面向深部腦刺激和鎮(zhèn)疼應(yīng)用的壓電超聲能量收集器件

隨著生物微電子技術(shù)的快速發(fā)展，植入式生物醫(yī)學(xué)器件已引起人們廣泛關(guān)注，這些器件在改善患者生活質(zhì)量或延長(zhǎng)患者壽命方面顯示出許多優(yōu)勢(shì)。深部腦刺激（DBS）作為一種強(qiáng)有力的工具，已被臨床用于治療帕金森病、原發(fā)性震顫、肌張力障礙、疼痛和其他疾病，但其電源供應(yīng)仍然是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的外部電源方案需要設(shè)置經(jīng)皮導(dǎo)線，而這些導(dǎo)線在長(zhǎng)期使用中容易引發(fā)感染。將電池與植入式器件集成是另一種選擇，但其能量容量有限，需定期進(jìn)行電池更換，給患者帶來(lái)術(shù)后疼痛和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。相比于電磁耦合無(wú)線能量收集技術(shù)，新興的超聲驅(qū)動(dòng)的無(wú)線能量收集技術(shù)具有潛在的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槌暡ㄔ谏锝M織中具有更長(zhǎng)的穿透距離和更高的空間分辨率。然而，傳統(tǒng)的壓電超聲器件具有較低的能量輸出密度，在植入式生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中存在困難與挑戰(zhàn)。

4月15日，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院楊曉非、朱本鵬團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)院李飛教授、同濟(jì)醫(yī)學(xué)院梁華庚副教授和美國(guó)德克薩斯阿靈頓分校的Yuan Bo Peng教授在Science Advances上發(fā)表題為“Piezoelectric ultrasound energy–harvesting device for deep brain stimulation and analgesia applications”（面向深部腦刺激和鎮(zhèn)疼應(yīng)用的壓電超聲能量收集器件）的論文。

該論文利用高性能Sm摻雜PMN-PT壓電單晶，設(shè)計(jì)并制備出6×6陣元、柔性植入式壓電超聲能量收集器件（Sm-PUEH）；該器件在1MHz超聲驅(qū)動(dòng)下，可產(chǎn)生高達(dá)1.1 W/cm2的瞬時(shí)輸出功率和4270±40 nW的平均充電功率，遠(yuǎn)高于之前的記錄值（60 mW/cm2，160 nW）；當(dāng)Sm-PUEH被植入大鼠頭部后，電生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該器件可實(shí)現(xiàn)超聲驅(qū)動(dòng)的深腦電刺激，成功調(diào)節(jié)PAG腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)，并獲得很好疼痛抑制效果。該研究為深腦刺激和疼痛抑制技術(shù)提供了新策略，并為生物醫(yī)學(xué)植入式器件能源供給提供了新思路。

圖1 （A）Sm-PUEH器件的潛在應(yīng)用；（B）Sm-PUEH器件的構(gòu)成；（C）制備后的Sm-PUEH器件；（D）器件的突出電學(xué)性能；（E）器件體內(nèi)植入；（F）超聲驅(qū)動(dòng)的Sm-PUEH器件實(shí)現(xiàn)深部腦刺激并達(dá)到疼痛抑制作用

圖2 完全植入Sm-PUEH器件的大鼠行為實(shí)驗(yàn)

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院博士生張?zhí)液腿A中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院梁華庚副教授為論文共同第一作者，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院朱本鵬教授和西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)院李飛教授為論文共同通訊作者。該研究還得到了華中科技大學(xué)楊曉非教授、歐陽(yáng)君副教授和美國(guó)德克薩斯阿靈頓分校的Yuan Bo Peng教授、Zhen Wang博士生等合作者的指導(dǎo)和幫助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abk0159

審核編輯 ：李倩