Science论文：人体组织变“通信网络”？SWANS 离子信号让毫米级植入物跨 30+ cm 组织双向互联，微瓦功耗续航一年

智能生物电子治疗设备，如胰岛素泵、起搏器、神经刺激器、电子药丸、药物递送植入物和假肢，通过闭环反馈控制连接传感器和执行器，改善患者预后。系统可以通过在全身分布额外的协调、小型化节点，同步监测和治疗多个相互连接的生理部位，从而实现更强大的功能。然而，当前无线通信方法需要笨重组件，限制了设备使用场景和患者接受度，组织内性能差，并限制协调独立节点的数量。

设备间通信通常依赖能量密集的基于射频 (RF) 的无线方法。商用 Bluetooth Low Energy (BLE) 组件要求最小设备宽度为 5 mm，并将电池寿命降低多达 90%。大电池和电子组件需要可穿戴框架或侵入性手术植入，而直径减小到 <3 mm 的设备可以在门诊诊所插入。近场通信 (NFC) 和电感耦合需要精确放置的表皮或外部发射器。这些限制了患者依从性，要求与目标设备厘米级对齐，并受特定吸收率限制。对于实施更具实验性、节省空间通信方法的设备，如磁电子学、光电子学 和超声，也需要外部发射器。因此，这些系统不适合深部靶点、容忍错位的操作或多部位控制。

在一项新的研究中，研究团队介绍了SWANS，即 Smart Wireless Autonomous Networking System。SWANS 利用身体组织的导电性质，通过 30+ cm 的组织以离子方式传输通信信号，与 RF 方法相比，将组织通信覆盖范围提高 >10×。SWANS 电路可以完全由微米级无源电子组件制成。这使设备在监听状态下实现微瓦级功耗，从而实现长达一年的设备寿命。它还允许毫米级设备尺寸，使整个系统能够通过注射器注入。

为了通信，SWANS 设备向组织发射低频特征电压脉冲，在全身产生瞬态电场。梯度由与组织接触的其他设备接收，当达到其栅极阈值电压时，使无源晶体管开关短暂开启。每个设备拥有特定的晶体管电路，只响应其对应的电压和脉冲长度，从而实现多路复用。通过离子信号，SWANS 实现可穿戴设备与植入物之间以及植入物之间的跨体双向通信。

体内离子通信已经在 FDA（美国食品药品监督管理局）批准的设备中临床实施。一个例子是 Abilify MyCite，它使用离子传导将依从性数据从口服片剂传输到可穿戴贴片。此前的临床前研究已使用离子传导跨组织传输数据，但这些系统通常连接两个设备，并依赖兆赫兹到吉赫兹信号以及相对较大且功耗密集的电子设备。

为了展示 SWANS 多路复用跨体网络的优势，他们通过离体猪、鸡和啮齿动物模型中的几种组织类型来表征他们的系统。此外，在啮齿动物体内，他们工程化了一个由 SWANS 支持的网络，包括可穿戴前爪传感器和可植入后肢神经接口，以调节双后腿运动控制。

SWANS 建立了一个框架，其中分散的可穿戴和可植入治疗设备通过离子组织传导在全身通信。SWANS 使用现成组件，可以实施到任何生物电子设备中。与其他无线方法相比，SWANS 需要更少功率，在更大的工作区域运行，无需外部天线，减少设备对齐约束，并且足够小，能够实现微创注射器可植入生物电子设备。SWANS 通过加入电压接收电路来实现多路复用和逻辑门控驱动，这些电路通过在设备接收焊盘上添加电阻器、比较器和电容器来响应特定电压和脉冲长度。这些组件也可以替换为传感器，使节点在不同生理条件下做出不同响应。

他们的 2 个月安全性研究表明，在测试条件下，SWANS 脉冲不会引起可检测的组织损伤。需要进一步研究，以确定重复低电压离子信号和微针放置如何在更长时间尺度和跨疾病状态影响细胞行为、组织重塑和电生理反应。此外，未来实验需要确定大型动物和人类中以及通过异质组织层的通信性能。

SWANS 特别适合需要不频繁触发和低数据传输的应用。植入物保持近零待机功耗，以带宽换取小型化和寿命，使 SWANS 成为现有通信架构的互补选择。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Ramy Ghanim et al, An in-body networking system for communication between wearable and implantable therapeutics, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adz5300.