Nature Communications | “声波贴片”实现精准脑调控：可穿戴超声系统开启神经疾病治疗新纪元

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在全球范围内，帕金森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病以及精神类疾病的患病率日益增高，给社会和家庭带来了沉重的负担。尽管深度脑刺激（DBS）和经颅磁刺激（TMS）等技术已在临床应用，但它们分别存在侵入性手术风险和空间分辨率低的局限性 。作为一种新兴的无创技术，经颅聚焦超声（tFUS）因其高精度靶向能力而备受瞩目，有望为众多神经疾病提供治疗新途径 。然而，传统tFUS系统通常体积庞大，且依赖于会脱水、无法长久粘贴的超声耦合凝胶，这极大地限制了其在可穿戴和长期治疗场景中的应用。

为攻克这一难题，来自德克萨斯大学奥斯汀分校的科研团队，成功研发了一款微型化、可穿戴的超声神经调控设备——MiniUITra。该系统巧妙地将自聚焦超声换能器与一种创新的长效生物粘附水凝胶相结合，实现了如创可贴般便捷的长期佩戴和精准的皮层刺激。这项发表于《Nature Communications》的研究，为无创神经调控技术走向长期、家庭化应用铺平了道路 。

图1：微型化生物粘附超声换能器 (MiniUITra) 系统。 a) MiniUITra可像贴片一样长期附着于头皮，靶向刺激大脑皮层，解决了传统凝胶易脱水、黏附性差的问题。b) 其机制是通过聚焦超声（FUS）抑制特定神经活动，如图中对感觉诱发电位（SEP）的P27-N20波的抑制。c-h) 展示了设备的层状结构、水凝胶的化学构成、设备实物及佩戴在头皮上的状态。

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技术革新：微型身材下的“硬核”双雄

MiniUITra系统的卓越性能源于两大核心技术的完美融合：自聚焦换能器（SFAT）与生物粘附水凝胶。

1. 自聚焦换能器 (SFAT)：无需光刻的微加工杰作

研究团队采用了一种创新的、无需标准光刻的简化微加工工艺，制造出一种基于“气腔菲涅尔透镜”（ACFAL）的自聚焦换能器。这一设计使得设备在仅有标准脑电电极大小（直径18mm）的尺寸下，实现了强大的聚焦能力。

  • 高声强与高精度：该换能器能产生高达30.7W˜/cm2 (1.92 MPa) 的声压强度，并将声波能量精准聚焦于皮下10毫米的深度 。与普通换能器相比，其声场分布更集中，散射更少（如图2b所示）。

  • 穿颅效率与安全性：即便在穿透8毫米厚的人类颅骨后，其声强仍能满足有效调控阈值，且效率优于文献报道。至关重要的是，在实验所用的刺激模式下，连续刺激10分钟引起的温升低于 2circC，完全符合FDA的安全准则，确保了人体应用的安全性（如图2g所示）。

图2：自聚焦声学换能器 (SFAT) 的性能表征。 a) 声场测试示意图。b) 与普通换能器（左）相比，SFAT-ACFAL（右）的声场聚焦效果显著提升。c,d）在有无颅骨情况下的径向和轴向声强分布，显示其焦点深度为10mm，横向分辨率为8mm。e）声压与驱动电压呈线性关系。f）穿过颅骨后声波波形发生衰减。g）在不同刺激参数下，设备的热效应均在FDA安全指南范围内。h）设备的电阻抗谱。

2. 生物粘附水凝胶：实现“长期待机”的秘密武器

为了实现长期稳定的佩戴，研究团队开发了一种由AMPS（一种高吸水性离子聚合物）和甘油组成的特制水凝胶。

  • 超长稳定性：这是该系统的最大亮点。与几小时内就会变干的商用超声凝胶相比，这款水凝胶在低湿度（25%RH）环境中存放7天后仍能保持近80%的重量，并且声学性能在长达35天内保持稳定（如图3d, f所示）。其稳定性是现有顶尖研究（72小时）的巨大飞跃。

  • 优异的声学匹配性：该水凝胶的声阻抗（约2.17M˜Rayl）与人体皮肤（约1.99M˜Rayl）高度匹配，远优于商用凝胶，这意味着更少的声能反射和更高的传输效率（如图3c所示）。

  • 强大的可重复粘附力：通过优化甘油含量和采用BZP光刻胶处理，水凝胶不仅能牢固地附着在皮肤上，还能与换能器的PDMS基底形成高达13倍于未处理状态的结合力。在皮肤上的附着力在20次反复贴揭后依然保持稳定（约0.961N˜/cm），真正实现了可重复使用的“贴片”式应用（如图3k所示）。

图3. 生物粘附水凝胶的特性。a）其声衰减与商用凝胶相当。b,c）其声阻抗稳定且与皮肤更匹配。d,e）在不同温湿度下，水凝胶的声压衰减在35天内保持稳定。f,g）与商用凝胶相比，该水凝胶表现出优异的保水和吸湿能力。i,j,k）水凝胶与设备基底和皮肤均有强大且可重复的粘附力。

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性能验证：长达28天的持续脑活动调控

为了验证MiniUITra的真实功效，研究团队进行了一项为期28天的纵向人体实验 。他们将设备贴在受试者头皮的感觉皮层（S1区）对应位置，通过功能性电刺激（FES）诱发感觉诱发电位（SEP），并观察MiniUITra能否对其进行抑制。SEP中的P27-N20复合波是反映感觉信息处理的关键生物标志物。

实验结果令人振奋：

  • 首日效果显著：在实验第一天，与“假刺激”（Sham）组相比，使用MiniUITra进行tFUS刺激能显著抑制P27-N20复合波的幅度 。其效果与使用传统商用凝胶时没有显著差异，证明了新型水凝胶优异的声耦合性能。

  • 28天效果如一：最关键的是，在第7天和第28天的测试中，MiniUITra依然能够稳定、有效地抑制SEP，证明了其长期神经调控的鲁棒性和可行性（如图4c, d所示）。如图4b所示，28天后，特制水凝胶依然饱满，而商用凝胶早已干涸。

图4. MiniUITra长期抑制SEP的效果。a,b）实验流程及28天后水凝胶与商用凝胶的状态对比。c）第1天和第28天的SEP波形图，红色实线（FUS刺激）的波幅明显低于黑色虚线（假刺激）。d）数据统计显示，在第1、7、28天，FUS均能显著抑制P27-N20波幅，且效果稳定。

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行业现状及前沿展望

当前，无创神经调控领域正从大型临床设备向便携化、个性化设备演进。MiniUITra的出现，精准地解决了现有tFUS技术在“长期穿戴”这一核心瓶颈。它不仅在尺寸和聚焦能力上取得突破，更重要的是，其创纪录的稳定型生物粘附水凝胶，首次展示了超过一个月的持续有效耦合能力，这是迈向真正可穿戴应用的关键一步。

这款“声波贴片”的诞生，预示着一个激动人心的未来。患者或许可以在家中进行长期的、定制化的神经调控治疗，用于改善帕金森病的运动症状、延缓阿尔茨海默病的认知衰退、或调节抑郁症患者的情绪。其应用潜力还可扩展至疼痛管理和中风后康复等领域。
当然，研究团队也指出，该技术仍面临一些挑战，例如在头发浓密的受试者身上实现完美贴合仍有困难，未来需要进一步优化设备设计和佩戴方式。
总而言之，MiniUITra系统通过其在微型化声学设计和长效生物材料上的双重创新，成功打造了一个安全、有效、可长期穿戴的无创神经调控平台。它不仅是一项杰出的工程学成就，更为无数神经系统疾病患者带来了无需手术、便捷可及的治疗新希望，有望深刻改变慢性疾病的管理模式。

▼参考文献

[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

END

撰文 | 庞经瑞

编辑 | 张艳青

审核 | 医工学人理事会

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