Selbstversorgender bionischer Cochlea-Basilar-Membran-Sensor mittels Triboelektrischem Nanogenerator für hochauflösende Frequenzselektivität

Zusammenfassung

Sensorineuraler Hörverlust bleibt die häufigste chronische Behinderung und betrifft Menschen jeden Alters. Herkömmliche Cochlea-Implantate sind sperrig, benötigen externe Stromversorgungen und beeinträchtigen den Patientenkomfort. Wir stellen einen neuartigen bionischen Cochlea-Sensor vor, der die frequenzselektive Mechanik der Basilar-Membran nachahmt und akustische Energie über einen triboelektrischen Nanogenerator (TENG) gewinnt. Das Gerät beinhaltet neun trapezförmig angeordnete Silberelektroden auf dualen Polytetrafluorethylen (PTFE) Membranen und erreicht deutliche Resonanzpeaks über das hörbare Spektrum (20–3000 Hz). Sein selbstversorgter Betrieb, abgeleitet aus schallinduzierten Vibrationen, bietet eine kompakte und benutzerfreundliche Alternative für die Hörrehabilitation.

Hintergrund

Weltweit entsteht sensorineuraler Hörverlust durch Alter, Lärmexposition, ototoxische Medikamente und Trauma, was Frequenzdiskrimination und tägliche Kommunikation beeinträchtigt. Die Basilar-Membran der Cochlea trennt Schallwellen nach Frequenz und wandelt mechanische Vibrationen in elektrische Impulse um, die Hörnerven stimulieren. Konventionelle Implantate wandeln akustische Signale über einen externen Prozessor und implantiertes Elektrodenarray in elektrische Pulse um, belasten Patienten jedoch mit sichtbarer Hardware und externen Stromquellen.

Jüngste Mikro- und Nano-skalen Akustiksensoren versuchten, die cochleare Selektivität mittels piezoelektrischer oder Mikrobalken-Technologien nachzubilden, leiden aber unter geringer Spannungsausbeute, komplexer Fertigung und begrenzter Frequenzabdeckung. Triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) bieten eine überzeugende Alternative, da sie mechanische Bewegung in signifikante elektrische Signale mit minimaler Komplexität umwandeln. Ihre Empfindlichkeit gegenüber Frequenzvariationen macht sie ideal für das Design eines selbstversorgten, frequenzselektiven Cochlea-Ersatzes.

Methoden/Experimentell

Das Sensordesign spiegelt die trapezförmige Geometrie der cochlearen Basilar-Membran wider, wodurch die lokale Resonanzfrequenz entlang der Membran verschoben wird. Das Gerät besteht aus zwei 120 mm × 60 mm × 4 mm Acrylplatten mit einem zentralen trapezförmigen Schlitz (Basislinie 30 mm, Oberlinie 10 mm, Höhe 100 mm). Zwei 20 µm dicke PTFE-Membranen, jeweils 120 mm × 60 mm, sind beidseitig eines 20 µm Kapton-Abstandshalters positioniert, der einen schmalen Spalt definiert und den akustischen Druckschwellenwert festlegt. Neun 4 × 8 mm Silberelektroden (≈200 nm dick) werden auf der oberen PTFE-Oberfläche aufgesputtert, nummeriert #1 (unten) bis #9 (oben). Die Elektroden sind im Ebenenabstand 10 mm voneinander entfernt, um minimale mechanische Interferenz zu gewährleisten.

Vibrationsantworten wurden mit einem Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) über 100–3000 Hz gemessen, während die triboelektrische Spannungsausgabe mit einem Vorverstärker und Oszilloskop aufgezeichnet wurde. Ein kalibrierter Lautsprecher lieferte sinusförmige akustische Wellen bei variierenden Drücken. COMSOL Multiphysics Simulationen modellierten Membran-Verschiebungsmuster bei ausgewählten Frequenzen (300 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz) zur Validierung experimenteller Beobachtungen.

Konzeptdiagramm der cochlearen Basilar-Membran und ihrer trapezförmigen Struktur.

Ergebnisse und Diskussion

Steigender Schalldruck verstärkte linear sowohl die Vibrationsamplitude an den Elektroden #2, #5 und #8 als auch die entsprechende triboelektrische Spannung (Abb. 3). Diese Linearität bestätigt die Fähigkeit des Sensors, akustische Intensität durch elektrische Auslesung zu quantifizieren.

Frequenzabhängige Tests zeigten deutliche Resonanzpeaks für jede Elektrode: Elektrode #2 peaked bei 200 Hz, #5 bei 1030 Hz und #8 bei 1850 Hz, mit Spitzenspannungen bis 104 mV. Der Resonanzverschiebung zu höher nummerierten Elektroden mit steigender Frequenz reproduziert die tonotopische Organisation der Basilar-Membran (Abb. 4d). Sowohl Vibrationsamplitude als auch Spannungsausgabe-Spektren überlagerten sich eng, was die duale mechanisch-elektrische Transduktionseffizienz des Sensors unterstreicht.

COMSOL-Simulationen (Abb. 5) demonstrierten, dass die maximale Verschiebung der PTFE-Membran von der Basislinie zur Oberlinie wandert, wenn die Frequenz steigt, was experimentelle Befunde bestätigt. Der triboelektrische Mechanismus wirkt durch Kontaktelektrifizierung zwischen der oberen PTFE und der silberbeschichteten unteren PTFE unter Schalldruck, gefolgt von elektrostatischer Induktion bei der Membrantrennung, wodurch messbare Spannungspulse erzeugt werden (Abb. 6).

Gerätearchitektur: (a) 3D-Ansicht der Schlüsselkomponenten; (b) Draufsicht mit Elektrodennummerierung.

Beziehung zwischen akustischem Druck und (a) Vibrationsamplitude, (b) triboelektrischer Spannung.

Frequenzgang der Elektroden #2, #5 und #8: Vibrationsamplitude (schwarz) und triboelektrische Spannung (rot). (d) Resonanzfrequenz vs. Elektrodennummer.

COMSOL-Simulation der PTFE-Membran-Verschiebung bei 300 Hz, 1000 Hz und 2000 Hz.

Funktionsprinzip: (a) Ruhezustand, (b) Kontaktzustand unter Schall, (c) Trennzustand mit Spannungserzeugung.

Schlussfolgerungen

Wir haben einen selbstversorgten, frequenzselektiven Cochlea-Ersatz demonstriert, der die Mechanik der Basilar-Membran mittels einer trapezförmigen PTFE-Membran, integriert mit einem triboelektrischen Nanogenerator, nachbildet. Das Neun-Elektroden-Array liefert deutliche Resonanzpeaks über den hörbaren Bereich und ermöglicht präzise Frequenzdiskrimination. Experimentelle und Finite-Elemente-Ergebnisse bestätigen, dass lokale Vibrationsamplitude und triboelektrische Spannung bei entsprechenden Frequenzen peaken und die cochleare Tonotopie nachahmen. Diese kostengünstige, implantierbare Plattform bietet eine vielversprechende Alternative zur Behandlung sensorineuralen Hörverlusts ohne externe Stromversorgung oder sperrige Hardware.

Abkürzungen

LDV

Laser-Doppler-Vibrometer Messsystem

PM

Polytetrafluorethylen-Membran

PTFE

Polytetrafluorethylen

TENG

Triboelektrischer Nanogenerator