摘要：近年来，生物电子医学（Electroceuticals）迅速发展，为精准调控生理功能提供了新的可能性。传统的电刺激设备，如心脏起搏器和神经调控装置，通常依赖直接电刺激细胞或组织，但其在生物界面上存在机械不匹配、侵入性较强及需要有线连接等局限性。

近年来，生物电子医学（Electroceuticals）迅速发展，为精准调控生理功能提供了新的可能性。传统的电刺激设备，如心脏起搏器和神经调控装置，通常依赖直接电刺激细胞或组织，但其在生物界面上存在机械不匹配、侵入性较强及需要有线连接等局限性。

相比之下，基于能量转换的电刺激设备能够将电能转化为热能或光能，或反向转换，从而实现对生物系统的远程调控，提高治疗的精确性和灵活性。光电化学和电化学方法成为这一领域的重要研究方向，可用于调节肌肉运动、心律控制等生理活动，并在植入式生物电子设备的设计中发挥关键作用（图1）。

2025年3月20，芝加哥大学田博之教授和史久云博士（一作兼通讯）等人在《Nature Reviews Bioengineering》期刊上发表了一篇题为：Implantable bioelectronic devices for photoelectrochemical and electrochemical modulation of cells and tissues的综述文章。该综述探讨了光电化学和电化学调控的基本原理，并介绍利用这些原理开发的可植入生物电子器件。文章还展望了未来能量转换设备在可植入电疗中的应用方向，包括精确的细胞内控制、微创设备部署和活体能量转换系统。

图1：物理系统和生物实体中的能量转化及其对生物调制设备工程的影响。

1. 光电化学过程：通过半导体材料将光能转化为电能或化学能，用于调控细胞活动。光电化学系统利用p-n结或异质结分离光生电荷，生成电场，影响细胞膜电位或触发氧化还原反应。（图2a：光电二极管；图2b：传统p-n结；图2c：基于孔隙的异质结）

2. 化学到电能的转换：燃料电池和电池通过氧化还原反应将化学能转化为电能。燃料电池需要持续消耗燃料，而电池则通过封闭系统中的氧化还原反应存储能量。（图2d：燃料电池；图2e：电池；图2f：生物电池）

3. 电能到化学能的转换：通过电催化反应将电能转化为化学信号，例如将电流转化为一氧化氮（NO）等生物活性分子，用于神经调制。电催化剂通过降低反应活化能提高反应效率。（图2g：法拉第过程；图2h：电容过程；图2i：催化过程）

图2：光电能、化学电能和电化学能转化方法。

1. 光电疗设备：通过光电化学过程将光能转化为电能或化学信号，用于无线、精确地调控细胞和组织功能。这些设备具有非侵入性、轻量化和高效的特点，适用于慢性疼痛、心脏节律调控和炎症调节等应用。（图3a：同轴光电二极管纳米线；图3b：层状无机光电二极管膜；图3c：层状有机光电二极管膜）

2. 纳米级光电疗设备：利用纳米级光电转换器将光转化为局部电流，精确调控单个细胞的电活动。例如，硅纳米线和纳米颗粒可用于生成动作电位和钙离子内流，适用于神经调制和慢性疼痛治疗。（图3a：同轴光电二极管纳米线）

3. 平面光电疗设备：薄膜柔性光电极可适应大脑、视网膜、坐骨神经和心脏等组织，提供更大的电化学电流注入能力。这些设备通过光激活生成内置电场，调控相邻组织的活动。（图3b：层状无机光电二极管膜；图3c：层状有机光电二极管膜）

4. 3D光电疗设备：3D结构的光电疗设备通过更深的组织穿透和更紧密的细胞接口，提供更精确的细胞环境调控。例如，金纳米颗粒修饰的二氧化钛纳米线阵列可用于恢复视网膜退化患者的视觉功能。（图3d：3D二极管阵列；图3e：3D光电晶体管阵列）

5. 挑战与解决方案：光电疗设备的生物相容性和稳定性需要改进，特别是机械性能与软组织的匹配问题。通过超薄柔性设计、孔隙化处理和软涂层技术，可以减少对组织的机械应力并提高设备的长期稳定性。

图3：光电化学构建物在生物系统调制中的应用。

1. 燃料电池：利用人体生物流体（如汗液、泪液和唾液）中的代谢物（如葡萄糖和乳酸）作为能源，通过酶或非酶催化剂驱动氧化还原反应产生电能。这些燃料电池可用于低功率植入式电子设备、实时生物传感和伤口愈合等应用。然而，植入式酶生物燃料电池在生理条件下的长期稳定性面临挑战，如生物污染和酶降解。（图4a：非酶植入式葡萄糖响应燃料电池；图4b：自供电电子皮肤）

2. 镁基电池：镁基电池因其轻量化和生物相容性，在神经调制和离子电渗疗法中显示出潜力。镁在阳极氧化，氧气在阴极还原，产生电能。然而，镁基电极在体内的腐蚀速率较高，可能导致氢气产生和镁阳极钝化。（图4c：穿戴式离子电渗贴片；图4d：自供电可降解神经修复设备）

3. 锌基电池：锌基电池具有较高的功率密度和较低的腐蚀速率，适用于神经结构的电刺激。锌在阳极氧化，氧气在阴极还原，产生电能。锌-氧电池已用于促进大鼠坐骨神经的再生。（图4e：植入式管状锌-空气电池）

4. 仿生电池：模仿电鳗的发电机制，通过堆叠具有离子梯度的水凝胶液滴产生电能。这些仿生电源可用于神经刺激、组织再生和植入式传感器等应用。

图4：化学电能转化系统在生物系统调制中的应用。

1. 电催化生成生物活性分子：通过电催化反应生成一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）等生物活性分子，用于神经调制和细胞信号传导。例如，铁硫化物和铂基催化剂可将二氧化氮（NO₂⁻）还原为一氧化氮（NO），用于局部细胞信号激活。（图5a：NO生成的电催化系统）

2. 电催化水分解：通过电催化水分解产生氧气和氢气，用于组织氧合和代谢调控。例如，无线无电池设备可通过水分解为移植细胞提供氧气，增强其存活和功能。（图5b：现场电催化氧气生成设备）

3. 代谢途径调控：电催化可用于直接调控代谢途径，例如通过电化学生成的活性氧（ROS）调节基因表达和胰岛素分泌，用于糖尿病治疗。（图5c：电刺激诱导基因表达；图5d：糖尿病管理中的电遗传框架）

4. 药物递送：电化学机制可用于精确控制药物释放，例如通过电腐蚀阀门结构释放药物，或通过电泳和离子电渗技术递送神经活性物质，用于疼痛缓解和癫痫治疗。

图5：电化学能转化在生物系统调制中的应用。

1. 精确的细胞内控制：通过电催化过程直接调控细胞内信号传导，例如通过调节线粒体的氧化磷酸化或电子传递链（如复合物I和IV）来调控细胞呼吸和氧化应激，从而治疗糖尿病和代谢综合征等疾病。（图6a：线粒体靶向纳米传感器）

2. 电遗传CRISPR系统：在细菌模型中开发的电遗传CRISPR系统，通过氧化还原介体将电子信号转化为生物信号，精确控制CRISPR-based的基因表达，例如生成特定蛋白质或代谢物。（图6b：电控CRISPR-based转录调控）

3. 无缝集成和微创设备部署：通过可注射水凝胶电极、基因靶向化学组装和导电聚合物等技术，实现生物调制设备的微创植入和与生物组织的无缝集成。例如，水凝胶电极可用于治疗心室心律失常，而导管式设备可用于心脏刺激器的微创植入。（图6c：可注射水凝胶电极；图6d：微创设备部署）

4. 基因靶向化学组装（GTCA）：通过基因表达触发酶促聚合反应，在神经元表面形成导电或绝缘聚合物，实现与神经网络的精确接口，减少组织损伤和细胞毒性。（图6e：基因靶向化学组装）

5. 超越生物电子调制的能量转换：探索光热材料、热电、磁弹性等能量转换技术，用于无电池生物传感器和非侵入性治疗。此外，生物复合材料（如光合作用物质）可用于光能到化学能的转换，促进组织再生。（图6f：活体生物电子学）

图6：提高生物电子设备的控制与集成。

人物简介

田博之，芝加哥大学助理教授，美国医学与生物工程院院士（2024）。1998年保送复旦大学化学系本硕连读，师从赵东元院士，2004年破格获博士学位。随后获哈佛大学全额奖学金，师从查尔斯·李波院士，并于MIT从事博士后研究。曾获斯隆研究奖（2016）、美国青年科学家总统奖（2016）。研究方向涵盖人造细胞交互、细胞组织纳电子、仿生纳米材料与设备开发，在国际顶级期刊发表多篇论文。

参考文献：

来源：高分子科学前沿