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(dǎo)線,而這些導(dǎo)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(dān)。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(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、朱本鵬團隊聯(lián)合西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)院李飛教授、同濟醫(yī)學(xué)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(dāng)Sm-PUEH被植入大鼠頭部后,電生理與行為學(xué)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(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(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(dǎo)和幫助。
論文鏈接:
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abk0159
審核編輯 :李倩
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原文標題: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
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