华科/西安交大Science Advances：用于深部脑区刺激和镇痛的压电超声能量收集装置

导读

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。

成果掠影

近日，西安交通大学李飞和华中科技大学朱本鹏（共同作者），联合在Science Advances上发表文章，题为“Piezoelectric ultrasound energy–harvesting device for deep brain stimulation and analgesia applications”。作者利用高性能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掺杂piezoelectric US energy–harvesting, Sm-PUEH）；该器件在1 MHz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。

核心创新点：

1. 柔性植入式压电超声能量收集器件在1 MHz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）

2. 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

数据概览

图1. 柔性Sm-PUEH器件原理图及设计© 2022 The Authors

a. Sm-PUEH器件原理图

b. 穿透大脑后的超声衰减

c. Sm-PUEH器件图

d. 可伸缩器件的电子连接

e. 处于弯曲状态的柔性器件

f. 弯曲角度大于30°的柔性器件侧视图

g.手指上的器件光学图像

图2. Sm-PUEH器件的电学输出特性© 2022 The Authors

a. Sm-PUEH器件电输出测试系统原理图

b. 在测试中的Sm-PUEH装置

c. Sm-PUEH器件输出的电压信号

d. Sm-PUEH器件输出的电压信号

e. Sm-PUEH器件的输出电压、电流和功率

f. 各种电容的充电曲线

g. 平均充电功率比较

图3. Sm-PUEH器件在组织中的输出特性© 2022 The Authors

a. 该器件在猪肉组织中的实验测试示意图

b. 该器件在猪肉中的输出电压

c. 应用超声策略的示意图

d. 该器件在空气和组织中的温度变化

e. 三组温度变化的比较

f. Sm-PUEH器件电解实验示意图

g. Sm-PUEH器件的最大刺激持续时间

图4：Sm-PUEH器件激活PAG © 2022 The Authors

a. 体内实验设计示意图

b. 脑组织中的电压和电流测量

c. 在体内记录局部场电位信号

d. 在体内记录PAG活性

图5. Sm-PUEH器件PAG刺激对脊髓背角LFP活性的抑制作用©2022 The Authors

a. 实验设计原理图

b. 刺激策略示意图

c. LFP活性的典型施例

d. 热图比较

e. 功率谱变化的比较

图6. Sm-PUEH器件全植入大鼠行为学实验©2022 The Authors

a. 整个实验过程的时间线

b. 器件植入

c. 植入后第一天

d. 植入后第十天

e. Sm-PUEH器件镇痛行为学实验示意图

f. 大鼠对福尔马林的三种主要行为反应:(I)向下爪，(II)向上爪，(III)舔爪，表现出从没有疼痛到最严重疼痛的不同疼痛程度

g. 刺激组(n = 6)与对照组(n = 6)福尔马林致痛加权评分比较。

h. 福尔马林试验第30 ~ 35分钟内抬起爪子(左)和舔爪子(右)的总时间(秒)

成果启示

作者利用高性能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掺杂piezoelectric US energy–harvesting, Sm-PUEH）；该器件在1 MHz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）；在体内，该装置在1 MHz 超声下可产生高达280 μW的瞬时有效输出功率，创下了PUEH器件的记录。大鼠的电生理调查和行为实验的观察表明，该器件确实有能力实现DBS，并立即激活PAG脑区用于镇痛应用。这些出色结果表明对于体内植入生物医学设备，超声-无线能量收集技术是一种新的方法。本研究为未来可植入器件的发展提供了新的思路。

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

本文由纳米小白供稿

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