5月30日，丹麦科技大学欧亦宇教授团队在Laser & Photonics Reviews 发表综述，介绍了无线植入式光电子设备的主要生物医学应用原理，系统地总结了无线光电生物医学植入物的最新进展，并对各种能量传输技术进行了详细比较，展示了其在未来研究中的应用潜力和发展方向。

背景  

      近年来，随着科学技术的不断发展，无线光电生物医学植入物在临床应用中受到了越来越多的关注。这些植入物在光遗传学、光动力疗法和深层组织生理传感等领域表现出极大的潜力，并且有望在帕金森病、阿尔茨海默病、视觉障碍和癌症等疾病的诊断和治疗中发挥重要作用。然而，如何设计出一种既紧凑又具有生物相容性的系统，将光能有效传递到特定的组织区域，一直是生物医学光电子学面临的主要挑战之一 。

 无线光电植入物的主要生物医学应用 

      光电植入物因其独特的属性，超越了可穿戴或有线设备的限制，使其在生物医学应用中极具优势。例如，光遗传学利用光敏蛋白调控神经信号，通过植入光电设备在精确的大脑区域进行光刺激，从而不受运动限制进行行为研究和治疗神经退行性疾病 。

     光疗法尤其是光动力疗法（PDT），通过光敏剂在光照下激发产生细胞毒性物质，杀死癌细胞。这种疗法已被广泛应用于肿瘤治疗，并通过植入LED设备实现对深层组织肿瘤的治疗。

图1.三类光电植入物的说明，代表(a)系统，其光源在体外，通过光纤传输；b)附着在皮肤上的植入物，通常有线传输电能；c)植入物在体内，利用无线传输为光源供电。

 能量传输技术的进展 

      早期设备主要采用电池或有线解决方案进行供电，而近期的发展则转向基于无线能量传输、动能和光伏收集等替代方法的无线设备，这些方法通常不需要定期更换或维护，也不限制患者的活动 。本综述文章对不同的能量传输技术在电功率、光功率、工作频率、尺寸、重量和工作范围等定量参数方面进行了比较。

 a 近场能量传输  

      感应耦合（磁共振耦合）是一种基于电磁感应的近场能量传输技术。这种方法通过在传输线圈中流动的电流产生磁场，进而在植入接收线圈的两端产生电压。这种方法在低频下操作，能够穿透身体并传输足够的光功率，适用于大多数植入设备 。

图2.电感耦合的能量传递。a)电感耦合的基本工作原理。功率放大器向发射线圈提供一个交流电，该发射线圈产生一个磁场，在接收线圈中产生一个电流，这属于植入装置。在电子转换后（例如，电容器或整流器）后，产生的直流电为系统供电，通常由一个或多个led组成。b)Ausra等人开发的多位点光遗传学、结合光遗传学和热成像学的植入物电气示意图。[66]c)Ausra等人的多位点光遗传植入照片[66])斑胸草雀在实验刺激时可见红外LED的照片。[66].b-e)经许可复制；[66]版权所有2021，Ausra等人。

 b 远场辐射能量传输  

      远场无线能量传输（WPT）利用射频辐射能量，通过天线接收并转换成电流，驱动光源。射频能量传输在功率需求较低时（如光遗传学中的开/关信号）非常有效，且不受对准限制，但设备尺寸和重量相对较大。

图3.辐射能量转移。a、b)辐射能量传递的基本工作原理。能量通过主天线辐射传输，并由二次天线接收，其在组织外分别为(a)或(b)。所产生的电流用于为系统供电。c)Noh等人结合光遗传学和微流控药物传递的爆炸视图。[79] d)植入啮齿类动物大脑的光流控装置的说明。[79] e)用于控制光流控装置的具有两个独立通道的可伸缩天线的假彩色照片。[79] f)设备在射频信号下的照片，LED打开参考文献。[79] g)放大探头的光学图像，显示其灵活性。h)将光流控装置植入到其颅骨上的小鼠的照片。[79]c-h)经许可复制；[79]版权所有2017，WILEY-VCH Verlag GmbH有限公司。

 c 超声波供电  

      通过压电效应将超声波能量转换为电能。这种方法具有较大的组织穿透深度，适用于深层组织的光氧监测和治疗 。

图4.超声波的能量转移。a)超声波能量传递的基本工作原理。由于空气和组织之间的大阻抗不匹配，传输压电换能器必须与组织直接接触。在组织内部，植入的系统具有另一个压电特性，它将能量转换为电能，为系统提供动力。b)Guan等人对PDT和SDT组合的可植入颗粒的摄影。[88]c)柔性电极和颗粒微led的摄影。[88].d)植入物的爆炸视图。e)治疗下抑制肿瘤复发的小鼠摄影[88]f)四组肿瘤体积（每组N=4）。经许可复制。[88]版权所有2022，爱思唯尔有限公司。

 d 动能收集  

      利用人体运动产生的机械能，通过摩擦电效应或压电效应转换为电能。这些技术目前尚处于体外实验等初步研究阶段，在实际医疗应用中的输出功率和可靠性仍需进一步提升。

图5.压电纳米发电机（PENG）。a，b)PENG的基本工作原理，显示松弛时发电机(a)和弯曲时发电机(b)。压电层（淡紫色）夹在两个电极（橙色）之间，其中一个电极附着在柔性基板（蓝色）上，当弯曲时，如果电极连接到电路上，就会产生电流。c)由Liu等人开发的PENG的爆炸结构。[94]d)将生物力学能量从呼吸运动转换为电的PENG示意图，为LED提供体内血糖控制的动力。[94]-g)照片(e)连接到电源管理单元的PENG；f)植入鼠标的单元，LED关闭；g)LED的电源，通过磁性开关激活。[94]c-g)经许可复制；[94]版权所有2022，Liu等人。

图6.摩擦电动纳米发电机（TENG）a、b、c)TENG的工作原理，显示a）松弛结构，b）导体弯曲时接触时的结构，以及c）应力减小时的结构。绝缘层（淡紫色）将两个导电层（蓝色和红色）分开，它们连接到电极（橙色）。当它们接触时，它们会交换电子，当它们被分离时产生电荷。d)Yao等人开发的用于颅内肿瘤治疗的TENG激活的NO-LED的照片。[49]，e)治疗系统的照片。[49] f)有和不有光照射的NO生成；插图显示了不同照射时间的NO检测试剂盒。[49] g)肿瘤接种26天后，5组的肿瘤体积（每组N=6）。d-g)经许可复制；[49]版权所有2022，Wiley-VCH GmbH。

图7.光伏发电的收获。a)光伏采集的基本工作原理。来自光源的照射，无论是天然的还是人工的，都能穿透皮肤组织并到达设备。一种光电二极管将光能转换为电能，该电能可用于为LED器件供电，并发出带有较短波长的光。b)Park等人开发的无线太阳能光遗传装置的爆炸图[111])蓝色LED运行装置的照片；标度= 10 mm。[111] d)装置的柔性蛇形互连，弯曲半径为1.5 mm；标尺=5mm[111])自由行为的小鼠将光遗传装置植入人工草坪上的照片。[111]b-e)经许可复制；[111]版权所有2023，Park等人。

 结论  

      无线光电植入物的研究和应用已取得显著进展，特别是在过去五年内，一些具有里程碑意义的工作得到了发表。未来的研究将继续优化能量收集和传输技术，缩小设备尺寸，提升生物相容性，并探索新的材料和技术以克服当前的挑战。例如，生物燃料电池、热电装置和超级电容器等新兴技术在植入生物电子学中展现出巨大潜力 。

总的来说，无线光电生物医学植入物通过结合先进的微加工技术和材料科学，正逐步实现无电池和无缆束缚的植入系统，为慢性疾病的治疗提供了新的解决方案 。

综上所述，本文探讨了无线植入式光电子设备的最新进展，特别是能量传输技术方面的突破及其在不同生物医学应用中的潜力，展示了未来研究和应用的发展方向。