本研究的主要作者为南京理工大学的支东巍（Zhidong Wei）、金飞（Fei Jin）、李彤（Tong Li）等，以及东南大学的汪婷（Ting Wang）和南京理工大学的冯章启（Zhang-qi Feng）作为通讯作者。该项研究已于2025年在《Nature Communications》期刊上发表，题为“Soft sonocapacitor with topologically integrated piezodielectric nanospheres enables wireless epidural closed-loop neuromodulation”。
本研究属于生物医学工程与神经调控领域的交叉研究，旨在解决神经电刺激领域的一个关键难题。传统脑深部电刺激等方式依赖于植入电极的氧化还原反应产生离子电流，这可能导致有害的副产物、破坏内稳态，并引发异物反应。电容耦合电刺激（capacitively coupled electrical stimulation）通过可逆的充放电过程在电极-电解质界面形成双电层电容（double-layer capacitance）来产生离子电流，不涉及净电荷转移，因此更为安全。然而，现有的电容式电极难以同时实现高介电材料密度（以储存大量电荷）和大离子可及表面积（以支持高电荷存储的双电层形成），导致其电荷注入密度低，无法满足颅内（特别是硬膜外 epidural）神经调控所需的更高刺激强度要求。此外，现有的无线能量传输方案（如磁电、光电转换）通常也依赖于法拉第反应。因此，开发一种能够实现无线、高电容电荷密度注入、且具有生物相容性的新型刺激器，对于推动安全、微创、高效的神经调控技术的发展具有重要意义。本研究的目标是研发一种新型的无线电容式电刺激器，以实现跨颅、硬膜外、闭环的神经调控，并展示其在调节神经回路动态和治疗神经系统疾病（如颞叶癫痫）中的应用潜力。
本研究的详细工作流程可分为几个核心部分：新型纳米复合材料的开发与表征、宏观器件的集成与性能评估、在体神经调控效果验证、闭环治疗系统构建以及生物安全性和大动物模型验证。
首先，研究者设计并合成了一种名为“UCaPT”的压电-介电复合纳米球，作为核心的能量转换与存储单元。其结构独特，由内到外依次为：压电核心（钛酸钡，用于将超声波能量转换为电荷）、空心腔（实现压电核心与介电笼的周期性接触与分离）、介电笼（用于捕获并储存电荷）。介电笼又包含内层的介孔有机硅层（利用其深能级电荷陷阱捕获电荷，防止过早复合）和外层的致密二氧化硅层（作为绝缘屏障，抑制漏电流）。合成过程涉及在钛酸钡纳米颗粒上依次包覆二氧化硅模板层、介孔有机硅笼模板层，然后利用二氧化硅与有机硅对氢氧根离子化学稳定性的差异，选择性蚀刻掉二氧化硅模板形成空心腔，并移除表面活性剂模板形成介孔，最后再外覆一层致密二氧化硅层。表征手段包括透射电子显微镜（TEM，确认结构）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR，验证有机硅结构）、时间分辨光致发光衰减曲线（证明UCaPT延长了载流子寿命）以及第一性原理计算（证明有机硅笼中的乙烷桥基团作为电荷受体增强了电荷捕获效率）。结果表明，UCaPT纳米球结构均匀，直径约为228纳米，其介电笼结构成功捕获了压电核心产生的电荷，有效抑制了载流子复合，为后续的高效电容电荷存储奠定了基础。
其次，为了获得宏观、柔性且具有高电荷注入能力的刺激器，研究者将UCaPT纳米球通过二维纤维素（two-dimensional cellulose）进行拓扑集成，形成了三维交叉连接的纤维卷结构，即“声电容”（SonocaP）。具体方法是将UCaPT锚定在二维纤维素上，利用氢键和静电相互作用结合，再通过冷冻干燥过程中的冰升华介导收缩，将复合中间体卷曲成三维结构。扫描电子显微镜（SEM）图像证实了其高密度纳米球堆叠的微观结构。该结构赋予了SonocaP极高的比表面积（达3392 m²/g，约为传统电容电极的24倍）和优异的机械柔顺性。电化学性能测试（循环伏安法、电化学阻抗谱）表明，SonocaP在1M Na₂SO₄溶液中的电荷存储密度（837 mC/cm²）远超铂、氮化钛等标准电极材料，并且其在整个频率范围内的阻抗更低，表明界面电荷传输更快。这些特性为高电容电荷密度注入提供了物理基础。
接下来，研究者在模拟体内环境的磷酸盐缓冲液（PBS）中评估了SonocaP在超声波（US）激励下的电荷注入性能。通过拟合等效电路元件CPEₚₑₗ₋ₜ（恒定相位元件，描述电容电荷注入能力）和Rct（电荷转移电阻，描述法拉第电荷注入能力），量化了其电容电荷注入密度。结果表明，在300 kHz、0.63 W/cm²的超声波激励下，SonocaP可实现高达9.7 mC/cm²的电容电荷密度输出，而其产生的法拉第电荷可忽略不计（约2 nC/cm²），远低于现有电容式电极的性能。同时，电子顺磁共振（EPR）检测证实，SonocaP介导的高电荷密度注入过程未产生超氧自由基、羟基自由基和单线态氧等活性氧物种，表明其未引发水电解，确保了刺激的安全性。研究还探讨了二维纤维素质量浓度（w）和UCaPT负载量（k）对器件结构及性能的影响，发现存在最优参数（w=0.12, k=5）以实现最高的电荷注入密度。
在体神经调控效果验证是该研究的核心应用部分。研究者首先在大鼠模型中证明了SonocaP介导的跨颅硬膜外电刺激能够有效调节神经回路动态。他们将SonocaP植入大鼠小脑皮层（Crus I区域）的硬膜外空间，施加经颅超声波（300 kHz, 0.42 W/cm²）。离体实验和建模分析证实，产生的电容电场能够有效穿透硬脑膜，并在生理相关距离（例如，穿透1.5 mm后衰减至不可检测）和侧向扩散范围（约500 µm内）内保持空间分辨率。在体实验结果显示，刺激显著增加了小脑皮层Crus I区域的c-fos阳性神经元数量，并通过丘脑通路抑制了与胡须相关的初级感觉皮层（vS1）和运动皮层（vM1）的活动。电皮质图（ECoG）数据进一步证实了Crus I-丘脑-vM1/vS1回路动态的调整。行为学实验（胡须运动追踪）表明，刺激Crus I能引起同侧胡须静止点的后移，而在药理学失活丘脑后该效应消失，证明了电刺激通过该特定回路对生理功能进行精确调控。此外，研究者构建了海马CA3区注射海人酸（kainic acid）诱导的急性颞叶癫痫（temporal lobe epilepsy）大鼠模型，并将SonocaP植入小脑蚓部硬膜外。结果显示，SonocaP介导的电刺激有效降低了棘慢波（spike-and-wave, SW）发作的强度和持续时间，破坏了大脑两半球之间的癫痫节律超同步化，显著抑制了癫痫发作。
为了应对癫痫发作的不规则性，研究者进一步开发了一套名为“ESTiMx”的闭环硬膜外无线电容电刺激系统。该系统整合了SonocaP、一个无线神经信号传感器和一个自监督超声波生成系统。其核心是一个基于卷积神经网络（CNN）的深度学习模型，该模型使用从颞叶癫痫模型大鼠采集的数千个正常和发作期ECoG信号片段（3秒时长）进行训练，实现了对癫痫发作状态的实时、高精度识别（曲线下面积AUC达97%，总体预测准确率92%）。当模型解码实时ECoG信号并生成高于阈值（0.8）的癫痫发作评分时，系统自动触发超声波激励，从而驱动SonocaP产生抑制性电刺激。在验证实验中，闭环系统平均在癫痫发作后1.23秒内即启动刺激，有效遏制了癫痫放电的扩散。长达4小时的闭环治疗使SW发作的平均持续时间和累计时间减少了93%以上，表明其不仅能延迟或分割发作，更能有效抑制癫痫的病理发展。
研究还系统地评估了SonocaP的生物安全性。长期（14天）硬膜外植入和电刺激并未对大鼠造成运动功能损害，反而在旷场实验、平衡木测试和杆测试中显示出运动能力和协调性的改善，这可能归因于对小脑-辅助运动区回路动态的调节。组织学（苏木精-伊红染色）和免疫荧光（针对星形胶质细胞的GFAP和针对小胶质细胞的Iba1）分析表明，长期植入未引起明显的脑组织缺陷、纤维囊形成、胶质增生或炎症激活，证明了其良好的生物相容性。
最后，为了展示临床转化潜力，研究者在猪（其脑解剖结构与人类更接近）模型中进行了验证。将SonocaP植入猪大脑运动皮层的硬膜外，施加经颅超声波（300 kHz, 0.63 W/cm²）。结果表明，SonocaP介导的硬膜外电刺激成功调节了大脑-脑桥核-小脑回路动态，抑制了小脑皮层神经元的放电率和峰值强度。更重要的是，刺激同时诱导了下游支配的外周神经（左前肢正中神经）的动作电位爆发，并引发了受支配肌肉群的肌电信号增强，这证明了其调控中枢-外周神经回路的潜力，有望应用于外周神经调控，如慢性疼痛治疗和运动康复。
本研究的主要结论是，成功开发了一种基于拓扑集成压电介电纳米球的柔性声电容（SonocaP），它首次实现了无线、高电容电荷密度注入，能够安全、有效地进行跨颅硬膜外闭环神经调制。这项研究的科学价值在于，其独特的核心-空心腔-介电笼纳米结构设计，首次将压电效应与深能级电荷捕获机制结合，实现了高效的“超声波-电容”能量转换与存储，克服了压电材料载流子寿命短、存储能力有限的瓶颈。同时，二维纤维素介导的宏观拓扑集成策略，巧妙地解决了高密度介电材料堆积与高离子可及表面积之间的矛盾，为开发高性能电容式刺激器提供了全新思路。应用价值方面，SonocaP兼具电容刺激的安全性、硬膜外放置的微创性、无线控制的便利性以及生物相容性，为治疗颞叶癫痫等神经系统疾病提供了一种极具前景的新工具。其闭环系统展示了智能化、按需治疗的可行性。在大动物（猪）模型中的成功验证，为其未来走向临床应用奠定了坚实基础。
本研究的亮点在于：1. 材料设计上的重大创新：首创了压电-介电复合纳米球（UCaPT）结构，通过压电-摩擦电混合效应和深能级电荷陷阱，高效实现了超声波到电容的转换与存储。2. 器件性能的突破：SonocaP在安全超声强度下，电容电荷注入密度（9.7 mC/cm²）显著超越现有技术，同时几乎不产生有害的法拉第电荷，兼具高输出与高安全性。3. 应用场景的开拓：首次实现了基于电容原理的无线硬膜外神经调控，并成功用于调控复杂神经回路动态和治疗癫痫，验证了其从基础研究到治疗应用的完整链条。4. 系统集成与智能化：构建了深度融合深度学习的闭环诊断与刺激系统，实现了对癫痫发作的实时识别与精准干预。5. 全面的生物安全性与转化验证：从细胞、大鼠到猪模型，系统评估了器件的功能稳定性、生物相容性及在大型哺乳动物中的有效性，有力支持了其临床转化潜力。此外，研究还探讨了未来发展方向，如微创植入技术、高空间分辨率超声聚焦系统、生物降解性改进以及多模态刺激参数研究，为该领域的后续发展指明了路径。