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      5月30日，丹麥科技大學歐亦宇教授團隊在Laser & Photonics Reviews 發(fā)表綜述，介紹了無線植入式光電子設備的主要生物醫(yī)學應用原理，系統(tǒng)地總結了無線光電生物醫(yī)學植入物的最新進展，并對各種能量傳輸技術進行了詳細比較，展示了其在未來研究中的應用潛力和發(fā)展方向。

背景  

      近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，無線光電生物醫(yī)學植入物在臨床應用中受到了越來越多的關注。這些植入物在光遺傳學、光動力療法和深層組織生理傳感等領域表現出極大的潛力，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，如何設計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)學光電子學面臨的主要挑戰(zhàn)之一 。

 無線光電植入物的主要生物醫(yī)學應用 

      光電植入物因其獨特的屬性，超越了可穿戴或有線設備的限制，使其在生物醫(yī)學應用中極具優(yōu)勢。例如，光遺傳學利用光敏蛋白調控神經信號，通過植入光電設備在精確的大腦區(qū)域進行光刺激，從而不受運動限制進行行為研究和治療神經退行性疾病 。

     光療法尤其是光動力療法（PDT），通過光敏劑在光照下激發(fā)產生細胞毒性物質，殺死癌細胞。這種療法已被廣泛應用于腫瘤治療，并通過植入LED設備實現對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，利用無線傳輸為光源供電。

 能量傳輸技術的進展 

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

 a 近場能量傳輸  

      感應耦合（磁共振耦合）是一種基于電磁感應的近場能量傳輸技術。這種方法通過在傳輸線圈中流動的電流產生磁場，進而在植入接收線圈的兩端產生電壓。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，適用于大多數植入設備 。

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)射線圈提供一個交流電，該發(fā)射線圈產生一個磁場，在接收線圈中產生一個電流，這屬于植入裝置。在電子轉換后（例如，電容器或整流器）后，產生的直流電為系統(tǒng)供電，通常由一個或多個led組成。b)Ausra等人開發(fā)的多位點光遺傳學、結合光遺傳學和熱成像學的植入物電氣示意圖。[66]c)Ausra等人的多位點光遺傳植入照片[66])斑胸草雀在實驗刺激時可見紅外LED的照片。[66].b-e)經許可復制；[66]版權所有2021，Ausra等人。

 b 遠場輻射能量傳輸  

      遠場無線能量傳輸（WPT）利用射頻輻射能量，通過天線接收并轉換成電流，驅動光源。射頻能量傳輸在功率需求較低時（如光遺傳學中的開/關信號）非常有效，且不受對準限制，但設備尺寸和重量相對較大。

圖3.輻射能量轉移。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)。所產生的電流用于為系統(tǒng)供電。c)Noh等人結合光遺傳學和微流控藥物傳遞的爆炸視圖。[79] d)植入嚙齒類動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獨立通道的可伸縮天線的假彩色照片。[79] f)設備在射頻信號下的照片，LED打開參考文獻。[79] g)放大探頭的光學圖像，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)經許可復制；[79]版權所有2017，WILEY-VCH Verlag GmbH有限公司。

 c 超聲波供電  

      通過壓電效應將超聲波能量轉換為電能。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)測和治療 。

圖4.超聲波的能量轉移。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。在組織內部，植入的系統(tǒng)具有另一個壓電特性，它將能量轉換為電能，為系統(tǒng)提供動力。b)Guan等人對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)治療下抑制腫瘤復發(fā)的小鼠攝影[88]f)四組腫瘤體積（每組N=4）。經許可復制。[88]版權所有2022，愛思唯爾有限公司。

 d 動能收集  

      利用人體運動產生的機械能，通過摩擦電效應或壓電效應轉換為電能。這些技術目前尚處于體外實驗等初步研究階段，在實際醫(yī)療應用中的輸出功率和可靠性仍需進一步提升。

圖5.壓電納米發(fā)電機（PENG）。a，b)PENG的基本工作原理，顯示松弛時發(fā)電機(a)和彎曲時發(fā)電機(b)。壓電層（淡紫色）夾在兩個電極（橙色）之間，其中一個電極附著在柔性基板（藍色）上，當彎曲時，如果電極連接到電路上，就會產生電流。c)由Liu等人開發(fā)的PENG的爆炸結構。[94]d)將生物力學能量從呼吸運動轉換為電的PENG示意圖，為LED提供體內血糖控制的動力。[94]-g)照片(e)連接到電源管理單元的PENG；f)植入鼠標的單元，LED關閉；g)LED的電源，通過磁性開關激活。[94]c-g)經許可復制；[94]版權所有2022，Liu等人。

圖6.摩擦電動納米發(fā)電機（TENG）a、b、c)TENG的工作原理，顯示a）松弛結構，b）導體彎曲時接觸時的結構，以及c）應力減小時的結構。絕緣層（淡紫色）將兩個導電層（藍色和紅色）分開，它們連接到電極（橙色）。當它們接觸時，它們會交換電子，當它們被分離時產生電荷。d)Yao等人開發(fā)的用于顱內腫瘤治療的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間的NO檢測試劑盒。[49] g)腫瘤接種26天后，5組的腫瘤體積（每組N=6）。d-g)經許可復制；[49]版權所有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，無論是天然的還是人工的，都能穿透皮膚組織并到達設備。一種光電二極管將光能轉換為電能，該電能可用于為LED器件供電，并發(fā)出帶有較短波長的光。b)Park等人開發(fā)的無線太陽能光遺傳裝置的爆炸圖[111])藍色LED運行裝置的照片；標度= 10 mm。[111] d)裝置的柔性蛇形互連，彎曲半徑為1.5 mm；標尺=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)經許可復制；[111]版權所有2023，Park等人。

 結論  

      無線光電植入物的研究和應用已取得顯著進展，特別是在過去五年內，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，縮小設備尺寸，提升生物相容性，并探索新的材料和技術以克服當前的挑戰(zhàn)。例如，生物燃料電池、熱電裝置和超級電容器等新興技術在植入生物電子學中展現出巨大潛力 。

總的來說，無線光電生物醫(yī)學植入物通過結合先進的微加工技術和材料科學，正逐步實現無電池和無纜束縛的植入系統(tǒng)，為慢性疾病的治療提供了新的解決方案 。

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