5月30日，丹麥科技大學(xué)歐亦宇教授團(tuán)隊(duì)在Laser & Photonics Reviews 發(fā)表綜述，介紹了無(wú)線植入式光電子設(shè)備的主要生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用原理，系統(tǒng)地總結(jié)了無(wú)線光電生物醫(yī)學(xué)植入物的最新進(jìn)展，并對(duì)各種能量傳輸技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)比較，展示了其在未來研究中的應(yīng)用潛力和發(fā)展方向。

背景  

      近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線光電生物醫(yī)學(xué)植入物在臨床應(yīng)用中受到了越來越多的關(guān)注。這些植入物在光遺傳學(xué)、光動(dòng)力療法和深層組織生理傳感等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力，并且有望在帕金森病、阿爾茨海默病、視覺障礙和癌癥等疾病的診斷和治療中發(fā)揮重要作用。然而，如何設(shè)計(jì)出一種既緊湊又具有生物相容性的系統(tǒng)，將光能有效傳遞到特定的組織區(qū)域，一直是生物醫(yī)學(xué)光電子學(xué)面臨的主要挑戰(zhàn)之一 。

 無(wú)線光電植入物的主要生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 

      光電植入物因其獨(dú)特的屬性，超越了可穿戴或有線設(shè)備的限制，使其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中極具優(yōu)勢(shì)。例如，光遺傳學(xué)利用光敏蛋白調(diào)控神經(jīng)信號(hào)，通過植入光電設(shè)備在精確的大腦區(qū)域進(jìn)行光刺激，從而不受運(yùn)動(dòng)限制進(jìn)行行為研究和治療神經(jīng)退行性疾病 。

     光療法尤其是光動(dòng)力療法（PDT），通過光敏劑在光照下激發(fā)產(chǎn)生細(xì)胞毒性物質(zhì)，殺死癌細(xì)胞。這種療法已被廣泛應(yīng)用于腫瘤治療，并通過植入LED設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)深層組織腫瘤的治療。

圖1.三類光電植入物的說明，代表(a)系統(tǒng)，其光源在體外，通過光纖傳輸；b)附著在皮膚上的植入物，通常有線傳輸電能；c)植入物在體內(nèi)，利用無(wú)線傳輸為光源供電。

 能量傳輸技術(shù)的進(jìn)展 

      早期設(shè)備主要采用電池或有線解決方案進(jìn)行供電，而近期的發(fā)展則轉(zhuǎn)向基于無(wú)線能量傳輸、動(dòng)能和光伏收集等替代方法的無(wú)線設(shè)備，這些方法通常不需要定期更換或維護(hù)，也不限制患者的活動(dòng) 。本綜述文章對(duì)不同的能量傳輸技術(shù)在電功率、光功率、工作頻率、尺寸、重量和工作范圍等定量參數(shù)方面進(jìn)行了比較。

 a 近場(chǎng)能量傳輸  

      感應(yīng)耦合（磁共振耦合）是一種基于電磁感應(yīng)的近場(chǎng)能量傳輸技術(shù)。這種方法通過在傳輸線圈中流動(dòng)的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而在植入接收線圈的兩端產(chǎn)生電壓。這種方法在低頻下操作，能夠穿透身體并傳輸足夠的光功率，適用于大多數(shù)植入設(shè)備 。

圖2.電感耦合的能量傳遞。a)電感耦合的基本工作原理。功率放大器向發(fā)射線圈提供一個(gè)交流電，該發(fā)射線圈產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，在接收線圈中產(chǎn)生一個(gè)電流，這屬于植入裝置。在電子轉(zhuǎn)換后（例如，電容器或整流器）后，產(chǎn)生的直流電為系統(tǒng)供電，通常由一個(gè)或多個(gè)led組成。b)Ausra等人開發(fā)的多位點(diǎn)光遺傳學(xué)、結(jié)合光遺傳學(xué)和熱成像學(xué)的植入物電氣示意圖。[66]c)Ausra等人的多位點(diǎn)光遺傳植入照片[66])斑胸草雀在實(shí)驗(yàn)刺激時(shí)可見紅外LED的照片。[66].b-e)經(jīng)許可復(fù)制；[66]版權(quán)所有2021，Ausra等人。

 b 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射能量傳輸  

      遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線能量傳輸（WPT）利用射頻輻射能量，通過天線接收并轉(zhuǎn)換成電流，驅(qū)動(dòng)光源。射頻能量傳輸在功率需求較低時(shí)（如光遺傳學(xué)中的開/關(guān)信號(hào)）非常有效，且不受對(duì)準(zhǔn)限制，但設(shè)備尺寸和重量相對(duì)較大。

圖3.輻射能量轉(zhuǎn)移。a、b)輻射能量傳遞的基本工作原理。能量通過主天線輻射傳輸，并由二次天線接收，其在組織外分別為(a)或(b)。所產(chǎn)生的電流用于為系統(tǒng)供電。c)Noh等人結(jié)合光遺傳學(xué)和微流控藥物傳遞的爆炸視圖。[79] d)植入嚙齒類動(dòng)物大腦的光流控裝置的說明。[79] e)用于控制光流控裝置的具有兩個(gè)獨(dú)立通道的可伸縮天線的假彩色照片。[79] f)設(shè)備在射頻信號(hào)下的照片，LED打開參考文獻(xiàn)。[79] g)放大探頭的光學(xué)圖像，顯示其靈活性。h)將光流控裝置植入到其顱骨上的小鼠的照片。[79]c-h)經(jīng)許可復(fù)制；[79]版權(quán)所有2017，WILEY-VCH Verlag GmbH有限公司。

 c 超聲波供電  

      通過壓電效應(yīng)將超聲波能量轉(zhuǎn)換為電能。這種方法具有較大的組織穿透深度，適用于深層組織的光氧監(jiān)測(cè)和治療 。

圖4.超聲波的能量轉(zhuǎn)移。a)超聲波能量傳遞的基本工作原理。由于空氣和組織之間的大阻抗不匹配，傳輸壓電換能器必須與組織直接接觸。在組織內(nèi)部，植入的系統(tǒng)具有另一個(gè)壓電特性，它將能量轉(zhuǎn)換為電能，為系統(tǒng)提供動(dòng)力。b)Guan等人對(duì)PDT和SDT組合的可植入顆粒的攝影。[88]c)柔性電極和顆粒微led的攝影。[88].d)植入物的爆炸視圖。e)治療下抑制腫瘤復(fù)發(fā)的小鼠攝影[88]f)四組腫瘤體積（每組N=4）。經(jīng)許可復(fù)制。[88]版權(quán)所有2022，愛思唯爾有限公司。

 d 動(dòng)能收集  

      利用人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能，通過摩擦電效應(yīng)或壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能。這些技術(shù)目前尚處于體外實(shí)驗(yàn)等初步研究階段，在實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用中的輸出功率和可靠性仍需進(jìn)一步提升。

圖5.壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）。a，b)PENG的基本工作原理，顯示松弛時(shí)發(fā)電機(jī)(a)和彎曲時(shí)發(fā)電機(jī)(b)。壓電層（淡紫色）夾在兩個(gè)電極（橙色）之間，其中一個(gè)電極附著在柔性基板（藍(lán)色）上，當(dāng)彎曲時(shí)，如果電極連接到電路上，就會(huì)產(chǎn)生電流。c)由Liu等人開發(fā)的PENG的爆炸結(jié)構(gòu)。[94]d)將生物力學(xué)能量從呼吸運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電的PENG示意圖，為L(zhǎng)ED提供體內(nèi)血糖控制的動(dòng)力。[94]-g)照片(e)連接到電源管理單元的PENG；f)植入鼠標(biāo)的單元，LED關(guān)閉；g)LED的電源，通過磁性開關(guān)激活。[94]c-g)經(jīng)許可復(fù)制；[94]版權(quán)所有2022，Liu等人。

圖6.摩擦電動(dòng)納米發(fā)電機(jī)（TENG）a、b、c)TENG的工作原理，顯示a）松弛結(jié)構(gòu)，b）導(dǎo)體彎曲時(shí)接觸時(shí)的結(jié)構(gòu)，以及c）應(yīng)力減小時(shí)的結(jié)構(gòu)。絕緣層（淡紫色）將兩個(gè)導(dǎo)電層（藍(lán)色和紅色）分開，它們連接到電極（橙色）。當(dāng)它們接觸時(shí)，它們會(huì)交換電子，當(dāng)它們被分離時(shí)產(chǎn)生電荷。d)Yao等人開發(fā)的用于顱內(nèi)腫瘤治療的TENG激活的NO-LED的照片。[49]，e)治療系統(tǒng)的照片。[49] f)有和不有光照射的NO生成；插圖顯示了不同照射時(shí)間的NO檢測(cè)試劑盒。[49] g)腫瘤接種26天后，5組的腫瘤體積（每組N=6）。d-g)經(jīng)許可復(fù)制；[49]版權(quán)所有2022，Wiley-VCH GmbH。

圖7.光伏發(fā)電的收獲。a)光伏采集的基本工作原理。來自光源的照射，無(wú)論是天然的還是人工的，都能穿透皮膚組織并到達(dá)設(shè)備。一種光電二極管將光能轉(zhuǎn)換為電能，該電能可用于為L(zhǎng)ED器件供電，并發(fā)出帶有較短波長(zhǎng)的光。b)Park等人開發(fā)的無(wú)線太陽(yáng)能光遺傳裝置的爆炸圖[111])藍(lán)色LED運(yùn)行裝置的照片；標(biāo)度= 10 mm。[111] d)裝置的柔性蛇形互連，彎曲半徑為1.5 mm；標(biāo)尺=5mm[111])自由行為的小鼠將光遺傳裝置植入人工草坪上的照片。[111]b-e)經(jīng)許可復(fù)制；[111]版權(quán)所有2023，Park等人。

 結(jié)論  

      無(wú)線光電植入物的研究和應(yīng)用已取得顯著進(jìn)展，特別是在過去五年內(nèi)，一些具有里程碑意義的工作得到了發(fā)表。未來的研究將繼續(xù)優(yōu)化能量收集和傳輸技術(shù)，縮小設(shè)備尺寸，提升生物相容性，并探索新的材料和技術(shù)以克服當(dāng)前的挑戰(zhàn)。例如，生物燃料電池、熱電裝置和超級(jí)電容器等新興技術(shù)在植入生物電子學(xué)中展現(xiàn)出巨大潛力 。

總的來說，無(wú)線光電生物醫(yī)學(xué)植入物通過結(jié)合先進(jìn)的微加工技術(shù)和材料科學(xué)，正逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)電池和無(wú)纜束縛的植入系統(tǒng)，為慢性疾病的治療提供了新的解決方案 。

綜上所述，本文探討了無(wú)線植入式光電子設(shè)備的最新進(jìn)展，特別是能量傳輸技術(shù)方面的突破及其在不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛力，展示了未來研究和應(yīng)用的發(fā)展方向。