elektronisch platform voor vele toepassingen. CMOS is krachtig, efficiënt en goedkoop voor detectie- en signaalverwerkingstaken."

Hij zei dat MagNI duidelijke voordelen heeft ten opzichte van de huidige stimulatiemethoden, inclusief echografie, electromagnetische straling, inductieve koppeling en optische technologieën.

"Mensen hebben op deze schaal neurale stimulatoren gedemonstreerd, en nog kleiner, " Yang zei. "Het magneto-elektrische effect dat we gebruiken heeft veel voordelen ten opzichte van reguliere methoden voor stroom- en gegevensoverdracht."

Hij zei dat weefsels geen magnetische velden absorberen zoals andere soorten signalen. en zal geen weefsels verwarmen zoals elektromagnetische en optische straling of inductieve koppeling. "Echografie heeft niet het verwarmingsprobleem, maar de golven worden gereflecteerd op grensvlakken tussen verschillende media, zoals haar en huid of botten en andere spieren."

Omdat het magnetische veld ook stuursignalen uitzendt, Yang zei dat MagNI ook "kalibratievrij en robuust is".

"Het vereist geen interne spannings- of timingreferentie, " hij zei.

Componenten van het prototype-apparaat zitten op een flexibel polyimidesubstraat met slechts drie componenten:een magneto-elektrische film van 2 bij 4 millimeter die het magnetische veld omzet in een elektrisch veld, een CMOS-chip en een condensator om tijdelijk energie op te slaan.

Het team heeft met succes de betrouwbaarheid van de chip op lange termijn getest door hem in een oplossing te weken en te testen in lucht en geleiachtige agar, die de omgeving van weefsels nabootst.

De onderzoekers valideerden de technologie ook door spannende Hydra vulgaris, een klein octopusachtig wezen bestudeerd door het laboratorium van Robinson. Door hydra te beperken met de microfluïdische apparaten van het laboratorium, ze waren in staat om fluorescerende signalen te zien die verband hielden met weeën in de wezens die werden veroorzaakt door contact met de chips. Het team voert momenteel in vivo tests van het apparaat uit op verschillende modellen.

In de huidige generatie chips energie en informatie stromen maar op één manier, maar Yang zei dat het team werkt aan tweerichtingscommunicatiestrategieën om het verzamelen van gegevens van implantaten te vergemakkelijken en meer toepassingen mogelijk te maken.