在全球范圍內(nèi)，帕金森病、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病以及精神類疾病的患病率日益增高，給社會和家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。盡管深度腦刺激（DBS）和經(jīng)顱磁刺激（TMS）等技術(shù)已在臨床應(yīng)用，但它們分別存在侵入性手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和空間分辨率低的局限性 。作為一種新興的無創(chuàng)技術(shù)，經(jīng)顱聚焦超聲（tFUS）因其高精度靶向能力而備受矚目，有望為眾多神經(jīng)疾病提供治療新途徑 。然而，傳統(tǒng)tFUS系統(tǒng)通常體積龐大，且依賴于會脫水、無法長久粘貼的超聲耦合凝膠，這極大地限制了其在可穿戴和長期治療場景中的應(yīng)用。

為攻克這一難題，來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科研團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)了一款微型化、可穿戴的超聲神經(jīng)調(diào)控設(shè)備——MiniUITra。該系統(tǒng)巧妙地將自聚焦超聲換能器與一種創(chuàng)新的長效生物粘附水凝膠相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了如創(chuàng)可貼般便捷的長期佩戴和精準(zhǔn)的皮層刺激。這項(xiàng)發(fā)表于《Nature Communications》的研究，為無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)走向長期、家庭化應(yīng)用鋪平了道路 。

 圖1：微型化生物粘附超聲換能器 (MiniUITra) 系統(tǒng)。 

圖1：微型化生物粘附超聲換能器 (MiniUITra) 系統(tǒng)。 a) MiniUITra可像貼片一樣長期附著于頭皮，靶向刺激大腦皮層，解決了傳統(tǒng)凝膠易脫水、黏附性差的問題。b) 其機(jī)制是通過聚焦超聲（FUS）抑制特定神經(jīng)活動，如圖中對感覺誘發(fā)電位（SEP）的P27-N20波的抑制。c-h) 展示了設(shè)備的層狀結(jié)構(gòu)、水凝膠的化學(xué)構(gòu)成、設(shè)備實(shí)物及佩戴在頭皮上的狀態(tài)。

技術(shù)革新：微型身材下的“硬核”雙雄

MiniUITra系統(tǒng)的卓越性能源于兩大核心技術(shù)的完美融合：自聚焦換能器（SFAT）與生物粘附水凝膠。

1. 自聚焦換能器 (SFAT)：無需光刻的微加工杰作

研究團(tuán)隊(duì)采用了一種創(chuàng)新的、無需標(biāo)準(zhǔn)光刻的簡化微加工工藝，制造出一種基于“氣腔菲涅爾透鏡”（ACFAL）的自聚焦換能器。這一設(shè)計(jì)使得設(shè)備在僅有標(biāo)準(zhǔn)腦電電極大小（直徑18mm）的尺寸下，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的聚焦能力。

高聲強(qiáng)與高精度：該換能器能產(chǎn)生高達(dá)30.7W?/cm2 (1.92 MPa) 的聲壓強(qiáng)度，并將聲波能量精準(zhǔn)聚焦于皮下10毫米的深度 。與普通換能器相比，其聲場分布更集中，散射更少（如圖2b所示）。

穿顱效率與安全性：即便在穿透8毫米厚的人類顱骨后，其聲強(qiáng)仍能滿足有效調(diào)控閾值，且效率優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道。至關(guān)重要的是，在實(shí)驗(yàn)所用的刺激模式下，連續(xù)刺激10分鐘引起的溫升低于 2circC，完全符合FDA的安全準(zhǔn)則，確保了人體應(yīng)用的安全性（如圖2g所示）。

 圖2：自聚焦聲學(xué)換能器 (SFAT) 的性能表征。 

圖2：自聚焦聲學(xué)換能器 (SFAT) 的性能表征。 a) 聲場測試示意圖。b) 與普通換能器（左）相比，SFAT-ACFAL（右）的聲場聚焦效果顯著提升。c,d）在有無顱骨情況下的徑向和軸向聲強(qiáng)分布，顯示其焦點(diǎn)深度為10mm，橫向分辨率為8mm。e）聲壓與驅(qū)動電壓呈線性關(guān)系。f）穿過顱骨后聲波波形發(fā)生衰減。g）在不同刺激參數(shù)下，設(shè)備的熱效應(yīng)均在FDA安全指南范圍內(nèi)。h）設(shè)備的電阻抗譜。

2. 生物粘附水凝膠：實(shí)現(xiàn)“長期待機(jī)”的秘密武器

為了實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的佩戴，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由AMPS（一種高吸水性離子聚合物）和甘油組成的特制水凝膠。

超長穩(wěn)定性：這是該系統(tǒng)的最大亮點(diǎn)。與幾小時內(nèi)就會變干的商用超聲凝膠相比，這款水凝膠在低濕度（25%RH）環(huán)境中存放7天后仍能保持近80%的重量，并且聲學(xué)性能在長達(dá)35天內(nèi)保持穩(wěn)定（如圖3d, f所示）。其穩(wěn)定性是現(xiàn)有頂尖研究（72小時）的巨大飛躍。

優(yōu)異的聲學(xué)匹配性：該水凝膠的聲阻抗（約2.17M?Rayl）與人體皮膚（約1.99M?Rayl）高度匹配，遠(yuǎn)優(yōu)于商用凝膠，這意味著更少的聲能反射和更高的傳輸效率（如圖3c所示）。

強(qiáng)大的可重復(fù)粘附力：通過優(yōu)化甘油含量和采用BZP光刻膠處理，水凝膠不僅能牢固地附著在皮膚上，還能與換能器的PDMS基底形成高達(dá)13倍于未處理狀態(tài)的結(jié)合力。在皮膚上的附著力在20次反復(fù)貼揭后依然保持穩(wěn)定（約0.961N?/cm），真正實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)使用的“貼片”式應(yīng)用（如圖3k所示）。

圖3. 生物粘附水凝膠的特性。a）其聲衰減與商用凝膠相當(dāng)。b,c）其聲阻抗穩(wěn)定且與皮膚更匹配。d,e）在不同溫濕度下，水凝膠的聲壓衰減在35天內(nèi)保持穩(wěn)定。f,g）與商用凝膠相比，該水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的保水和吸濕能力。i,j,k）水凝膠與設(shè)備基底和皮膚均有強(qiáng)大且可重復(fù)的粘附力。

性能驗(yàn)證：長達(dá)28天的持續(xù)腦活動調(diào)控

為了驗(yàn)證MiniUITra的真實(shí)功效，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)為期28天的縱向人體實(shí)驗(yàn) 。他們將設(shè)備貼在受試者頭皮的感覺皮層（S1區(qū)）對應(yīng)位置，通過功能性電刺激（FES）誘發(fā)感覺誘發(fā)電位（SEP），并觀察MiniUITra能否對其進(jìn)行抑制。SEP中的P27-N20復(fù)合波是反映感覺信息處理的關(guān)鍵生物標(biāo)志物。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮：

首日效果顯著：在實(shí)驗(yàn)第一天，與“假刺激”（Sham）組相比，使用MiniUITra進(jìn)行tFUS刺激能顯著抑制P27-N20復(fù)合波的幅度 。其效果與使用傳統(tǒng)商用凝膠時沒有顯著差異，證明了新型水凝膠優(yōu)異的聲耦合性能。

28天效果如一：最關(guān)鍵的是，在第7天和第28天的測試中，MiniUITra依然能夠穩(wěn)定、有效地抑制SEP，證明了其長期神經(jīng)調(diào)控的魯棒性和可行性（如圖4c, d所示）。如圖4b所示，28天后，特制水凝膠依然飽滿，而商用凝膠早已干涸。

圖4. MiniUITra長期抑制SEP的效果。a,b）實(shí)驗(yàn)流程及28天后水凝膠與商用凝膠的狀態(tài)對比。c）第1天和第28天的SEP波形圖，紅色實(shí)線（FUS刺激）的波幅明顯低于黑色虛線（假刺激）。d）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在第1、7、28天，F(xiàn)US均能顯著抑制P27-N20波幅，且效果穩(wěn)定。

行業(yè)現(xiàn)狀及前沿展望

當(dāng)前，無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域正從大型臨床設(shè)備向便攜化、個性化設(shè)備演進(jìn)。MiniUITra的出現(xiàn)，精準(zhǔn)地解決了現(xiàn)有tFUS技術(shù)在“長期穿戴”這一核心瓶頸。它不僅在尺寸和聚焦能力上取得突破，更重要的是，其創(chuàng)紀(jì)錄的穩(wěn)定型生物粘附水凝膠，首次展示了超過一個月的持續(xù)有效耦合能力，這是邁向真正可穿戴應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

這款“聲波貼片”的誕生，預(yù)示著一個激動人心的未來?；颊呋蛟S可以在家中進(jìn)行長期的、定制化的神經(jīng)調(diào)控治療，用于改善帕金森病的運(yùn)動癥狀、延緩阿爾茨海默病的認(rèn)知衰退、或調(diào)節(jié)抑郁癥患者的情緒。其應(yīng)用潛力還可擴(kuò)展至疼痛管理和中風(fēng)后康復(fù)等領(lǐng)域。

當(dāng)然，研究團(tuán)隊(duì)也指出，該技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如在頭發(fā)濃密的受試者身上實(shí)現(xiàn)完美貼合仍有困難，未來需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)和佩戴方式。

總而言之，MiniUITra系統(tǒng)通過其在微型化聲學(xué)設(shè)計(jì)和長效生物材料上的雙重創(chuàng)新，成功打造了一個安全、有效、可長期穿戴的無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控平臺。它不僅是一項(xiàng)杰出的工程學(xué)成就，更為無數(shù)神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者帶來了無需手術(shù)、便捷可及的治療新希望，有望深刻改變慢性疾病的管理模式。

▼參考文獻(xiàn)

[1] Tang, K.W.K., Jeong, J., Hsieh, JC. et al. Bioadhesive hydrogel-coupled and miniaturized ultrasound transducer system for long-term, wearable neuromodulation. Nat Commun 16, 4940 (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41467-025-60181-x

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撰文 | 龐經(jīng)瑞

編輯 | 張艷青

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會