隨著生物微電子技術(shù)的快速發(fā)展，植入式生物醫(yī)學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)量或延長患者壽命方面顯示出許多優(yōu)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(fā)性震顫、肌張力障礙、疼痛和其他疾病，但其電源供應(yīng)仍然是一個主要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的外部電源方案需要設(shè)置經(jīng)皮導線，而這些導線在長期使用中容易引發(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，需定期進行電池更換，給患者帶來術(shù)后疼痛和經(jīng)濟負擔。相比于電磁耦合無線能量收集技術(shù)，新興的超聲驅(qū)動的無線能量收集技術(shù)具有潛在的優(yōu)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(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)學應(yīng)用中存在困難與挑戰(zhàn)。

4月15日，華中科技大學光學與電子信息學院楊曉非、朱本鵬團隊聯(lián)合西安交通大學電子與信息學院李飛教授、同濟醫(yī)學院梁華庚副教授和美國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)動下，可產(chǎn)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(jié)果表明，該器件可實現(xiàn)超聲驅(qū)動的深腦電刺激，成功調(diào)節(jié)PAG腦區(qū)神經(jīng)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(shù)提供了新策略，并為生物醫(yī)學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）器件的突出電學性能；（E）器件體內(nèi)植入；（F）超聲驅(qū)動的Sm-PUEH器件實現(xiàn)深部腦刺激并達到疼痛抑制作用

圖2 完全植入Sm-PUEH器件的大鼠行為實驗

華中科技大學光學與電子信息學院博士生張?zhí)液腿A中科技大學同濟醫(yī)學院梁華庚副教授為論文共同第一作者，華中科技大學光學與電子信息學院朱本鵬教授和西安交通大學電子與信息學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楊曉非教授、歐陽君副教授和美國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和幫助。

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩