用于治疗应用的可穿戴超声设备

Wearable Ultrasound Devices for Therapeutic Applications | Nano-Micro Letters

摘要

可穿戴超声设备代表了治疗应用领域的革命性进展，为深层组织提供非侵入性、持续性和靶向性治疗。这些系统通过柔性材料（如压电复合材料、生物可降解聚合物）和可适形设计实现与动态解剖表面的稳定集成。关键技术突破包括通过空化介导的透皮渗透增强药物递送、通过机械和电刺激加速组织再生、以及利用聚焦声波进行精确神经调节。最新进展展示了无线操作、实时监测和闭环治疗的可行性，这得益于能效优化的换能器和人工智能驱动的自适应控制系统。尽管取得进展，材料耐久性、临床验证和可扩展制造仍存在挑战。未来方向包括纳米材料集成、3D打印架构和多模式传感技术，以推动个性化医学发展。该技术在慢性病管理、术后康复和神经修复领域具有重塑临床实践的潜力，弥合了临床护理与家庭医疗之间的鸿沟。

1 引言

随着全球医疗需求的快速增长和人口老龄化趋势加剧，传统医疗系统面临缺乏高效、便捷、可靠诊疗方案的重大挑战。可穿戴生物设备通过便携性、佩戴性、远程访问和及时性等优势，为个体健康管理提供了创新解决方案。尽管当前可穿戴技术主要依赖光学、电学或化学传感方式，但其穿透深度和药物递送能力受限，导致肌肉层或内脏器官等深层组织监测缺失。超声技术凭借其穿透生物组织、实时成像和无电离辐射的固有优势，与柔性设备集成后展现出独特优势。近年来开发的可适形贴附皮肤表面的柔性超声系统，通过空化效应、热效应和机械应力三种生物物理机制，实现了连续血脑屏障开放、肿瘤治疗热剂量实时监控和个性化康复方案制定。这些集成了纳米材料、机械柔性与声学控制的可适形电子设备，正推动慢性病管理、再生医学和神经调控等领域的范式转变。

2 超声治疗基础

2.1 超声原理

超声波由压电晶体（如锆钛酸铅或新型弛豫型铁电晶体）通过逆压电效应将电信号转换为机械振动产生。在软组织中声速约1540 m/s，遵循声波方程：∇²p - (1/c²)∂²p/∂t² = 0。频率决定穿透深度和空间分辨率（低频穿透更深但分辨率较低，高频反之），强度控制声能输出（需保持安全阈值内），脉冲参数调节热/非热效应平衡，聚焦控制实现靶向区域精确定位。最新柔性超声贴片通过1mm环形间隙设计增强空化效应，50V电压触发惯性空化，45°弯曲半径下实现真皮层能量集中，2MHz低频设计的经颅穿透深度达60-80mm，较刚性探头信噪比提升40%。

2.2 治疗机制

治疗作用主要通过三种机制实现：

1. 热效应：高强聚焦超声（HIFU）通过焦域升温（60℃以上）消融靶组织，热敏载体失稳可增强药物递送
2. 空化效应：稳定空化产生微流体剪切力扰动细胞膜，惯性空化生成冲击波和微射流破坏细胞结构
3. 机械应力：辐射力或气泡振荡产生的机械刺激促进组织再生、血管生成或神经调控

3 可穿戴超声设备的发展

3.1 柔性技术

柔性基板如聚二甲基硅氧烷（PDMS，弹性应变>170%）、Ecoflex（杨氏模量~60 kPa）和聚氨酯（声阻尼特性）成为核心材料。蛇形互连结构通过几何工程赋予金属导体可拉伸性，结合光刻和激光切割技术实现机械柔性和电导稳定性。生物可降解材料如聚左旋乳酸（PLLA）纳米纤维（压电性能10-15 pC/N，降解周期数月到数年）和甘氨酸-聚己内酯（PCL）复合材料（超声输出效率优越）的突破，为植入式医疗设备的自然降解扫清障碍。导电聚合物如PEDOT:PSS（高导电性、生物相容性）和液态金属（拉伸率800%但存在毒性挑战）扩展了电极材料选择。

3.2 能量管理

无线能量传输技术（如超声能量传输APT）和能量采集技术（摩擦纳米发电机TENG）显著提升设备续航能力。APT通过声-电转换实现植入设备供能（见图6c），但存在传输距离和采样频率限制。自供电设备通过采集皮肤运动或换能器压力机械能实现无线自主供能，如刺激坐骨神经的大鼠模型验证了无线能量传输的有效性（见图7a）。

3.3 通信与控制技术

蓝牙低功耗（BLE）和超声通信技术支撑实时监测与远程医疗。例如柔性视网膜刺激设备通过超声传输能量和数据（见图7c），避免传统假体的线缆风险。集成超声血压传感器与皮下/汗液生物传感器的多模态平台，通过无线同步传输提供心血管功能、代谢健康和水合状态的综合分析。

4 治疗应用

4.1 药物递送

柔性超声微针贴片（wf-UMP）整合无铅压电元件和溶解微针，罗丹明B扩散深度在超声刺激下从2.3mm提升至4.6mm（30分钟）。声学超材料介导的透皮给药系统在30s超声刺激下实现皮肤屏障的时空可控开放（见图8h），鼠模型中逆转组胺诱导的全身性过敏反应的肾上腺素释放效率显著优于传统注射方案。

0.2 组织修复

生物粘附摩擦纳米发电机（BA-TENG）通过超声驱动电刺激加速伤口愈合：在20kHz、1W/cm²刺激下，3天内实现近完全上皮化（见图9c）。集成超声-电刺激贴片（UEP）通过声-电联合刺激，结合3D"恢复曲线"阻抗监测，利用机器学习实现炎症期、增殖期和重塑期的智能化阶段分类（见图9h）。

4.3 神经调控

经颅聚焦超声（TUS）通过机械效应调制神经活动：基于铌酸钾钠（KNN）的压电支架在超声刺激下显著上调神经祖细胞标志物Nestin（见图10d），为脊髓损伤修复提供非侵入式方案。Airy声束全息声遗传学（AhSonogenetics）通过3D打印元表面实现亚毫米级深脑区精确定位，帕金森模型中双侧纹状体刺激使运动速度从0.61提升至1.70mm/s（见图10h）。

5 挑战与展望

当前面临的关键挑战包括：材料耐久性（传统PZT材料脆性问题）、生物组织接口（长时间佩戴引发15%-20%皮炎）、临床转化验证（运动伪影导致信噪比下降50%）和监管框架缺失。新兴解决方案包括：

• 气溶胶喷墨打印实现柔性传感器阵列高精度图案化
• 机器学习算法将运动伪影校正效率提升40%-60%
• 可控水化生物粘附水凝胶维持48小时耦合效率
• 压电-摩擦纳米发电机联合系统优化能量采集
• 可预测降解的超声超凝胶降低免疫反应风险

未来方向将聚焦于：

1. 材料创新：MXene等2D材料取代刚性陶瓷
2. 设备设计：3D打印患者定制贴片提升声学耦合
3. 智能集成：人工智能与物联网实现实时分析和远程监控
4. 商业化挑战：卷对卷印刷降低制造成本

7 总结

可穿戴超声技术通过非侵入、按需治疗显著提升治疗效果和患者依从性。尽管仍需克服材料寿命、设备性能和临床转化等障碍，跨学科合作正加速技术成熟。未来可能实现的突破包括：智能伤口贴片居家护理、可穿戴神经调控头盔替代药物治疗等。该技术与精准医疗、远程健康和AI诊断融合，将推动医疗向智能化、个性化时代转型。

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