面向智能诊疗的超声贴片：从柔性材料到闭环生物医学系统
随着全球人口老龄化和慢性疾病负担日益加重，对连续、动态、个性化的健康监测与诊疗手段的需求变得前所未有的迫切。在此背景下，可穿戴医疗电子设备正迅速从概念走向临床前沿，旨在将传统以医院为中心的诊疗模式，扩展到日常家庭和远程医疗场景。超声成像作为临床诊断的基石，在心血管、肿瘤和肌肉骨骼等领域发挥着至关重要的作用。然而，传统的超声系统受限于刚性探头、笨重结构以及对液体耦合剂的依赖，难以紧密贴合不规则的体表轮廓，也无法支持对深层组织生理的长期连续监测。这些缺陷严重限制了其在远程医疗和慢性病管理等新兴场景中的应用。为了突破这些障碍，“超声贴片”应运而生，其核心创新在于利用柔性压电材料和轻量化设计，通过共形皮肤贴附，实现对深层组织的无创、连续、精准监测，并将超声从诊断工具提升为实时生理数据流平台。
1. 材料选择：从单一性能到综合平衡
在超声贴片设计中，材料选择是决定其性能与应用场景的核心，发展趋势正从追求单一性能向能量转换效率、物理柔性和生物安全性的综合平衡转变。早期的研究主要集中于具有高机电转换效率的压电陶瓷和具有优异柔性的压电聚合物。为了应对生物相容性和环境可持续性方面的挑战，无铅压电材料和天然生物材料得到了广泛探索。与此同时，融合上述材料优势的复合材料体系进一步拓展了超声贴片的应用边界。
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压电聚合物，如聚偏氟乙烯及其共聚物，因其良好的压电性能和柔韧性而被广泛研究。基于双层PVDF薄膜的可穿戴超声传感器，可实现对人体骨骼肌收缩的低成本、无创、连续监测。而利用银涂层PVDF薄膜制作的柔性压电微机械超声换能器，能够贴合平面、凹面和凸面，并保持良好的声学性能。
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压电陶瓷材料，如锆钛酸铅，因其高压电系数和良好的机电耦合特性，被用于需要高灵敏度和分辨率的超声贴片中。有研究将高性能PMN-PZT压电陶瓷与柔性PDMS基底集成，实现了对骨骼状况的实时监测。
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无铅材料的采用是更优的选择。例如，使用钛酸钡-还原氧化石墨烯制成的混合纳米贴片，可成功促进神经干细胞分化为功能性神经元，并在治疗创伤性脑损伤中显示出显著疗效。另一种无铅材料铌酸钾钠被用于制作可穿戴超声血压监测贴片，通过测量血管直径变化，建立了血压与血管直径的关系。
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天然生物材料与新型复合材料也被引入设计以满足生物相容性和生物活性等特定要求。壳聚糖薄膜在超声刺激下表现出显著的抗菌和抗炎活性。双层结构的BTO@PCL/GO@GelMA纳米贴片，在低强度脉冲超声刺激下，可将机械能转化为电能，实现无线电刺激，显著促进周围神经修复和功能恢复。
2. 结构设计：创新、微型化与生物界面
超声贴片核心性能的提升，主要依赖于压电材料和换能器结构的突破性设计。
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换能器结构创新与微型化：柔性压电复合材料是解决人体轮廓贴合问题的关键方案。例如，基于碳纳米管薄膜的柔性超声贴片采用“三明治”结构，可通过热声效应产生超声波，并适应不规则体表附着。聚合物基电容式微机械超声换能器设计，采用光敏聚合物SU-8和嵌入式电极，具有低工作电压和高灵敏度。受中国传统榫卯结构启发，氨基锚定金属有机框架与PVDF复合，使β相含量增加40%，剩余极化增强550%。此外，通过微机电系统工艺实现换能器结构微型化是另一条关键路径。采用MEMS技术开发的二维PMUT阵列，创新性地采用“单元-元件-阵列”三级驱动架构，仅需5V电压即可工作，实现了3D体积成像，为深部组织器官的长期可穿戴成像铺平了道路。
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阵列配置与声场控制：为适应复杂的解剖结构，多模态集成阵列成为提升诊疗精度的关键。例如，体表共形双模贴片集成了64阵元成像阵列和8阵元神经调控阵列，通过利用实时应变传感反馈优化声束聚焦，结合高压复用技术，实现了回波信噪比5dB的提升。高密度阵列设计方面，像素匹配波束成形技术可将压电超声换能器阵列直接集成到CMOS芯片上，实现高达100kPa的聚焦压力和约200μm的聚焦光斑。对于高度弯曲器官的成像，仿生结构设计可显著改善声学性能。蜂巢结构共形超声乳腺贴片，结合柔性TPU层和刚性PLA层，可实现与弯曲乳房表面的共形附着。皮肤自适应聚焦超声贴片的阵列则利用皮肤自身曲率作为天然声学透镜，使超声束宽度和深度自适应匹配不同曲率下皮下血管的尺寸和位置。
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轻量化结构与生物界面：可穿戴设备的长期可用性要求结构设计在实现轻量化的同时，确保生物相容性和操作便利性。在慢性伤口治疗领域，盘形贴片结构可直接嵌入敷料中应用非热超声进行治疗。通过将压电陶瓷离散成线性阵列单元并与柔性“岛桥”电路和蛇形互连集成，可构建共形超声贴片。在经皮递送场景中，将载药聚酯微胶囊嵌入四臂聚乙二醇水凝胶贴片中，利用超声同步触发药物释放并增强透皮效率。生物界面的粘附稳定性直接影响信号质量。模仿章鱼吸盘和蜗牛粘液的生物结构开发的多级耦合水凝胶界面，可在组织-电子界面建立稳定、紧密的机械-电子耦合。将可拉伸无铅超声阵列、生物粘附水凝胶和可溶解微针结合，构建了集成的生物电子可穿戴平台，为肿瘤的声免疫治疗提供了坚实基础。
3. 应用场景：从诊断到治疗的闭环
在材料和换能器架构创新的基础上，超声贴片正在解锁一系列闭环生物医学应用。
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疾病诊断与成像：超声贴片在诊断成像领域的创新首先体现在能够实现对心血管等深部组织的长期、连续监测。完全集成的自主可穿戴超声贴片系统，可自动跟踪运动目标，并连续监测深达164mm组织的生理信号长达12小时。无铅压电材料KNN制成的可穿戴超声贴片，采用生物相容性硅橡胶封装，无需耦合剂即可实现紧密的皮肤共形附着。功能上，超声贴片正从纯成像向集成多模态传感和图像引导功能的系统扩展。例如，表皮贴片创新性地将超声换能器与电化学传感器集成在同一柔性平台上，实现了血流动力学参数和代谢生物标志物的可靠同步监测。
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药物递送：超声贴片通过能量-物质协同递送机制，革新了药物递送策略。在经皮给药领域，这些贴片将物理促渗技术与智能药物释放技术相结合，显著提高了生物大分子的递送效率。将载药固体脂质纳米粒均匀分散在壳聚糖贴片基质中，结合超声控释，可实现高效、持续的药物递送。微结构贴片设计，结合超声和其他物理增强策略，进一步克服了皮肤屏障限制。无针微杯贴片集成了药物储库、粘附系统和物理刺激源，在湿气存在下结合超声或电刺激，可显著促进药物渗透。压电驱动微针阵列可产生超声场，在体外实验中使甲氨蝶呤的渗透深度增加9倍。智能刺激响应水凝胶和微胶囊贴片则专注于实现按需和精确的药物递送。将载药聚酯微胶囊嵌入四臂PEG基质中制成的水凝胶贴片，超声暴露可触发药物的快速释放并同时增强皮肤渗透。声电贴片结合压电PVDF薄膜和微米级气体空化气泡，在超声作用下，气泡将声能转化为电能，产生的跨膜电压与超声压力的协同效应，使动物研究中的血浆浓度比单独使用超声高出100%。
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神经调控：超声贴片技术在神经调控领域的应用，逐渐展现出其在非侵入性干预方面的独特潜力，其关键在于通过机械和热效应精确调节离子通道活动和神经网络兴奋性。研究发现，超声刺激可显著抑制大鼠海马CA1锥体神经元的电压门控钾电流，直接导致神经元自发放电频率增加。高频超声可对CA1神经元的动作电位发放进行频率依赖的双向调节。低强度脉冲超声可显著增强培养海马神经元自发放电频率、兴奋性突触后自发电流的频率和振幅，并阐明其通过L型钙通道促进胞浆钙浓度增加，进而激活CaMKII-CREB通路来调节基因转录。在治疗神经系统疾病方面，应用低强度脉冲超声刺激癫痫灶可显著减少癫痫发作总数和每小时发作频率。将声遗传学技术与超声刺激创新性结合，特异性激活海马CA1区小清蛋白阳性抑制性中间神经元，可有效改善小鼠海人酸诱导的癫痫持续状态。便携式集成可穿戴超声系统，使用柔性蜂窝结构超声阵列贴片，实现了对家族性阿尔茨海默病小鼠的连续治疗，有效减少了脑内β-淀粉样蛋白沉积，改善了认知功能。
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肿瘤诊断与治疗：作为经皮药物递送和治疗的新兴平台，超声贴片正推动肿瘤学向集成化、精准化的诊疗一体模式发展。通过集成声敏材料、压电器件和微针等技术，它们实现了精确的肿瘤监测、药物递送和协同治疗。将氧化铪纳米颗粒负载于热塑性聚氨酯薄膜贴片中，该贴片作为介电弹性体应变传感器，可实时监测肿瘤体积变化引起的阻抗变化；同时，负载的HfO2NPs作为声敏剂，在超声照射下产生活性氧直接杀伤癌细胞。这种“监测-治疗”一体化设计为实
现个性化、动态的肿瘤治疗提供了极具前景的工具。具体治疗策略上，集成可穿戴柔性超声微针贴片，结合了可拉伸无铅超声换能器阵列、生物粘附水凝胶和载药可溶解微针，不仅能有效诱导肿瘤细胞凋亡，与免疫检查点抑制剂联用时还能激活全身抗肿瘤免疫。原位激活治疗策略则依靠贴片产生可控超声场，激活肿瘤部位预积累或固有的声敏物质，产生局部治疗作用。全集成共形可穿戴超声贴片通过多通道超声阵列精确聚焦病灶区域，可控地激活声敏剂产生丰富的ROS，实现连续的声动力治疗。
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其他应用：在泌尿系统管理领域，多项研究验证了可穿戴超声贴片在神经源性膀胱功能障碍患者实时监测中的可行性。在肌肉骨骼系统评估与康复中，超声贴片可实时监测肌肉形态和机械性能的动态变化。微型化可穿戴超声系统结合脉冲波多普勒成像监测肌肉收缩，揭示波形模式和速度可反映个体肌肉功能状态。将可穿戴超声与功能性电刺激集成，通过超声准确识别中风患者的运动意图，促进了腕关节功能的改善。在持续监测其他关键生理信号方面也取得了初步进展，例如首次应用可穿戴超声设备对新生儿围手术期管理进行连续、无创的床旁心脏监测。
4. 结论与未来展望
上述进展揭示了一个统一的愿景：超声贴片正朝着闭环智能诊疗系统演进。在此范式中，实时传感为自适应治疗干预提供信息，形成一个动态、个性化的治疗循环。这样的系统包含三个核心模块协同运作：传感模块持续监测生理参数；由机器学习算法驱动的智能决策模块分析数据以检测异常并确定最佳响应；以及执行靶向干预的驱动模块。由此产生的生理变化再次被感知，从而形成闭环，实现持续的自我优化。然而，实现这一愿景需要克服多个方面的持续挑战。材料和器件性能仍然是根本瓶颈：含铅陶瓷的高压电输出与无铅替代品的柔性和生物安全性之间的权衡依然存在，而复杂的复合系统引发了在动态体内条件下长期界面稳定性的担忧。能源效率和功率管理构成了另一个关键障碍。监管路径和安全标准化同样紧迫：研究中超声参数的广泛差异，加上缺乏长期人体暴露的安全阈值标准，阻碍了临床转化。未来的努力应集中在三个关键领域：阐明生物学机制，开展多中心随机对照试验以验证在慢性病管理、神经调控和肿瘤治疗中的长期安全性和有效性，以及建立统一的超声参数安全标准。通过从组件级创新转向系统级集成，超声贴片最终将实现其作为个性化医疗、远程医疗和家庭健康管理的智能平台的潜力。
