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医工学人评论
一种可通过无线方式充电的可穿戴设备，为微型骨骼传感器提供持久动力，为实时骨折监测和真正意义上的慢性生物接口铺平了道路。
现在，来自亚利桑那大学的研究人员开发出的一套精密系统，向着解决这一挑战迈出了重要一步。这项发表于《科学进展》(Science Advances) 的研究，直面能源难题，实现了微型无电池植入物的连续运行。这些植入物可以直接“生活”在骨骼表面。
图1 持续运行的可穿戴设备，用于为支持 WBF NFC 的植入式电子设备供电和通信。
“可穿戴枢纽+植入物”：创新的双重奏
这项创新的核心在于一个巧妙的两部分系统，它避免了在植入物内部安装电池的需求。第一个组成部分是一种柔性的可穿戴设备，被称为“生物共生枢纽”(Biosymbiotic Hub, BH)。想象一下，这就像一个嵌有电子元件的轻巧网状袖套，可以舒适地佩戴在四肢上。
这个枢纽扮演着关键的中间角色。它利用近场通信 (NFC) 技术——与非接触式支付所用的技术相同——为深层植入的传感器无线供电并与之交换数据。更重要的是，这个可穿戴枢纽本身也无需频繁插拔充电。它内置了特殊天线，可以从环境中（例如放置在书桌或床边的专用发射器）捕获远场射频能量。这使得枢纽内部用于缓冲电力和处理峰值负载的小电池能够自动进行无线充电，佩戴者无需任何操作。从植入物收集的数据，则通过低功耗蓝牙 (BLE) 由枢纽向外传输。整个系统（研究中的图1A 对此进行了概念展示）旨在实现最少的用户交互和长期不间断的佩戴。虽然无线能量传输 (WPT) 技术本身面临着效率和对准精度等挑战，但这种远场充电结合 NFC 的方式为系统提供了更灵活、鲁棒的能量解决方案。
系统的第二个组成部分是植入物本身：“骨表面电子器件”(Osseosurface Electronics)。这是一种薄而柔韧的器件，设计用于在标准外科手术（如骨折修复）中直接植入骨骼表面。它们包含传感器——在此研究中是高分辨率的应变计和温度传感器——但完全没有电池。其极小的尺寸和柔韧性最大限度地减少了组织刺激，并能贴合骨骼的曲面。特殊的涂层有助于它们随时间推移与骨骼直接整合（即骨整合），形成长期的稳定界面。
图2 连续运行、可穿戴无电池植入物接口设计
挑战环境下的系统测试
图3 慢性耐磨实验
研究团队对该系统进行了严格的测试。在人体试验中，可穿戴设备被证明足够舒适和坚固，可以连续佩戴两周，期间经历了日常活动、锻炼、睡眠甚至淋浴，全程通过环境无线充电维持运行（图3）。
图4 用于慢性骨骼健康表征的骨表面电子元件
真正的考验来自于大型动物（绵羊）的长期研究，绵羊是人类骨科研究的标准模型。研究人员将骨表面植入物放置在绵羊的股骨和胫骨上，并进行了长达11个月的监测（图5）。放射影像学和组织学分析证实了其优异的生物相容性和骨整合效果，柔性植入物与骨骼牢固结合，未引起不良反应或损害骨骼强度（图6A, 6B）。
图5 大型动物研究
最令人印象深刻的是，该系统在绵羊进行行走、晃动等自然活动时，成功地无线捕获了实时的、高保真的骨骼应变数据（图5F）。传感器能够以微应变（microstrain）级别的分辨率检测负载分布的细微变化，为在体(in vivo)骨骼动态提供了前所未有的细节信息。该系统甚至可以同时读取多个植入物的数据。
图6 大型动物模型中骨骼健康和骨折恢复的慢性监测
临床洞见：洞察骨折愈合的新窗口？
除了基础监测，研究人员还探索了一项极具吸引力的临床应用：追踪骨折恢复过程。在用标准髓内钉固定的绵羊股骨骨折模型中，骨表面植入物被放置在骨折部位附近。在 12 周的时间里，系统持续测量了行走过程中的骨骼应变。
数据显示出一种独特的模式：峰峰值应变最初很高，随着骨折间隙处骨痂的形成（在 X 射线片上可见，图6E）而降低，在第 10 周左右达到最小值，然后随着骨痂成熟和重塑再次开始增加（如图 6F 所示）。这个“应变最小值”作为一种潜在的定量生物标志物出现，指示了骨骼成功愈合的关键临床节点。这种直接、连续的定量评估方法，相比目前依赖于定期、主观判读 X 射线影像的传统方式，提供了显著的优势，并与新兴的“智能植入物” 发展趋势相契合。
迈向数字连接的身体
这项工作代表了植入式生物电子领域的一项重大进步。通过可无线充电的可穿戴中间设备解决了长期供电的难题，研究人员为实现无需电池限制的长期、高保真监测，展示了一条可行的路径。
虽然该研究以骨科监测为例，但其底层的技术框架——即通过无线充电的设备为无电池、NFC 功能的植入物供能——具有广泛的适用性。它可以被改造用于监测其他生理参数，甚至用于治疗应用，例如局部药物递送或神经刺激，从而构建真正的闭环系统。这有望实现长期的远程患者监测，为骨科等领域提供个性化治疗和康复所需的定量数据，并降低与电池更换相关的风险和成本。
未来的图景是清晰的：与我们的器官建立无缝、持久的数字接口，提供连续的数据流，以实现个性化医疗和主动健康管理。这种无电池方案，让我们向这个未来迈出了关键的一步。
END
编辑 | 罗虎
审核 | 医工学人理事会
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