The fast-growing field of bioelectronic medicine aims to develop engineered systems that can relieve clinical conditions by stimulating the peripheral nervous system1–5. This type of technology relies largely on electrical stimulation to provide neuromodulation of organ function or pain. One example is sacral nerve stimulation to treat overactive bladder, urinary incontinence and interstitial cystitis (also known as bladder pain syndrome)4,6,7. Conventional, continuous stimulation protocols, however, can cause discomfort and pain, particularly when treating symptoms that can be intermittent (for example, sudden urinary urgency)8. Direct physical coupling of electrodes to the nerve can lead to injury and inflammation9–11. Furthermore, typical therapeutic stimulators target large nerve bundles that innervate multiple structures, resulting in a lack of organ specificity. Here we introduce a miniaturized bio-optoelectronic implant that avoids these limitations by using (1) an optical stimulation interface that exploits microscale inorganic light-emitting diodes to activate opsins; (2) a soft, high-precision biophysical sensor system that allows continuous measurements of organ function; and (3) a control module and data analytics approach that enables coordinated, closed-loop operation of the system to eliminate pathological behaviours as they occur in real-time. In the example reported here, a soft strain gauge yields real-time information on bladder function in a rat model. Data algorithms identify pathological behaviour, and automated, closed-loop optogenetic neuromodulation of bladder sensory afferents normalizes bladder function. This all-optical scheme for neuromodulation offers chronic stability and the potential to stimulate specific cell types. A closed-loop implantable bioelectronic device that can modulate peripheral neuronal activity is used to improve bladder function in a rat model of cystitis.

Standard clinical care in neonatal and pediatric intensive-care units (NICUs and PICUs, respectively) involves continuous monitoring of vital signs with hard-wired devices that adhere to the skin and, in certain instances, can involve catheter-based pressure sensors inserted into the arteries. These systems entail risks of causing iatrogenic skin injuries, complicating clinical care and impeding skin-to-skin contact between parent and child. Here we present a wireless, non-invasive technology that not only offers measurement equivalency to existing clinical standards for heart rate, respiration rate, temperature and blood oxygenation, but also provides a range of important additional features, as supported by data from pilot clinical studies in both the NICU and PICU. These new modalities include tracking movements and body orientation, quantifying the physiological benefits of skin-to-skin care, capturing acoustic signatures of cardiac activity, recording vocal biomarkers associated with tonality and temporal characteristics of crying and monitoring a reliable surrogate for systolic blood pressure. These platforms have the potential to substantially enhance the quality of neonatal and pediatric critical care. Soft electronic patches worn on the skin of infants or children in intensive-care units have a wide range of capabilities in aiding critical care, including monitoring of hemodynamic parameters, cardiac activity, movement and crying.