我们的身体是许多不同微生物的宿主，如细菌、病毒、真菌和外来细胞。随着最近微机电系统 (MEMS)，特别是微电子学的发展，对微生物的研究已经突飞猛进。但是，微生物不是坏的吗？
从技术角度来说，它们是外来物，数量超过了我们的细胞，但大多数是完全无害的，事实上，有些对正常的身体功能至关重要。随着饮食、药物摄入、压力和其他环境因素的变化，我们的微生物群每天都在变化，但让我们从微生物群分析的开端入手，了解电子学如何“刺激”生理学研究并超越我们对人体解剖的理解。
植入式电子产品简史
植入式电子产品已有 60 多年的历史，第一次应用可以追溯到晶体管发明和调频 (FM) 无线电信号建立后的短短几年。1959 年，Mackay Noller 等人开发并测试了无线电发射器，这些发射器可从人体内部（主要是胃肠道）传递生理信息。此后不久，其他研究人员又加入了生物遥测装置，在不干扰生理参数的前提下，优化传感技术和数据传输，对人体各种体腔内的生物群落信息进行测量和报告。20 世纪 60 年代第一代主要的植入式（和可吞咽式）生物遥测装置报告了心血管（心电图 [ECG]、血压和血流）、呼吸（氧气和体温）、神经生理（神经活动）和胃肠（压力、pH 值和体温）参数。图 1 显示了 20 世纪 60 年代的几个遥测电路。
图 1：20 世纪 60 年代的植入式遥测系统示例：a) Mackay-Blocking 振荡器和 b) Ko-Tunnel 二极管遥测装置（图片来源于 Wen H. Ko 的文章“Early History and Challenges of Implantable Electronics”）
到 20 世纪 70 年代末，生物遥测技术以火箭般的速度发展，具有更先进、更长期的应用，包括心脏起搏器、神经刺激器、胰岛素分配器，甚至是运动医学应用，如颅内压 (ICP) 监测。图 2 显示了一个无需电池的系统，其辐射频率与周围颅压成正比，用于头部创伤分析。
图 2：用于头部创伤分析的颅内压遥测系统（图片来源于 T. B. Fryer 撰写的白皮书《The Advantages of Short Range Telemetry though intact skin for Physiological Measurements in both Animals and Man》）。
当今世界的人类微生物组分析的特点是采用高度精密的电子设备和技术，因此让我们来探讨一些最近的发展和应用。
MEMS 技术及其在微生物组中的应用
器官芯片是一种相对较新的技术，将微流体、生物医学微机电系统（即 bioMEMS）与生物材料相结合，在实验室工作台上模拟和仿真多层次的器官系统。这有助于开展真正的体外研究，如药物测试或疾病研究，同时还可以开发有用的植入式功能辅助设备。脑、肝、心、肾、肺、肠等功能都已在芯片平台上成功实现，并集成了各种类型的电子器件。
许多器官芯片器件都集成了微传感器（或 MEMS 传感器），有助于将 pH 值、体温、压力/力、加速度、湿度、声音/振动、磁场和其他生物或化学参数转换为电信号。这些微传感器几乎总是包括一个机械元件（如膜片或悬臂梁），与其他微电子元件集成为一个非常小的外形尺寸，但通常需要某种信号处理和校准或补偿来与之接口。电容式传感器是 MEMS 器件中最常用的传感技术之一，通常范围非常小。许多方法都可以将可变电容转换成可测量的信号，如振荡器或电桥。这些模拟接口的一些示例见图 3。
图 3：测量电容变化的方法：(A) 电桥，(B) 和 (C) 电流-电压测量 — 单/差分，(D) 频率测量，(E) 时间测量（图片来自 Paul Regtien 和 Edwin Dertien 所著的《Sensors for Mechatronics》（第二版）一书）
许多数字 MEMS 传感器在器件内部集成这些接口，并提供一个更简单的接口，如 TTL 级模拟输出或 I2C、SPI 等串行总线。无论是用于植入式设备、器官芯片，还是其他非医疗行业，随着我们在微观尺度上制造和微加工机电能力的提高，MEMS 技术和研究继续蓬勃发展。许多 MEMS 器件，如流量、温度、湿度、运动传感器等都可以在 Arrow Electronics 找到。
与植入电子器件和设计生物机电相关的挑战
将电子器件植入人体或与人体连接有许多困难，包括在保护电路免受恶劣和潮湿环境影响的同时最小化尺寸、重量和功耗。最重要的是，器件必须安全可靠。
让我们从尺寸开始。如何在不牺牲性能的情况下，尽可能减小尺寸？如果设计流程让机械和电气工程师能够非常紧密地合作，优化封装和机械布局，这对减小尺寸很有帮助，且如今的 CAD 系统相比历史的设计方法有了飞跃性的进步，在任何硬件生产之前就可以实现完全的可视化。
但可靠性也是一个大问题。许多植入式和 bioMEMS 电子器件都是通过一种名为“灌封”的工艺进行密封的，这种工艺在元件和外壳之间形成了一层坚硬的胶状屏障。根据医疗设备的分类等级（植入式设备一般为第三类，即最高风险等级），某些 IEC 标准要求对其进行严格的安全协议测试，并要求具有备份功能和冗余。
最后，电源优化（尤其是植入式器件）一直是工程师们的持久战。我们希望能够利用钢铁侠的方舟反应堆核心电源，但相反，我们使用的是小型电池、超级电容器、能量收集技术和高度优化的低功耗组件。体内能量收集 (IVEH) 是近期的一个探索领域，它利用压电和摩擦起电效应、蜗内电位、生物燃料电池和光照来为电池或电容器提供涓流充电的方式。2014 年，来自韩国的研究团队开发了一种完全由柔性压电材料（称为“纳米发电机”）供电的心脏起搏器。起搏器的供电路径图见图 4。
图 4：使用柔性压电材料供电的人工心脏起搏器（图片来源于韩国科学技术院的 Geon-Tae Hwang 和团队撰写的白皮书《Self-powered cardiac pacemaker enabled by flexible single crystalline PMN-PT piezoelectric energy harvester》）。
植入式产品、微生物体芯片和 bioMEMS 产品示例
我们已经讨论了微传感器/微电子学的发展，并了解了它们在人类微生物组和模拟器官中的使用情况，现在让我们看看它们的实际应用。
法国 Biomillenia 公司在 QIAGEN 的微生物生物信息学平台的基础上，开发了一个基于液滴的微流体芯片平台，能够以前所未有的水平培养和分析微生物和细菌物种。他们的平台可以在三天内筛选出多达 1 亿个微生物，而传统的方法则需要长达三年的时间，同时需要更大的分析量。
在塔夫茨大学，Fiorenzo Omenetto 研究了如何使用带有 LED 阵列的蚕丝作为可溶解、可植入的设备，以指示血液中生物标志物（如胰岛素）的浓度。这一想法是让蚕丝将 LED/晶体管阵列固定在原地，然后使用抗体或酶来检测生物标志物或疾病标志物，然后最终溶解并留下硅电子器件，而不需要手术移除。
雅培公司的 CardioMEMS 高频系统（见图 5）是一种利用 MEMS 技术的植入式设备，可主动监测血压，并无线传输到基站，供患者读取，从而在症状出现之前就可以减少心衰和指征。它还为远程医疗以及根据设备的测量结果对患者治疗方案进行个性化定制提供了选择。
图 5：雅培公司的 CardioMEMS 设备可主动监测和传输血压数据（图片来源：雅培）。
Biolinq 已实现一种微阵列设备（见图 6），可评估血糖水平和趋势，并利用一个五分镍币大小的贴片告知您饮食和运动对血糖的独特影响。该贴片包含一个传感器阵列、电池和一块可将信息无线传输到应用程序的电路板。
图 6：Biolinq 的微阵列血糖监测仪（图片来源：Biolinq）
Innovative Sensor Technology (iST) 开发的生物传感器，可使用各种电极检测低至 20 pA（即两千万分之一安培）的电流，测量葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺和谷氨酸的浓度。
Sensera 是一家专门从事物联网传感器解决方案和精密加工的公司，利用其获得专利的微传感和微流体技术，开发出具有商业价值的芯片实验室和器官芯片诊断技术。图 7 所示为用于器官芯片应用的微传感器示例。许多 Sensera MEMS 和物联网产品都可在 Arrow Electronics 获得。
图 7：Sensera 的微传感器用于器官芯片的应用（图片来源：Sensera）
十年后的医学科学会是什么样子？我们生活在科幻成为现实的时代，想到 bioMEMS 和微生物组芯片应用将继续发展，并推动我们测量和分析人体解剖的界限，就令人激动人心。