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
本文亮点
非基因光电生物界面通过实现精确的生物刺激和监测，彻底改变了医疗保健。
关键方法包括纳米结构光电转导器、微图案化阵列和薄膜柔性电极。
未来的进展将整合成像技术，开发无线设备，并创建多功能治疗，变革患者护理。
作者：赵月棠
审核：方 俊
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00030-6
引用格式
Majmudar, A., Kim, S., Li, P. et al. Perspectives on non-genetic optoelectronic modulation biointerfaces for advancing healthcare. Med-X 2, 18 (2024). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00030-6
作者简介
Aman Majmudar，在芝加哥大学获得法律、文学与社会学士学位，主修科学传播。他曾在Tian研究小组和James Frank研究所协助进行生物电子学研究。他为《哈佛公共卫生》、《新科学家》、《Slate》、《科学家》和《Undark Magazine》撰写过有关科学和健康政策的文章。
Pengju Li，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的博士生和哈珀奖学金获得者。他的研究领域为将电子和光电材料融入转化生物医学应用，如神经和心脏刺激，以开发微创医疗治疗。Li博士获得了生物物理科学创新研究的格里尔奖。他还在2024年被评为《麻省理工科技评论》亚太地区35岁以下的创新者（TR35）。
Bozhi Tian，美国芝加哥大学化学系教授。研究重点是开发用于生物电子学的创新材料，以及利用基于半导体的技术探索亚细胞生物物理学和软硬界面动力学。Tian教授获得了众多荣誉，包括Raymond and Beverly Sackler International国际物理科学奖、Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers（PECASE）奖，并于2012年被《麻省理工科技评论》评为35岁以下的创新者（TR35）。
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Med-X 期刊发文聚焦生物医学工程领域，包括但不限于以下10个前沿专题：分子与细胞工程，生物材料与组织工程，药物、基因和细胞输送系统，免疫工程，生物力学与机械生物学，生物热科学与工程，生物医学仪器与生物传感器，医学机器人、人工智能和远程医疗，生物医学影像学，生物信息学和计算生物学等。
