导读

光电生物界面的进展彻底改变了医疗保健，使得对细胞、组织和器官的靶向刺激和监测成为可能。光刺激作为一项关键应用，能够精确控制生物过程，超越传统调节方法，具备更高的空间分辨率和更低的侵入性。本研究探讨了三种非基因光电光刺激的方法：用于细胞刺激的纳米结构光电转导器、用于组织刺激的微图案化光电极阵列，以及用于多尺度刺激的薄膜柔性光电极。纳米结构光电转导器能够在细胞或亚细胞层面提供局部刺激，促进细胞治疗和再生医学。微图案化光电极阵列提供精确的组织刺激，对于靶向治疗干预至关重要。薄膜柔性光电极结合了灵活性和生物相容性，适用于可扩展的医疗应用。除了神经调节，光电生物界面在心脏病学、肿瘤学、伤口愈合以及内分泌和呼吸疗法方面也展现了潜力。未来的方向包括将这些设备与先进成像和反馈系统整合，开发适用于长期使用的无线生物相容设备，以及创建将光刺激与其他疗法结合的多功能设备。通过这些生物界面，光与电子的结合为创新、低侵入性和更精确的医疗治疗铺平了道路，预示着在各个医疗领域对患者护理的变革性影响。

01. 主要内容

图1. 三种光电调制生物界面。a 纳米结构光电转导器；b 微图案化阵列；c 薄膜柔性光电极。箭头突出显示了光刺激的位置。

图2. 基于纳米线的光电调制界面传感器。a-b 硅纳米线用于脊髓背角的神经调节；a 近红外（NIR）光刺激脊髓背角神经元上的纳米线，增强了网络活动。GCaMP7f 在脊髓背角（DH）的记录，荧光水平以假色显示：t = 0，基线荧光（前100帧的最大投影）；t = 120，刺激期间（激光点用红圈突出显示）；t = 140，刺激后100帧的最大投影；b GluA2抗体功能化将纳米线靶向到背角的兴奋性通路。插图：表达神经元GCaMP7f（绿色）的脊髓神经元与GluA2功能化纳米线（红色）孵育的共聚焦图像。GCaMP7f荧光瞬态示例显示在功能化纳米光电转导器（nPDs）的光刺激下网络活动显著增加；c-d 镀金TiO2纳米线阵列植入用于研究盲鼠的空间分辨率和感受野。c 体外膜片钳记录的示意图，配有光栅刺激；d 视觉诱发电位（VEP）记录的示意图。

图3. 微图案化光电系统用于调制界面。a-d 光伏阵列和体外实验设置；a 单个光伏假体模块的图像，由70微米宽的像素组成，像素之间有5微米的沟槽，以1毫米宽的六边形模式排列，邻近行之间相距65微米。比例尺：右上角65微米；左下角500微米；b 70微米宽像素的特写图像。比例尺50微米；c 每个像素的接线图，包括两个到三个串联连接的光电二极管，连接在中央主动电极（1）和周围回路电极（2）之间；d 健康大鼠视网膜的示意图，透明多电极阵列（MEA）记录来自神经节细胞层（GCL），与光伏阵列（PVA）相连。可见光激活光感受器（PR），而更亮的脉冲近红外（NIR，880-915 nm）照明在光伏像素中产生双相电流脉冲，刺激内核层（INL）中的细胞；e-g 可折叠的光伏宽视场视网膜假体；e 制造的PDMS界面和圆顶形PDMS支撑的3D模型；f 将PDMS界面粘合到PDMS支撑后视网膜假体的3D模型；g POLYRETINA在视网膜上皮配置中的图像。

图4. 单片光电系统用于调制界面。a 最小侵入性闭胸调制方法。示意图表示通过肋间隙切口，然后通过导管输送硅设备（i），随后进行光纤光刺激（ii）；b 在活猪心脏上的转化光刺激。示意图描绘了一个成年猪在开放胸腔心脏起搏实验中的设置。该设置包括健康监测站、麻醉通气系统、激光源控制工作站和连接到心外膜柔性多电极阵列（MEA）的记录中心；c OEPC在体内无线刺激坐骨神经。示意图展示了体内植入OEPC光刺激实验。比例尺1厘米。插图详细说明了CIP袖带在神经周围的放置，主要p-n光电极（−）和周围（+）回路电极。

02. 光电调制设备在生物医学应用中的未来方向

图5. 光电调制生物界面的现状与未来方向