6月2日，上海科技大学生物医学工程学院程冰冰课题组联合哈尔滨工业大学裴延波课题组在《通讯-工程》（Communications Engineering）上发表题为“Acoustic Hologram-enabled Simultaneous Multi-Target Blood-Brain Barrier Opening (AH-SiMBO)”的研究论文，报道了一种基于声学全息技术的无创脑部药物递送方法的开发，首次实现小鼠脑内“双平面、多靶点”血脑屏障的精准、安全、同步开放，为解决脑部疾病多靶点同步治疗难题提供了高效且经济的新策略（见图1）。
图1：基于声学全息超表面的多靶点血脑屏障同步开放示意图。
血脑屏障是保护大脑的重要生理屏障，但其高度选择性也限制了大多数药物进入脑组织。聚焦超声结合微泡可以局部、瞬时地打开血脑屏障，但传统的多靶点聚焦超声血脑屏障开放通常需要依次辐照各个脑区，治疗时间长。相控阵超声系统可实现多靶点同步开放，但其系统复杂性高且制作成本高昂。
该研究采用迭代角谱法设计声学全息超表面，并通过低成本的3D打印制作，结合单阵元平面波超声换能器，成功实现多个不同深度的超声精准聚焦（见图2a）。研究还系统分析了声全息超表面的聚焦性能与波束转向能力，展示了该技术在轴向与横向上的精确波束操控潜力（见图2b，c）。
图2：声全息超表面聚焦性能及波束转向能力展示。a. 焦距分别为10毫米、20毫米和30毫米的全息超表面声场仿真与测试结果。b. 全息超表面相较换能器平移10毫米和20毫米声场仿真与测试结果。c. 全息超表面相较换能器旋转15度和30度声场仿真与测试结果。
研究团队进一步设计了具备任意多靶点聚焦能力的声全息结构（见图3a），针对需要多脑区干预的神经系统疾病（如癫痫、AD、脑肿瘤等），选取双侧海马体与内侧隔核为目标脑区，在小鼠中成功实现了在单次超声辐照下的双平面三靶点血脑屏障同步开放。通过引入振幅调制算法，成功将各焦点之间的声压差异降至10%以下（见图3b），确保了多靶点血脑屏障开放效果的一致性。荧光成像、MRI、免疫组化及组织学分析显示，血脑屏障开放精准且无明显副作用，验证了该方法的安全性与稳定性（见图3c）。
图3：基于声学全息超表面的小鼠脑内多靶点血脑屏障同步开放。a. 迭代角谱法设计多焦点声全息超表面流程图。b. 双平面三焦点全息超表面声场仿真与测试结果。c. 荧光成像、MRI、免疫组化及组织学分析结果。
该研究提供了一种高效且低成本的新型声学全息方案，在聚焦超声介导的脑部药物递送与神经调控等领域具有广泛的应用前景。
程冰冰教授和哈尔滨工业大学裴延波教授为论文共同通讯作者，2023级硕士研究生姚鑫雅为第一作者，上海科技大学为第一完成单位。上海科技大学分子影像平台、实验动物平台和超算中心对该工作提供了技术帮助。
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