最近对柔性换能器的讨论很多，大多数的应用集中在心脏的长程监控上，目标是要做到像心电一样长时间监控，以超哥20多年的开发和商业化经验来讲：可穿戴的心脏超声并不是一个好的商业化产品，临床很难接受，技术问题没有完全解决再加上海量数据存储等问题使得这类产品很难产品化商业化；反倒是今天这篇文章介绍的治疗可穿戴超声有望很快的实现商业化，尤其是面向普通消费者to C端的产品，如可穿戴皮肤管理设备，焦虑/睡眠障碍治疗设备，促进药物吸收设备，慢性疼痛治疗设备这类的产品市场巨大，产品确定性大，值得大家深入研究，也欢迎想躬身入局的产业各界人士找我探讨，我上面说的几个设备已经有工程师团队完成相应出其研发，可以帮助各位对接。

本期内容中，医疗器械制造展Medtec将为大家介绍一种新型的可穿戴超声递药装置，通过皮肤无痛、无针地传输药物进一步提高药物递送的效率和患者体验感。本文介绍了一种基于声波增强（sonophoresis）的系统，该系统利用超声波场对生物组织进行操作，从而无需使用针剂即可递送药物。开发了一种新型可穿戴设备，其核心部件为嵌入聚合物基底的圆盘型压电换能器，这些换能器在液体耦合介质中产生声腔作用，以增强药物的皮肤透传效率。通过有限元方法（FEM）对设备的设计和操作参数进行了详细分析，包括工作频率、应用电压范围、声压分布和换能器间距，并通过实验验证了模型的准确性。此外，研究还考察了水体环境和容器反射对声压场的影响，以及阵列结构中元素之间的相互作用。最后，通过模拟皮肤和基底几何对声压场的影响，以预测系统在实际使用中的表现。这些分析为超声波药物传输设备的设计提供了重要的参考数据，有望加速可穿戴超声系统的开发和迭代。

图片来源：医工超人

消费者对健康皮肤的兴趣激增的背景下，越来越多产品从无痛角度递送药物，该技术的原理是声波增强技术通过利用超声波能量，破坏皮肤外层的脂质屏障，从而促进药物的渗透。这种方法的非侵入性、可编程剂量速率和使用方便的特性，使其成为一种颇具吸引力的治疗选择。文章还概述了声腔的产生过程及其对增强皮肤透药性的关键作用，同时指出控制这一现象的复杂性和对详尽研究的需求。

图片来源：医工超人

医疗器械的设计和开发、研制、生产等过程紧密相连，随着医疗设备领域的持续快速发展，制造商必须密切关注安全性，人工智能，并重新设计患者体验。医疗器械制造展Medtec汇聚近1000家来自全球近27个国家的优质品牌供应商，为中国医疗器械生产厂商提供产品研发、生产、注册所需的设计及软件服务、原材料、精密部件、自动化制造设备、超精加工技术、合同制造、测试和认证、政策法规和市场咨询服务，展品覆盖医疗器械设计与制造全产业链。同时，展会将同期举办第七届医疗器械设计论坛，本次会议将围绕医疗器械产品的设计理念和设计方式，结合具体的案例分享展开，为医疗器械研发人员提供经验借鉴和行业分享。注册参观参会请点击>>>

设备设计与工作原理

      详细介绍了使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基底材料的压电换能器的设计和功能。这种设计允许压电材料在不影响其电机特性的同时，提供足够的柔韧性和与皮肤的良好接触。文章详述了通过有限元方法（FEM）分析得出的关键设计参数，如工作频率、电压范围、声压分布和换能器间距，以及通过实验测量对这些参数的验证。研究表明，这种系统设计可以有效地在皮肤表面产生均匀的声压场，为药物提供一个高效渗透的通道。

图片来源：医工超人，用于空化增强透皮给药的适形超声贴片。a) PDMS 基板上具有 2 × 2 压电致动器阵列的设备照片。比例尺 1 厘米。b) PDMS 腔中单个压电执行器的几何细节。

声压场特性与模拟

此部分深入探讨了声压场的动态特性和在水中的传播行为。文章通过多物理场有限元模拟来理解液体介质中的声学行为，尤其关注了超声换能器附近区域的压力场，这是因为这些区域在实验测量中难以获得精确数据。模拟研究考虑了多种测量配置，优化了水箱中的边界条件，以确保能够准确捕捉到使用水听器的数据，从而减少实验中的反射和其他干扰。

图片来源：医工超人

几何参数对PZT-D阻抗和位移谱的影响。a) 2 mm 固定厚度下各种 PZT-D 半径的阻抗分布。b) 5 mm 固定半径下各种 PZT-D 厚度的阻抗分布。“-x”标记对应于最小阻抗的厚度共振频率。c) 在固定半径为 5 mm 时，不同 PZT-D 厚度的 PZT-D 元件（在表面中心）的峰值位移。d) 对于 5 mm 的固定半径，不同 PZT-D 厚度的峰值位置和共振频率的变化。共振频率的变化是针对离散值（实心点）计算的，并使用虚线推断趋势。振型显示 PZT-D（r = 5 mm，t = 2 mm）振动的 e）径向（220 kHz）和 f）厚度模式（1 MHz）的峰值位移（以 nm 为单位）。

图片来源：医工超人

PDMS 基底对 PZT-D 模态振型和位移的影响。PZT-D 底部有 1 毫米厚的 PDMS 基板，显示了 a) 径向 (220 kHz) 和 b) 厚度模式 (1) 的 PZT-D 顶部表面的峰值位移（上限分别为 20 和 8 nm） 兆赫）。PZT-D 以 10 Vpp 驱动。c) 径向和 d) 厚度模式下 PZT-D 底部 PDMS 基底的位移

设备的体内应用模拟

在描述了系统的理论和实验设计后，论文转向了系统的体内应用，特别是在模拟真实生物组织环境中的性能。这包括了在软基底上模拟压电换能器阵列的性能，并详细探讨了这些换能器与皮肤的相互作用。通过模拟不同的皮肤类型和条件，研究展示了系统在实际使用中可能遇到的挑战和解决方案，提供了设计灵活、有效的穿戴式超声波药物传输系统的重要数据。

图片来源：医工超人

用于体内试验的超声贴片建模：a) 1 mm 厚的 PDMS 基板上 2 × 2 PZT-D 元件阵列的简化排列。b) 压力图的两个 PZT-D 元件的横截面。c) 轴 A1 通过 PZT-D 元件的中心，以及 2 个 PZT-D 元件之间的点 P1，距离 PDMS 基板顶部 1 mm。d) 不同 PZT-D 分离距离（10、4 和 2 mm，从上到下）的 CSA1 流体耦合介质中的压力分布。e) 沿 A1 轴的压力分布，从 PZT-D 元件的表面开始。f) PZT-D 元件之间不同分离间隙的点 P1 处的压力分布。g) 最终贴片设计的压力分布，具有 10 毫米 PZT-D 间隔和结构图案化的 PDMS 腔。所有压力均对应于 50 Vpp 的驱动电压。

结论与未来展望

文章总结了通过声波增强技术在经皮药物传输中的潜在应用，并讨论了未来发展的方向。作者提出了几个关键的技术挑战，如提高系统的用户适应性、优化声压场的均匀性以及提高整个系统的经济性和可持续性。此外，展望了进一步的研究如何能够通过集成更先进的传感技术和智能控制系统，来实现更加个性化和自动化的药物输送解决方案，从而在临床和消费者市场中推广应用。

图片来源：医工超人

水箱尺寸、反射和消声器需求的影响。水中二维轴对称声压分布（左侧）和沿穿过 PZT-D 中心的 z 轴（右侧），a) 无反射的理想边界条件，b) 顶部反射水-空气边界 c) 顶部反射水-空气边界，以及声阻尼侧壁。d) 沿 z 轴 1、2 和 3 厘米距离处的压力的实验测量（蓝色）和模拟（红色）频率扫描图（100-500 kHz）。请注意，所有压力均以 kPa 为单位，y 轴穿过图 4d 中的 3 个图。

医疗器械制造展Medtec认为该无痛超声可穿戴递药系统加上声波增强技术的工作原理和优点可以改变整个递药的方式和格局，同时展示了将这一技术应用于实际医疗治疗中的潜力和挑战，为未来的研究和开发提供了坚实的基础。

参考文献：

Amiri, Nikta, Aastha Shah, Amit Kumar Bhayadia, Chia‐Chen Yu, M. Amin Karami, and Canan Dagdeviren. “Design Approaches and Electromechanical Modeling of Conformable Piezoelectric‐Based Ultrasound Systems.” Advanced Sensor Research (2024): 2300175.

文章来源：医工超人