基于KNN无铅压电陶瓷的频率可调铁电异质结及其在心肌梗死治疗中的生物医学应用

本研究针对传统经颅聚焦超声设备体积大、聚焦精度不足等问题，开发了一种基于K0.5Na0.5NbO3(KNN)压电陶瓷的频率可调铁电异质结(f-FH)。通过熵增策略设计出d33=680 pC/N的高性能无铅压电材料，结合菲涅尔螺旋衍射栅结构实现3MHz下7.9mm穿透深度及2.7-3.3MHz连续调焦。动物实验证实该植入式装置可通过调控下丘脑室旁核(PVN)改善心肌梗死(MI)后交感神经过度激活，为无铅压电器件在神经调控和心血管疾病治疗中提供新思路。

　　

在神经科学和心血管疾病治疗领域，经颅超声神经调控技术因其非侵入性和高穿透性备受关注。然而现有设备面临两大瓶颈：铅基压电材料（如PZT）的生物毒性风险，以及固定焦距导致的靶向精度不足。传统装置体积庞大难以植入，而微型化又牺牲了聚焦性能，这种矛盾严重限制了长期精准神经调控的应用。更棘手的是，心肌梗死(MI)等疾病引发的交感神经过度激活，亟需能持续调节中枢神经通路的创新解决方案。

武汉大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，提出了一种革命性的频率可调铁电异质结(f-FH)。该装置采用新型(K_0.505Na_0.495Ca_0.01Bi_0.005)(Nb_0.965Sb_0.035Zr_0.01Hf_0.98Ti_0.02)O₃(KNN-3.5BHT)压电陶瓷，通过熵增策略构建多晶相界，实现了媲美铅基材料的压电系数（680 pC/N）。结合菲涅尔螺旋声学超表面，在13.3mm直径的微型化封装中，实现了3MHz下480μm的聚焦精度和1.5mm连续调焦范围。

关键技术包括：1）采用模板晶粒生长技术制备中熵KNN陶瓷；2）激光切割制备环形压电复合材料；3）基于菲涅尔螺旋理论的声场调控设计；4）建立MI大鼠模型进行4周PVN超声干预；5）通过电生理记录、免疫荧光和超声心动图等多模态评估。

设计与场模拟

通过COMSOL仿真验证菲涅尔螺旋栅在2.5-3.5MHz的频率调焦特性，相位涡旋分析显示声压最小值位于焦点中心。

材料制备

XRD和拉曼光谱证实KNN-3.5BHT的钙钛矿结构，介电常数比纯KNN提升4.5倍。EPMA显示元素分布均匀，压电复合体阻抗峰位于3MHz。

生物应用

在MI大鼠模型中，f-FH以270.6mW/cm²强度刺激PVN可显著降低左星状神经节(LSG)放电频率（p<0.01），减少TH⁺神经元41.7%。血清去甲肾上腺素(NE)和神经肽Y(NPY)水平分别下降38.2%和45.3%，心肌梗死面积缩小28.7%（p<0.01）。

该研究开创性地将无铅压电材料与可调焦超声技术结合，不仅解决了植入式神经调控设备的环境兼容性问题，更为MI等交感神经相关疾病提供了新型治疗方案。通过PVN-交感神经通路调控，证实了中枢神经干预对外周器官病变的治疗潜力，为"脑-心轴"研究提供了重要工具。器件的60.5%宽频带特性（FDA安全阈值内）和4周植入的生物安全性，展现出显著的临床转化前景。