Zelfgevoede bionische cochleaire basilar-membraan sensor met triboelectriche nanogenerator voor hoge-frequentie selectiviteit

Samenvatting

Sensorineurale gehoorverlies blijft de meest voorkomende chronische invaliditeit, die mensen van alle leeftijden treft. Traditionele cochleaire implants zijn voluminous, vereisen externe voeding en beperken het comfort van de patiënt. We introduceren een nieuwe bionische cochleaire sensor die de frequentie-selectieve mechanica van de basilar-membraan naboots en akoestische energie ophaalt via een triboelectriche nanogenerator (TENG). Het apparaat bevat negen trapeziumvormig gerangschikte zilverelektroden op dubbele polytetrafluoroetheen (PTFE) membranen, wat resulteert in duidelijke resonantiepieken over het hoorbare spectrum (20–3000 Hz). De zelfgevoede werking, afgeleid van geluidsgeïnduceerde trillingen, biedt een compacte en gebruiksvriendelijke alternatief voor gehoorrevalidatie.

Achtergrond

Wereldwijde sensorineurale gehoorverlies ontstaat door leeftijd, lawaaiblootstelling, ototoxische geneesmiddelen en trauma, wat frequentiediscriminatie en dagelijkse communicatie aantast. De cochleaire basilar-membraan scheidt geluidsgolven per frequentie en vertaalt mechanische trillingen naar elektrische impulsen die de gehoorzenuwen stimuleren. Conventionele implants converteren akoestische signalen naar elektrische pulsen via een externe processor en geïmplanteerde elektrode-array, maar belasten patiënten met zichtbare hardware en externe bronnen.

Recente micro- en nano-schalige akoestische sensoren hebben geprobeerd de cochleaire selectiviteit na te bootsen met piezoelectrische of microbalk technologieën, maar lijden onder lage spanningsuitgang, complexe fabricatie en beperkte frequentiedekking. Triboelectriche nanogeneratoren (TENGs) bieden een overtuigend alternatief, waarbij mechanische beweging omgezet wordt in significante elektrische signalen met minimale complexiteit. Hun gevoeligheid voor frequentievariaties maakt ze ideaal voor het ontwerpen van een zelfgevoede, frequentie-selectieve cochleaire vervanger.

Methoden/Experimenteel

Het sensorontwerp spiegelt de trapeziumvormige geometrie van de cochleaire basilar-membraan weer, waardoor de lokale resonantiefrequentie verschuift langs de membraan. Het apparaat bestaat uit twee 120 mm × 60 mm × 4 mm acrylaat platen met een centrale trapeziumvormige spleet (basislijn 30 mm, toplijn 10 mm, hoogte 100 mm). Twee 20 µm-dikke PTFE-membranen, elk 120 mm × 60 mm, worden aan weerszijden van een 20 µm Kapton-afstandhouder geplaatst, wat een smalle gat definieert en de akoestische drukdrempel stelt. Negen 4 × 8 mm zilverelektroden (≈200 nm dik) worden gesputter-afgezet op het bovenste PTFE-oppervlak, genummerd #1 (onder) tot #9 (boven). De elektroden liggen 10 mm uit elkaar in het vlak, wat minimale mechanische interferentie garandeert.

Trillingsrespons werd gemeten met een laser-Doppler vibrometer (LDV) over 100–3000 Hz, terwijl de triboelectriche spanningsuitgang werd vastgelegd met een voorversterker en oscilloscoop. Een gekalibreerde luidspreker leverde sinusoidale akoestische golven bij variërende drukken. COMSOL Multiphysics-simulaties modeleerden membraan-verplaatsingspatronen bij geselecteerde frequenties (300 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz) om experimentele waarnemingen te valideren.

Conceptueel diagram van de cochleaire basilar-membraan en haar trapeziumvormige structuur.

Resultaten en discussie

Toenemende geluidsdruk versterkte lineair zowel de trillingsamplitude bij elektroden #2, #5 en #8 als de corresponderende triboelectriche spanning (Fig. 3). Deze lineariteit bevestigt de capaciteit van de sensor om akoestische intensiteit te kwantificeren via elektrische uitlezing.

Frequentie-afhankelijke tests onthulden duidelijke resonantiepieken voor elke elektrode: elektrode #2 piekte bij 200 Hz, #5 bij 1030 Hz en #8 bij 1850 Hz, met piekspanningen tot 104 mV. De resonantieverschuiving naar hogere elektroden met toenemende frequentie reproduceert de tonotopische organisatie van de basilar-membraan (Fig. 4d). Zowel trillingsamplitude als spanningsspectra overlappen nauw, wat de dubbele mechanisch-elektrische transductie-efficiëntie van de sensor benadrukt.

COMSOL-simulaties (Fig. 5) toonden aan dat de maximale verplaatsing van het PTFE-membraan verschuift van de basislijn naar de toplijn naarmate de frequentie stijgt, wat de experimentele bevindingen bevestigt. Het triboelectriche mechanisme werkt door contactelektrificatie tussen het bovenste PTFE en het zilver-gelakte onderste PTFE onder geluidsdruk, gevolgd door electrostatische inductie toen de membranen uiteengaan, wat meetbare spanningspulsen genereert (Fig. 6).

Apparaatarchitectuur: (a) 3-D weergave van belangrijke componenten; (b) bovenaanzicht met electrodenummering.

Relatie tussen akoestische druk en (a) trillingsamplitude, (b) triboelectriche spanning.

Frequentierespons van elektroden #2, #5 en #8: trillingsamplitude (zwart) en triboelectriche spanning (rood). (d) Resonantiefrequentie vs. electrodennummer.

COMSOL-simulatie van PTFE-membraan verplaatsing bij 300 Hz, 1000 Hz en 2000 Hz.

Werkingsprincipe: (a) rusttoestand, (b) contacttoestand onder geluid, (c) scheidingstoestand genererende spanning.

Conclusies

We hebben een zelfgevoede, frequentie-selectieve cochleaire surrogaat gedemonstreerd dat de mechanica van de basilar-membraan repliceert met behulp van een trapeziumvormig PTFE-membraan geïntegreerd met een triboelectriche nanogenerator. De negen-elektrode array biedt duidelijke resonantiepieken over het hoorbare bereik, wat nauwkeurige frequentiediscriminatie mogelijk maakt. Experimentele en finite-element resultaten bevestigen dat lokale trillingsamplitude en triboelectriche spanning pieken bij corresponderende frequenties, wat de cochleaire tonotopie naboots. Dit laagkostige, implant-gereed platform biedt een veelbelovend alternatief voor de behandeling van sensorineurale gehoorverlies zonder de noodzaak voor externe voeding of voluminieuze hardware.

Afkortingen

LDV

Laser-Doppler vibrometer meetsysteem

PM

Polytetrafluoroetheen-membraan

PTFE

Polytetrafluoroetheen

TENG

Triboelectriche nanogenerator