Abstract Implanted bioelectronic devices have the potential to treat disorders that are resistant to traditional pharmacological therapies; however, reaching many therapeutic nerve targets requires invasive surgeries and implantation of centimeter-sized devices. Here we show that it is possible to stimulate peripheral nerves from within blood vessels using a millimeter-sized wireless implant. By directing the stimulating leads through the blood vessels we can target specific nerves that are difficult to reach with traditional surgeries. Furthermore, we demonstrate this endovascular nerve stimulation (EVNS) with a millimeter sized wireless stimulator that can be delivered minimally invasively through a percutaneous catheter which would significantly lower the barrier to entry for neuromodulatory treatment approaches because of the reduced risk. This miniaturization is achieved by using magnetoelectric materials to efficiently deliver data and power through tissue to a digitally-programmable 0.8 mm 2 CMOS system-on-a-chip. As a proof-of-principle we show wireless stimulation of peripheral nerve targets both directly and from within the blood vessels in rodent and porcine models. The wireless EVNS concept described here provides a path toward minimally invasive bioelectronics where mm-sized implants combined with endovascular stimulation enable access to a number of nerve targets without open surgery or implantation of battery-powered pulse generators.

Minimally invasive neural interfaces can be used to diagnose, manage, and treat many disorders with substantially reduced risks of surgical complications. Endovascular neural interfaces implanted in the veins or arteries is one approach, but it requires prescriptions of anti-thrombotic medication and are likely not explantable after endothelialization. More critically, the approach is limited by the small size and location of blood vessels, such that many important cortical, subcortical, spinal targets cannot be reached. Here, we demonstrate a chronic endocisternal neural interface that approaches brain and spinal cord targets through inner and outer cerebral spinal fluid (CSF) spaces. These spaces surround the nervous system and lack the tortuosity of the circulatory system, giving us access to the entire brain convexity, deep brain structures within the ventricles, and the spinal cord from the spinal subarachnoid space. Combined with miniature magnetoelectric-powered bioelectronics, the entire wireless system is deployable through a percutaneous procedure. The flexible catheter electrodes can be freely navigated throughout the body from the spinal to cranial subarachnoid space, and from the cranial subarachnoid space to the ventricles. We show in a large animal model that we can also reposition the recording and stimulation electrodes or explant the neural interface after chronic implantation. This enables applications in therapies that require transient or permanent brain/machine interface such as stroke rehabilitation and epilepsy monitoring and opens a new class of minimally invasive endocisternal bioelectronics.

Abstract Magnetoelectric materials convert magnetic fields to electric fields and have applications in wireless data and power transmission, electronics, sensing, data storage, and biomedical technology. For example, magnetoelectrics could enable precisely timed remote stimulation of neural tissue, but the resonance frequencies where magnetoelectric effects are maximized are typically too high to stimulate neural activity. To overcome this challenge, we created the first self-rectifying magnetoelectric “metamaterial.” This metamaterial relies on nonlinear charge transport across semiconductor layers that allow the material to generate a steady bias voltage in the presence of an alternating magnetic field. This “self-rectification” allows us to generate arbitrary electrical pulse sequences that have a time-averaged voltage in excess of 1 V. As a result, we can use magnetoelectric nonlinear metamaterials (MNMs) to remotely stimulate peripheral nerves with repeatable latencies of less than 5 ms, which is more than 120 times faster than previous neural stimulation approaches based on magnetic materials. These short latencies enable this metamaterial to be used in applications where fast neural signal transduction is necessary such as in sensory or motor neuroprosthetics. As a proof of principle, we show wireless stimulation to restore a sensory reflex in an anesthetized rat model as well as using the MNM to restore signal propagation in a severed nerve. The rational design of nonlinearities in the magnetic-to-electric transduction pathway as described here opens the door to many potential designs of MNMs tailored to applications spanning electronics, biotechnology, and sensing.

A fundamental challenge for bioelectronics is to deliver power to miniature devices inside the body. Wires are common failure points and limit device placement. On the other hand, wireless power by electromagnetic or ultrasound waves must overcome absorption by the body and impedance mismatches between air, bone, and tissue. In contrast, magnetic fields suffer little absorption by the body or differences in impedance at interfaces between air, bone, and tissue. These advantages have led to magnetically-powered stimulators based on induction or magnetothermal effects. However, fundamental limitations in these power transfer technologies have prevented miniature magnetically-powered stimulators from applications in many therapies and disease models because they do not operate in clinical “high-frequency” ranges above 50 Hz. Here we show that magnetoelectric materials – applied in bioelectronic devices – enable miniature magnetically-powered neural stimulators that can operate up to clinically-relevant high-frequencies. As an example, we show that ME neural stimulators can effectively treat the symptoms of a hemi-Parkinson’s disease model in freely behaving rodents. We further demonstrate that ME-powered devices can be miniaturized to mm-sized devices, fully implanted, and wirelessly powered in freely behaving rodents. These results suggest that ME materials are an excellent candidate for wireless power delivery that will enable miniature bioelectronics for both clinical and research applications.