研究背景

植入式医疗电子设备(IME) 的进步，如心脏起搏器、人工耳蜗、和神经刺激器，在监测和绘制生物信号、支持和增强生理功能以及减轻和治疗疾病方面有许多好处。为了维持其连续运行，目前在几微瓦到几百微瓦的功率下运行的IME通常由植入的电池供电。虽然电池技术提供了一个可靠的、独立的电源选择，但必须通过手术干预定期更换以实现连续运行，这导致了不可忽略的风险和负担。为了缓解电池的问题，人们开发了电感耦合技术和植入式生物机械能量采集器。此外，生物力学能量采集器(如摩擦纳米发电机、压电纳米发电机)通常受到与特定植入位置和不确定输出功率有关的限制，从而限制了其普遍适用性。作为一种新兴的无线传输技术，超声能量传输和通信(UETC) 利用行进中的超声波来传输能量，已被利用并纳入各种IME，用于无线供电、医疗监测和信息通信。与电磁波相比，超声波的功率通量具有更高的FDA限制(0.72 W cm^-2 vs.0.01 W cm^-2)。通过组织的衰减更低，波长短得多(在类似频率下小五个数量级),可以更有效地耦合到微型植入物，网络通信的安全性更高。此外，外部超声源可以提供可调节和长期连续的功率传输，而不受植入部位和器官形状的限制。通过摩擦静电和压电为IME 供电和通信的UETC 已经被证明。例如，已经提出了一个基于电容摩擦静电技术的可植入原型，用于经皮超声能量采集。具有双向通信的超声波无线植入系统用于神经刺激、实时深层组织氧合测量和温度感应也已经被报道。然而，目前开发的UETC系统大多是刚性的、笨重的，并且是基于市面上的有毒铅基压电材料(如锆钛酸铅, PZT)。最近人们致力于开发柔性UETC系统，但其电输出相对较低。其次，由于生物危害、有毒的铅基压电材料在生态/生物领域的应用值得怀疑，尤其是在需要直接接触人类机体的IME领域。生态友好型无铅压电材料(如铌酸钠钾，(K,Na)NbO₃) 和装置正在被大力开发，作为铅基同类材料的最有希望的替代品。

研究成果

植入式医疗电子设备(IMEs)现在越来越普遍地用于诊断和治疗目的。尽管做了大量的工作，但植入式医疗电子装置的一个主要挑战是可靠的无线电源和通信,以提供良好的控制和治疗相关效果。超声能量传输和通信(UETC)采用行进中的超声波来传输能量，已经成为一种有前途的无线战略，用于IMEs。然而，传统的UETC系统僵硬、笨重，而且基于有毒的铅基压电材料，引起了效率和安全问题。在此，四川大学Laiming Jiang、Jiagang Wu联合西南民族大学Bo Wu教授等人提出了一种基于二维柔性无铅压电阵列(f- LFPA)的新型经皮UETC系统，该系统将高性能(压电系数d₃₃~ 503 pC N^-1) (K,Na)NbO₃ 基环保压电单元与柔性结构部件混合。新开发的无铅压电单元表现出亚微米级的铁电域和卓越的能量收集优点(d₃₃g₃₃ ~ 20000*10^-15 m² N^-1)，从而使所制备的f-LFPA表现出22.4 V的高输出电压，0.145 W cm^-2的功率密度和超过30 dB的信噪比，符合FDA的安全限制，同时保持宽角度接收的灵活性。进一步的体外实验证明了f- LFPA的充分供电能力，以及它在未来可植入的生态友好型生物电子学中的可能应用，用于诊断、治疗和实时监测。相关研究以“Flexible lead-free piezoelectric arrays for high-efficiency wireless ultrasonic energy transfer and communication”为题发表在Materials Horizons期刊上。

研究亮点

1. 开发了一种新型的柔性无铅压电阵列(f-LFPA)，用于超声波能量传输和信号通信，克服了传统的刚性和铅基UETC系统的局限性，从而形成了一个具有灵活性、能量可调整性和生物友好性等综合优势的新的无线平台。2. 通过使用柔性电子技术制造的f-LFPA柔软而舒适，能很好地适应弯曲的表面。3. 为了评估其潜在的应用，进行了全面的研究，包括器件设计和优化、有限元分析(FEA) 模拟、频率特性、电子器件的供电、信号通信、通过牛肉组织传输、多角度接收和细胞相容性评估。

图文导读

Fig. 1 Schematics and design of the flexible lead-free ultrasonic device.

Fig. 2 Fabrication and Characterization of the KNN-based 1–3 composite units.

Fig. 3 Characterization of the ultrasound-induced f-LFPA.

Fig. 4 Power generation and information transmission capabilities of the f-LFPA.

Fig. 5 Wireless ultrasound energy transfer under beef tissue.

总结与展望

作者开发了一种基于混合材料集成和电极设计策略的柔性无铅压电阵列，用于可植入的无线平台，允许超声诱导的能量传输和通信。原型机利用高性能的基于KNN的无铅压电系统，表现出亚微米级的铁电域和卓越的能量收集优点(d₃₃g₃₃ ~ 20000*10^-15 m² N^-1)，在谐振频率下提供增强的电输出。在美国食品和药物管理局的安全限制范围内，所产生的装置展示了22.4 V的高输出电压, 0.145 W cm^-2的功率密度，10 dB的接收带宽为52%，信噪比超过30 dB，同时由于灵活的结构而保持了广角接收。此外，超声诱导的输出是声学可调谐的，当设备被放置在10-20 mm厚的体外组织中时仍然足够，这表明该无铅设备在未来植入式生物电子的诊断、治疗和实时监测方面有潜在的应用。未来的研究将侧重于通过探索纳入更多的声学元件、功能电路、无线传输和控制芯片来改善系统的结构和性能，以建立高效、安全、可控和可通信的无线系统。

文献链接

Flexible lead-free piezoelectric arrays for high-efficiency wireless ultrasonic energy transfer and communication，https://doi.org/10.1039/d2mh00437b