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科学研究
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材料学院朱建国教授在KNN基无铅压电材料在超声器件应用方面取得重要进展 在Advanced Functional Materials上发表论文

时间:2019-12-31  来源:材料学院   作者: 

近日,伟德:材料科学与工程学院朱建国教授课题组与美国南加州大学周歧发教授团队合作,在KNN基无铅压电材料制备微型超声器件的应用研究方面取得重要进展,相关成果“Ultrasound-induced wireless energy harvesting for potential retinal electrical stimulation application” 以封面论文形式发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上(《先进功能材料》,影响因子15.621)。该论文第一作者为伟德体育材料科学与工程学院和美国南加州大学的联合培养博士生蒋来明,朱建国教授为该论文共同通讯作者。

图一 封面展示:超声诱导无线能量收集用于视网膜神经电刺激应用

为了使遭受外视网膜疾病的盲人能够感知视觉信号,需要有新型的直接电刺激视觉神经元的视觉假体。由于视觉假体需要植入人体,因此,需要一种能够在安全限度内为神经电刺激提供足够能量的电力传输系统,同时确保设备的微型化、生物相容性和长寿命周期。有鉴于此,该研究工作提出了一种新型视网膜电刺激策略,该设计基于超声波发射器和超声波能量接收器组装的精密架构,通过压电效应来操控声-电的转换,从而实现对电刺激能量的控制。

图二 LF-PUEH器件的结构示意图、工作原理及样品光学图像

在这项工作中,利用伟德体育朱建国教授团队研发的性能优良的铌酸钾钠(KNN)基无铅陶瓷,使用改进的切割-填充技术制备了一种具有微结构的对人体生物相容性好的1-3维复合材料来制备微型超声器件,并采用柔性电极设计和有机硅弹性体封装。制备的无铅超声能量采集装置(LF-PUEH)具有改善的声学和电学性能以及与生物组织相似的机械顺应性,不仅能在超声波驱动下实现理想的压电电势输出,而且同时具有环境友好性与高度灵活性,以确保与人体组织的安全和紧密接触。

图三 LF-PUEH器件的输出性能表征

为了测量超声能量采集装置的输出性能,使用多功能测试平台,对LF-PUEH装置进行了系统研究,包括频率特性、输入条件、负载优化以及植入式模拟实验,以评估其输出特性并证明其在潜在应用中的价值。测试的结果表明,在负载为 1 kΩ 时,器件可获得最佳输出特性,最大瞬时功率密度达到45 mW/cm2。

图四 模拟植入条件时的LF-PUEH装置示意图、光学图像及输出性能表征

此外,为了证明LF-PUEH具有植入体内进行无线功率传输的可行性,将装置植入一只切除的猪眼球中以模拟植入式情况。例如,当输入电压为100 Vpp、 负载为1 kΩ 时,输出电压幅值为0.54 Vpp,该输出值为非植入情况时的72 %。此外,在30 Vpp的输入电压下,LF-PUEH便可获得最高72 μA的电流和9.2 nA·μm-2的电流密度,其值均高于视网膜神经电刺激所需的平均阈值。而且,输出值可在很宽的范围内灵活调节,以满足不同应用的需求。我们的实验结果表明, 基于 KNN基1-3维压电复合材料的超声能量采集装置在医学电刺激应用中具有可行性。


链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201902522

DOI: 10.1002/adfm.201902522

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