生物粘附水凝胶耦合微型超声换能器系统实现长期可穿戴神经调控

为解决传统经颅聚焦超声(tFUS)设备笨重且依赖易脱水超声凝胶的问题，德克萨斯大学奥斯汀分校团队开发了集成生物粘附水凝胶的微型自聚焦超声换能器系统(MiniUlTra)。该设备通过空气腔菲涅尔透镜(ACFAL)实现10 mm焦深和30.7 W/cm2声强，水凝胶耦合剂保持35天稳定粘附力(0.961 N/cm)。实验证明其能持续28天抑制体感诱发电位(SEP)，为神经退行性疾病和精神病症提供新型可穿戴治疗方案。

　　

神经调控技术正成为治疗神经系统疾病的重要手段，但现有技术面临两难困境：深部脑刺激(DBS)需要植入电极导致创伤，而经颅磁刺激(TMS)又缺乏空间精度。经颅聚焦超声(tFUS)虽能实现非侵入式精准刺激，但传统设备体积庞大且依赖易脱水的超声耦合剂，严重制约长期可穿戴应用。更棘手的是，商业超声凝胶既无粘性又易失水，最长仅能维持72小时，无法满足慢性病数周持续治疗的需求。

德克萨斯大学奥斯汀分校的Kai Wing Kevin Tang、Jinmo Jeong等团队在《Nature Communications》发表突破性研究，通过创新性整合材料科学与微加工技术，开发出仅8.5克重的微型可穿戴超声神经调控系统MiniUlTra。该系统采用无光刻工艺制造的自聚焦换能器(SFAT-ACFAL)，配合具有超强保水性的AMPS-甘油水凝胶，首次实现长达28天的稳定神经调控。研究证实其能有效抑制初级体感皮层(S1)的P27-N20复合波，为帕金森病、癫痫等慢性神经系统疾病提供革命性治疗工具。

关键技术包括：1）基于空气腔菲涅尔透镜(ACFAL)的自聚焦换能器设计，通过简化光刻工艺实现直径18mm的微型化；2）含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和甘油的生物粘附水凝胶合成，具有2.17 MRayl声阻抗匹配特性；3）采用8名健康受试者（7男1女）的体感诱发电位(SEP)抑制实验，通过10-20脑电图(EEG)导联系统定位CP3靶点。

Development and characterization of miniaturized ultrasound transducer
研究团队设计的SFAT-ACFAL换能器通过几何声学调控，在650 kHz频率下实现10 mm焦深和1.92 MPa声压。与人类颅骨耦合测试显示，8 mm厚颅骨导致声强衰减六倍至3.92 W/cm²，但仍在有效阈值内。热安全性测试证实，360μs脉冲在10分钟刺激中温升<2℃，符合FDA标准。

Development and characterization of bioadhesive hydrogel
突破性水凝胶由AMPS和20wt%甘油构成，展现三大优势：声学性能上，7天内声阻抗稳定在2.17 MRayl（与皮肤1.99 MRayl高度匹配）；机械性能上，弹性模量31.4 kPa与皮肤相当；粘附性能上，苯甲酮处理的PDMS界面粘附力达2.09 N/cm，皮肤粘附力经20次循环仍保持0.961 N/cm。在37℃/85%湿度环境下，35天内声衰减<13%，重量反而增加21%，完全颠覆商业凝胶3小时脱水的局限。

SFAT-ACFAL enables suppression of somatosensory evoked potentials at S1 targeting
通过CP3靶向刺激左侧S1区，设备成功抑制正中神经刺激诱发的体感诱发电位。EEG数据显示P27-N20复合波振幅显著降低（C3导联从0.425±0.175μV降至0.119±0.082μV），频谱分析显示α/β波段功率在刺激后100ms内下降6dB，证实其对初级体感通路的特异性调控。

Long-term wearability and neuromodulation of MiniUlTra
28天纵向研究显示，生物粘附水凝胶组的SEP抑制效果与商业凝胶无差异（P>0.05），且所有电极通道均保持稳定抑制。特别值得注意的是，第28天时P27-N20复合波在P3导联仍实现24.5%的抑制率，突破现有技术最长72小时的有效期限制。

该研究开创性地解决可穿戴超声神经调控的两大核心难题：通过ACFAL设计实现器件微型化，使设备尺寸与标准EEG电极相当；开发的长效水凝胶耦合剂突破材料稳定性瓶颈。临床转化方面，MiniUlTra为帕金森病震颤、阿尔茨海默病认知障碍等需要持续干预的疾病提供居家治疗可能。未来通过集成更多换能器阵列和智能靶向算法，有望拓展至抑郁症、慢性疼痛等更广泛神经精神疾病的精准调控领域。