一种用于生物医学应用、具有最大转换效率与可控超声频率的光纤光声发射器

聚焦超声在微创治疗、基因递送、脑刺激等方面备受关注。由于可最小化组织加热与细胞破碎，低于 1 MHz 的频率被认定更利于高效药物递送、基因转染与神经刺激。然而，当前亚兆赫超声技术数毫米的较差空间分辨率与约 25 mm 的大器件直径，严重阻碍其在有效、精准、安全且可穿戴的生物医学研究与临床中的应用。为此，我们报道了一种新型基于光纤的光声发射器 (FOE) 的研制。该 FOE 是一种微型化超声源，由位于直径约 500 微米光纤远端的光扩散涂层与膨胀涂层构成。借助光纤尺寸与所引入的扩散纳米颗粒，FOE 产生的超声展现出亚毫米空间限制。通过选用吸收纳米材料与热膨胀基质，光声转换效率得以最大化。通过使用扩散层作为阻尼材料或修饰膨胀层中的纳米组分，实现了 0.083 MHz 至 5.500 MHz 范围的可控频率。这种亚兆赫频率可控性使 FOE 可用作精准细胞调控的局域超声源。我们展示了具有亚毫米定位与可忽略热沉积的光声细胞膜声孔效应，暗示其广泛的生物医学应用，包括区域特异性药物递送、基因转染以及局域神经元刺激。