在全球范圍內，帕金森病、阿爾茨海默病等神經退行性疾病以及精神類疾病的患病率日益增高，給社會和家庭帶來了沉重的負擔。盡管深度腦刺激（DBS）和經顱磁刺激（TMS）等技術已在臨床應用，但它們分別存在侵入性手術風險和空間分辨率低的局限性 。作為一種新興的無創技術，經顱聚焦超聲（tFUS）因其高精度靶向能力而備受矚目，有望為眾多神經疾病提供治療新途徑 。然而，傳統tFUS系統通常體積龐大，且依賴于會脫水、無法長久粘貼的超聲耦合凝膠，這極大地限制了其在可穿戴和長期治療場景中的應用。

為攻克這一難題，來自德克薩斯大學奧斯汀分校的科研團隊，成功研發了一款微型化、可穿戴的超聲神經調控設備——MiniUITra。該系統巧妙地將自聚焦超聲換能器與一種創新的長效生物粘附水凝膠相結合，實現了如創可貼般便捷的長期佩戴和精準的皮層刺激。這項發表于《Nature Communications》的研究，為無創神經調控技術走向長期、家庭化應用鋪平了道路 。

 圖1：微型化生物粘附超聲換能器 (MiniUITra) 系統。 

圖1：微型化生物粘附超聲換能器 (MiniUITra) 系統。 a) MiniUITra可像貼片一樣長期附著于頭皮，靶向刺激大腦皮層，解決了傳統凝膠易脫水、黏附性差的問題。b) 其機制是通過聚焦超聲（FUS）抑制特定神經活動，如圖中對感覺誘發電位（SEP）的P27-N20波的抑制。c-h) 展示了設備的層狀結構、水凝膠的化學構成、設備實物及佩戴在頭皮上的狀態。

技術革新：微型身材下的“硬核”雙雄

MiniUITra系統的卓越性能源于兩大核心技術的完美融合：自聚焦換能器（SFAT）與生物粘附水凝膠。

1. 自聚焦換能器 (SFAT)：無需光刻的微加工杰作

研究團隊采用了一種創新的、無需標準光刻的簡化微加工工藝，制造出一種基于“氣腔菲涅爾透鏡”（ACFAL）的自聚焦換能器。這一設計使得設備在僅有標準腦電電極大小（直徑18mm）的尺寸下，實現了強大的聚焦能力。

高聲強與高精度：該換能器能產生高達30.7W?/cm2 (1.92 MPa) 的聲壓強度，并將聲波能量精準聚焦于皮下10毫米的深度 。與普通換能器相比，其聲場分布更集中，散射更少（如圖2b所示）。

穿顱效率與安全性：即便在穿透8毫米厚的人類顱骨后，其聲強仍能滿足有效調控閾值，且效率優于文獻報道。至關重要的是，在實驗所用的刺激模式下，連續刺激10分鐘引起的溫升低于 2circC，完全符合FDA的安全準則，確保了人體應用的安全性（如圖2g所示）。

 圖2：自聚焦聲學換能器 (SFAT) 的性能表征。 

圖2：自聚焦聲學換能器 (SFAT) 的性能表征。 a) 聲場測試示意圖。b) 與普通換能器（左）相比，SFAT-ACFAL（右）的聲場聚焦效果顯著提升。c,d）在有無顱骨情況下的徑向和軸向聲強分布，顯示其焦點深度為10mm，橫向分辨率為8mm。e）聲壓與驅動電壓呈線性關系。f）穿過顱骨后聲波波形發生衰減。g）在不同刺激參數下，設備的熱效應均在FDA安全指南范圍內。h）設備的電阻抗譜。

2. 生物粘附水凝膠：實現“長期待機”的秘密武器

為了實現長期穩定的佩戴，研究團隊開發了一種由AMPS（一種高吸水性離子聚合物）和甘油組成的特制水凝膠。

超長穩定性：這是該系統的最大亮點。與幾小時內就會變干的商用超聲凝膠相比，這款水凝膠在低濕度（25%RH）環境中存放7天后仍能保持近80%的重量，并且聲學性能在長達35天內保持穩定（如圖3d, f所示）。其穩定性是現有頂尖研究（72小時）的巨大飛躍。

優異的聲學匹配性：該水凝膠的聲阻抗（約2.17M?Rayl）與人體皮膚（約1.99M?Rayl）高度匹配，遠優于商用凝膠，這意味著更少的聲能反射和更高的傳輸效率（如圖3c所示）。

強大的可重復粘附力：通過優化甘油含量和采用BZP光刻膠處理，水凝膠不僅能牢固地附著在皮膚上，還能與換能器的PDMS基底形成高達13倍于未處理狀態的結合力。在皮膚上的附著力在20次反復貼揭后依然保持穩定（約0.961N?/cm），真正實現了可重復使用的“貼片”式應用（如圖3k所示）。

圖3. 生物粘附水凝膠的特性。a）其聲衰減與商用凝膠相當。b,c）其聲阻抗穩定且與皮膚更匹配。d,e）在不同溫濕度下，水凝膠的聲壓衰減在35天內保持穩定。f,g）與商用凝膠相比，該水凝膠表現出優異的保水和吸濕能力。i,j,k）水凝膠與設備基底和皮膚均有強大且可重復的粘附力。

性能驗證：長達28天的持續腦活動調控

為了驗證MiniUITra的真實功效，研究團隊進行了一項為期28天的縱向人體實驗 。他們將設備貼在受試者頭皮的感覺皮層（S1區）對應位置，通過功能性電刺激（FES）誘發感覺誘發電位（SEP），并觀察MiniUITra能否對其進行抑制。SEP中的P27-N20復合波是反映感覺信息處理的關鍵生物標志物。

實驗結果令人振奮：

首日效果顯著：在實驗第一天，與“假刺激”（Sham）組相比，使用MiniUITra進行tFUS刺激能顯著抑制P27-N20復合波的幅度 。其效果與使用傳統商用凝膠時沒有顯著差異，證明了新型水凝膠優異的聲耦合性能。

28天效果如一：最關鍵的是，在第7天和第28天的測試中，MiniUITra依然能夠穩定、有效地抑制SEP，證明了其長期神經調控的魯棒性和可行性（如圖4c, d所示）。如圖4b所示，28天后，特制水凝膠依然飽滿，而商用凝膠早已干涸。

圖4. MiniUITra長期抑制SEP的效果。a,b）實驗流程及28天后水凝膠與商用凝膠的狀態對比。c）第1天和第28天的SEP波形圖，紅色實線（FUS刺激）的波幅明顯低于黑色虛線（假刺激）。d）數據統計顯示，在第1、7、28天，FUS均能顯著抑制P27-N20波幅，且效果穩定。

行業現狀及前沿展望

當前，無創神經調控領域正從大型臨床設備向便攜化、個性化設備演進。MiniUITra的出現，精準地解決了現有tFUS技術在“長期穿戴”這一核心瓶頸。它不僅在尺寸和聚焦能力上取得突破，更重要的是，其創紀錄的穩定型生物粘附水凝膠，首次展示了超過一個月的持續有效耦合能力，這是邁向真正可穿戴應用的關鍵一步。

這款“聲波貼片”的誕生，預示著一個激動人心的未來?；颊呋蛟S可以在家中進行長期的、定制化的神經調控治療，用于改善帕金森病的運動癥狀、延緩阿爾茨海默病的認知衰退、或調節抑郁癥患者的情緒。其應用潛力還可擴展至疼痛管理和中風后康復等領域。

當然，研究團隊也指出，該技術仍面臨一些挑戰，例如在頭發濃密的受試者身上實現完美貼合仍有困難，未來需要進一步優化設備設計和佩戴方式。

總而言之，MiniUITra系統通過其在微型化聲學設計和長效生物材料上的雙重創新，成功打造了一個安全、有效、可長期穿戴的無創神經調控平臺。它不僅是一項杰出的工程學成就，更為無數神經系統疾病患者帶來了無需手術、便捷可及的治療新希望，有望深刻改變慢性疾病的管理模式。

▼參考文獻

[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

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撰文 | 龐經瑞

編輯 | 張艷青

審核 | 醫工學人理事會