華科/西安交大Science Advances：用于深部腦區刺激和鎮痛的壓電超聲能量收集裝置

導讀

隨著生物微電子技術的快速發展，植入式生物醫學器件已引起人們廣泛關注，這些器件在改善患者生活質量或延長患者壽命方面顯示出許多優勢。深部腦刺激（DBS）作為一種強有力的工具，已被臨床用于治療帕金森病、原發性震顫、肌張力障礙、疼痛和其他疾病，但其電源供應仍然是一個主要挑戰。傳統的外部電源方案需要設置經皮導線，而這些導線在長期使用中容易引發感染。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，需定期進行電池更換，給患者帶來術后疼痛和經濟負擔。相比于電磁耦合無線能量收集技術，新興的超聲驅動的無線能量收集技術具有潛在的優勢，因為超聲波在生物組織中具有更長的穿透距離和更高的空間分辨率。然而，傳統的壓電超聲器件具有較低的能量輸出密度，在植入式生物醫學應用中存在困難與挑戰。

成果掠影

近日，西安交通大學李飛和華中科技大學朱本鵬（共同作者），聯合在Science Advances上發表文章，題為“Piezoelectric ultrasound energy–harvesting device for deep brain stimulation and analgesia applications”。作者利用高性能Sm摻雜PMN-PT壓電單晶，設計并制備出6×6陣元、柔性植入式壓電超聲能量收集器件（Sm摻雜piezoelectric US energy–harvesting, Sm-PUEH）；該器件在1 MHz超聲驅動下，可產生高達1.1 W/cm²的瞬時輸出功率和4270±40 nW的平均充電功率，遠高于之前的記錄值（60 mW/cm²，160 nW）；當Sm-PUEH被植入大鼠頭部后，電生理與行為學實驗結果表明，該器件可實現超聲驅動的深腦電刺激，成功調節PAG腦區神經活動，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提供了新策略，并為生物醫學植入式器件能源供給提供了新思路。

核心創新點：

1.?柔性植入式壓電超聲能量收集器件在1 MHz超聲驅動下，可產生高達1.1 W/cm²的瞬時輸出功率和4270±40 nW的平均充電功率，遠高于之前的記錄值（60 mW/cm²，160 nW）

2.?當Sm-PUEH被植入大鼠頭部后，電生理與行為學實驗結果表明，該器件可實現超聲驅動的深腦電刺激，成功調節PAG腦區神經活動，并獲得很好疼痛抑制效果

數據概覽

圖1. 柔性Sm-PUEH器件原理圖及設計? 2022 The Authors

a. Sm-PUEH器件原理圖

b. 穿透大腦后的超聲衰減

c. Sm-PUEH器件圖

d. 可伸縮器件的電子連接

e. 處于彎曲狀態的柔性器件

f. 彎曲角度大于30°的柔性器件側視圖

g.手指上的器件光學圖像

圖2. Sm-PUEH器件的電學輸出特性? 2022 The Authors

a. Sm-PUEH器件電輸出測試系統原理圖

b. 在測試中的Sm-PUEH裝置

c. Sm-PUEH器件輸出的電壓信號

d. Sm-PUEH器件輸出的電壓信號

e. Sm-PUEH器件的輸出電壓、電流和功率

f. 各種電容的充電曲線

g. 平均充電功率比較

圖3. Sm-PUEH器件在組織中的輸出特性? 2022 The Authors

a. 該器件在豬肉組織中的實驗測試示意圖

b. 該器件在豬肉中的輸出電壓

c. 應用超聲策略的示意圖

d. 該器件在空氣和組織中的溫度變化

e. 三組溫度變化的比較

f. Sm-PUEH器件電解實驗示意圖

g. Sm-PUEH器件的最大刺激持續時間

圖4：Sm-PUEH器件激活PAG ? 2022 The Authors

a. 體內實驗設計示意圖

b. 腦組織中的電壓和電流測量

c. 在體內記錄局部場電位信號

d. 在體內記錄PAG活性

圖5. Sm-PUEH器件PAG刺激對脊髓背角LFP活性的抑制作用?2022 The Authors

a. 實驗設計原理圖

b. 刺激策略示意圖

c. LFP活性的典型施例

d. 熱圖比較

e. 功率譜變化的比較

圖6. Sm-PUEH器件全植入大鼠行為學實驗?2022 The Authors

a. 整個實驗過程的時間線

b. 器件植入

c. 植入后第一天

d. 植入后第十天

e. Sm-PUEH器件鎮痛行為學實驗示意圖

f. 大鼠對福爾馬林的三種主要行為反應:(I)向下爪，(II)向上爪，(III)舔爪，表現出從沒有疼痛到最嚴重疼痛的不同疼痛程度

g. 刺激組(n = 6)與對照組(n = 6)福爾馬林致痛加權評分比較。

h. 福爾馬林試驗第30 ~ 35分鐘內抬起爪子(左)和舔爪子(右)的總時間(秒)

成果啟示

作者利用高性能Sm摻雜PMN-PT壓電單晶，設計并制備出6×6陣元、柔性植入式壓電超聲能量收集器件（Sm摻雜piezoelectric US energy–harvesting, Sm-PUEH）；該器件在1 MHz超聲驅動下，可產生高達1.1 W/cm²的瞬時輸出功率和4270±40 nW的平均充電功率，遠高于之前的記錄值（60 mW/cm²，160 nW）；在體內，該裝置在1 MHz 超聲下可產生高達280 μW的瞬時有效輸出功率，創下了PUEH器件的記錄。大鼠的電生理調查和行為實驗的觀察表明，該器件確實有能力實現DBS，并立即激活PAG腦區用于鎮痛應用。這些出色結果表明對于體內植入生物醫學設備，超聲-無線能量收集技術是一種新的方法。本研究為未來可植入器件的發展提供了新的思路。

文獻鏈接：Piezoelectric ultrasound energy–harvesting device for deep brain stimulation and analgesia applications. 2022, Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abk0159.

本文由納米小白供稿

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.