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在歷史的進程中，對自身脆弱性的認識一直驅動著人類將科學幻想轉化為革命性的生物醫(yī)學技術。步入21世紀，納米技術的進步促使生物醫(yī)學電子產品小型化，這為患者和健康個體帶來了巨大的技術、社會和文化效益。例如，相比于第一代起搏器植入后需要 7 天才能正常工作，患者在植入現(xiàn)代心臟起搏器后第二天即可出院?？芍踩胄⌒蜕镝t(yī)學電子產品已成為個性化健康監(jiān)測和精確治療干預的日益強大的工具。然而，保證植入設備的有效、可持續(xù)的能源供應，以實現(xiàn)較長的使用壽命成為了這些產品應用的關鍵限制之一。利用其穿透皮膚的優(yōu)勢，研究人員最近應用近紅外（NIR）光和光伏電池（PVCs）為皮下植入的生物醫(yī)學設備供電。

在這個背景下，來自吉林大學的汪大洋、程崇嶺等人撰寫了綜述文章，首先討論了當前用于植入式生物醫(yī)學設備的無線供電系統(tǒng)。然后，作者強調了與皮下植入PVCs光利用有關的皮下光收集新進展，并簡要介紹了自然結構著色。最后，作者探討了皮下光收集系統(tǒng)的技術障礙和潛在發(fā)展方向。相關工作以“Bioinspired, Nanostructure-Amplified, Subcutaneous Light Harvesting to Power Implantable Biomedical Electronics”為題于8月6日發(fā)表在《ACS NANO》上。

【植入式生物醫(yī)學設備的無線電力系統(tǒng)】

近場電磁感應最初用于為第一代心臟起搏器供電，然而，由于生物醫(yī)學設備逐漸小型化，傳統(tǒng)的近場電磁感應逐漸不再適用。研究人員隨后利用體內葡萄糖氧化酶或脫氫酶在葡萄糖和氧氣之間進行的催化氧化還原反應作為體內能源為植入設備提供動力。但目前，植入式葡萄糖生物燃料電池存在使用壽命短、電極可能被污染等問題，大規(guī)模應用受到了限制。新興的無線供電方法從體內生物系統(tǒng)的物理、化學、電學和光學現(xiàn)象中收集環(huán)境能量，例如，壓電納米發(fā)電機（PENGs）和摩擦納米發(fā)電機（TENGs）利用納米結構ZnO和其他壓電材料的應變誘導壓電勢或聚四氟乙烯和其他柔性聚合物納米結構薄膜的摩擦電效應收集體內的溫和振動能量。目前，植入式TENGs和PENGs的體內輸出功率分別高達8.44 mW·cm2和3.75 W·cm2，均足支持心臟起搏器的體內供電、程序化給藥等。然而，植入式TENGs和PENGs存在所用材料的生物相容性和生物可降解性引起的安全問題、與組織界面的粘附穩(wěn)定性和應變消除、需進一步對體內溫運動的敏感性等技術難題，對這些難題的解決有利于提高植入式TENGs和PENGs能量利用效率、輸出功率密度和長期可靠性等體內輸出性能。

圖1. 無線供電方法示例

【皮下光收集技術】

目前，對于長期生物醫(yī)學應用而言，在體內收集環(huán)境能量的方法的輸出功率很低（<0.1 mW·cm-2）。因此，從外部來源到植入的生物醫(yī)學設備的能量轉移仍然是一種有效的解決方案，因為它是非侵入性的，并且不針對身體的特定區(qū)域。為此，作者首先總結了利用了光在 650-1350 nm 近紅外光譜區(qū)域內深度穿透活體組織并具有細微吸收的優(yōu)勢，對無線供電生物醫(yī)學植入設備的皮下光采集研究。然而，陽光并不總是可靠的能量來源，室內設備收集的功率可能會從零變化到超過100 W，這需要具備能量緩沖能力來存儲白天產生的過剩能量并確保夜間運行。為了避免這些技術麻煩，人工近紅外光源被著在皮膚外部作為可靠和可控的能量來源，作者總結了相關研究進展。針對皮下 NIR 光采集存在植入的 PVC對透射的NIR光利用效率低、無法使用染料敏化PVC等問題，作者列舉了相關的研究例子。最后，作者列舉了一些海底動物的納米結構誘導結構著色的自然實例。

圖2. 皮下光收集技術示例

圖3. 海底動物結構著色示例

【挑戰(zhàn)與展望】

作者認為與收集環(huán)境無線電、振動或熱能的方法相比，用于植入式生物醫(yī)學電子設備的皮下光收集仍處于起步階段。它未來的成功將取決于皮下植入的 PVC能否如何有效地傳輸和利用NIR光。盡管 NIR 光能夠深入穿透皮膚，但人類皮膚遠比光學半透明基質復雜得多，因此，全面準確地了解表皮、真皮和皮下組織的光學特性對于設計可植入的PVC以及皮下植入至關重要。作者建議構建基于光子晶體、具有強 NIR 發(fā)光納米粒子的后反射器，以提高NIR光傳輸?shù)街踩?PVCs 的利用效率。此外，作者還認為能夠借助于金屬納米結構獨特的表面等離子體特性，構建將 NIR 光傳輸?shù)街踩隤VC 的前置放大器。隨著皮下光收集技術在可植入生物醫(yī)學電子產品方面的進一步發(fā)展，作者認為未來會有更多有關利用先進光子和光電子技術提高植入 PVC 的光利用率的巧妙設計。