面向深部脑刺激和镇疼应用的压电超声能量收集器件

随着生物微电子技术的快速发展，植入式生物医学器件已引起人们广泛关注，这些器件在改善患者生活质量或延长患者寿命方面显示出许多优势。深部脑刺激（DBS）作为一种强有力的工具，已被临床用于治疗帕金森病、原发性震颤、肌张力障碍、疼痛和其他疾病，但其电源供应仍然是一个主要挑战。传统的外部电源方案需要设置经皮导线，而这些导线在长期使用中容易引发感染。将电池与植入式器件集成是另一种选择，但其能量容量有限，需定期进行电池更换，给患者带来术后疼痛和经济负担。相比于电磁耦合无线能量收集技术，新兴的超声驱动的无线能量收集技术具有潜在的优势，因为超声波在生物组织中具有更长的穿透距离和更高的空间分辨率。然而，传统的压电超声器件具有较低的能量输出密度，在植入式生物医学应用中存在困难与挑战。

4月15日，华中科技大学光学与电子信息学院杨晓非、朱本鹏团队联合西安交通大学电子与信息学院李飞教授、同济医学院梁华庚副教授和美国德克萨斯阿灵顿分校的Yuan Bo Peng教授在Science Advances上发表题为“Piezoelectric ultrasound energy–harvesting device for deep brain stimulation and analgesia applications”（面向深部脑刺激和镇疼应用的压电超声能量收集器件）的论文。

该论文利用高性能Sm掺杂PMN-PT压电单晶，设计并制备出6×6阵元、柔性植入式压电超声能量收集器件（Sm-PUEH）；该器件在1MHz超声驱动下，可产生高达1.1 W/cm²的瞬时输出功率和4270±40 nW的平均充电功率，远高于之前的记录值（60 mW/cm²，160 nW）；当Sm-PUEH被植入大鼠头部后，电生理与行为学实验结果表明，该器件可实现超声驱动的深脑电刺激，成功调节PAG脑区神经活动，并获得很好疼痛抑制效果。该研究为深脑刺激和疼痛抑制技术提供了新策略，并为生物医学植入式器件能源供给提供了新思路。

图1 （A）Sm-PUEH器件的潜在应用；（B）Sm-PUEH器件的构成；（C）制备后的Sm-PUEH器件；（D）器件的突出电学性能；（E）器件体内植入；（F）超声驱动的Sm-PUEH器件实现深部脑刺激并达到疼痛抑制作用

图2 完全植入Sm-PUEH器件的大鼠行为实验

华中科技大学光学与电子信息学院博士生张桃和华中科技大学同济医学院梁华庚副教授为论文共同第一作者，华中科技大学光学与电子信息学院朱本鹏教授和西安交通大学电子与信息学院李飞教授为论文共同通讯作者。该研究还得到了华中科技大学杨晓非教授、欧阳君副教授和美国德克萨斯阿灵顿分校的Yuan Bo Peng教授、Zhen Wang博士生等合作者的指导和帮助。

论文链接：

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

审核编辑 ：李倩