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超声波驱动的生物电子学可以提供一种可持续供电的无线方案；然而，当前的超声可植入系统在与铅/无铅压电材料和器件相关的生物相容性和收获性能方面面临着严峻的挑战。 在这里，我们报道了一种用于无线双相脑深部刺激的无铅双频超声植入物，该植入物在柔性印刷电路板中集成了两种开发的无铅夹层多孔1-3型压电复合元件，具有增强的采集性能。植入物通过便携式外部双频换能器进行超声供电，并产生临床相关频率的可编程双相刺激脉冲。 此外，我们通过癫痫啮齿动物模型展示了超声驱动的植入物在脑深部刺激中的长期生物安全治疗。本文提出的无铅材料和器件具有良好的生物相容性和电学性能，可为未来开发植入式超声电子器件提供一个很有前途的平台。  f-BUI植入大鼠大脑的示意图。f-BUI在f-PCB上集成了两个具有不同谐振频率的SP-1-3复合材料，由双换能器感应产生DBS的双相波形。插图显示了f-BUI的示意布局。 R1和R2是整流器。T1和T2是晶体管。PUEH-1和PUEH-2是压电超声能量采集器。b、c f-BUI封装在硅胶中之前的光学图像，以及器件灵活性的演示。比例尺为5 光学图像显示封装在硅酮中的f-BUI。插图显示了封装设备的灵活性。比例尺为5 在第30天植入f-BUI后的大鼠大脑的Micro-CT 3D渲染图像。比例尺为10 毫米。  SP-1-3压电元件的制造工艺示意图。左侧插图显示KNNS95前体（顶部）和KNNS95前驱体与聚苯乙烯的混合物（底部）的SEM图像。比例尺为10 μm（顶部）和50 μm（底部）。b致密KNNS95陶瓷宏观结构的Rietveld细化。插图显示了在2 45°−46°范围内的展开部分。 c在45°−46°的2Theta范围内测量的具有不同PS直径的压电复合材料的室温XRD图谱。d、 e致密KNNS95陶瓷的振幅（d）和SS-PFM曲线（e）。、 比例尺为1 μm。f SP-1-3复合材料的局部SEM，显示复合材料中致密、多孔和环氧树脂部分。比例尺为500 μm。g SP-1-3复合材料的SEM图像和相应的元素图谱。比例尺为200 μm。将f、g中的实验重复三次，结果相似。 h、 i致密KNNS95陶瓷（D-C）、夹层陶瓷（S-C）和SP-1-3复合材料的双极应变曲线（h）和d33-E环（i）。j D-C、S-C和SP-1-3复合材料的d33和εr的变化趋势。k g33和d33的比较 × g33这项工作中的无铅压电材料与其他工作中的铅基材料之间的值55。源数据作为源数据文件提供。  水箱中实验装置的示意图。b致密陶瓷（i）、夹层陶瓷（ii）和SP−1-3复合材料（iii）内部的模拟压电势分布。c至US变送器的触发信号和PUEH-1的输出信号，由1驱动 MHz正弦波。输出信号具有时间延迟（ii）、频率一致性（iii，左）和振铃相位（iii，右）。 d f-BUI在整流前（左）和整流后（右）产生的输出电压幅度。插图显示扩展的交流（左）和直流（右）信号。e不同负载电阻下的输出电压和瞬时功率。f电容器中的存储电压（470和1000 µF）。g不同厚度（0、5、10、15和20）猪组织下f-BUI的归一化输出电压 mm）。插图显示了离体猪实验装置的示意图。 h f-BUI中产生双相刺激波形的电路设计示意图。i具有1的两个压电式采集器的电压幅值 MHz和3 当由不同频率的USs感应时的MHz谐振频率。j由两个单触发信号引起的两个反相单相刺激脉冲。顶部，触发1 on。底部，触发2 on。 当两个触发信号同时打开时，f-BUI产生的双相刺激脉冲。可以通过补偿3MHz触发信号来调节由于不同信道传输效率而引起的电荷不平衡。插图显示了双相波形的放大。比例尺为0.5 ms和0.5 V.源数据以源数据文件的形式提供。  图示了美国诱导的f-BUI系统。b f-BUI植入过程的光学图像。比例尺是 4 毫米。第 30 天植入 f-BUI 后大鼠大脑的 X 射线图像。比例尺为 10 毫米。d Sham、Seizure、US 和 US+f-BUI 组中 4-AP 诱导的癫痫大鼠的相应 ECoG 信号和时频频谱。 e， f 美声诱导刺激前（n = 3 个生物独立样本）（e） 和美声诱导刺激 15 分钟后（n = 3 个生物非独立样本）不同组的平均功率谱 （f）。g 美式刺激前后功率谱曲线下的 Aera（n = 3 个生物学独立样本）。 h 不同处理下 Racine 评分的变化（n = 5 个生物学独立样本）。i 第 30 天不同处理后 4-AP 诱导的癫痫发作大鼠的存活率（n = 12 个生物学独立样本）。j 第 30 天海马 CA3 区域的 Nissl 染色（n = 3 个生物学独立样本）。比例尺为100μm。 通过Tukey多重比较（g，h）和Kaplan-Meier方法（i）（****p < 0.0001，***p < 0.001，**p < 0.01，*p < 0.05，ns 不显著）确定统计学显着性; 数据以标准差 （SD） ±的平均值表示;误差线 = SD。源数据以源数据文件的形式提供。  检查SP-1-3压电元件细胞相容性的示意图。b 在第 1、3 和 5 天用/不用 SP-1-3 压电元件浸出液处理的活细胞（绿色）/死细胞（红色）染色（n = 3 个生物学独立样品）。 比例尺100μm。c 通过 CCK8 测定评估相应的细胞活力（n = 3 个生物学独立样品）。d f-BUI体内生物安全性的实验程序。e Sham、f-BUI、US 和 US+f-BUI 组的代表性运动路线热图。f 从开放场试验得出的不同处理的 SD 大鼠的总运动距离（n = 5 个生物学独立样本）。g 植入/不植入 f-BUI 的大鼠皮肤心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏的 H&E 染色图像（n = 3 个生物学独立样本）。 比例尺为 200 μm。h 乳晕组织厚度的定量分析表明两组之间没有显着差异（n = 3 个生物学独立样本）。i 植入部位炎症反应（TNFα、CD68 和 IL-6）的代表性免疫荧光图像（n = 3 个生物学独立样本）。 比例尺为50μm。j 植入部位 TNFα、CD68 和 IL-6 的定量平均荧光强度（n = 3 个生物学独立样本）。在b，g，i中重复实验三次，结果相似。通过一方差分析（f，h，j）和双方差分析（c）与Tukey的多重比较（****p < 0.0001，***p < 0.001，**p < 0.01，*p < 0.05，ns，不显著）;数据以标准差 （SD） ±的平均值表示;误差线 = SD。源数据以源数据文件的形式提供。 总 结 本研究开发了一种新型的柔性、无铅、双频超声植入物，用于无线双相深脑刺激（DBS）。该植入物集成了两个无铅压电元件，能在体内产生稳定、可编程的双相刺激脉冲，且不需要复杂的电路或专用集成电路（ASIC）。 利用无铅SP-1-3复合材料，该设备具有良好的生物相容性和治疗灵敏度。通过双频设计，可使用外部超声波进行编程刺激。植入物的柔软、灵活和无线特性，去除了传统植入式系统中刚性和笨重的组件。动物实验表明，该设备能在体内成功治疗癫痫。 此外，该研究提出的设计可扩展到更多超声波频率通道，提高可靠性和通信能力，并可实现多功能集成，如信息与电力传输。未来研究将优化控制软件和硬件，实现与人工智能集成，最小化医生干预，并可能采用可吸收生物材料降低植入物对组织的负担。 尽管目前还面临一些挑战，如依赖铅基材料的外部发射器开发和皮肤-换能器耦合问题，但这项研究为植入式超声电子学的发展提供了重要启示。未来需要在大型动物和人类中进行更多实验，以推动临床应用。 —— End —— 来源：柔性电子与能源 |
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