植入式生物電子系統(tǒng)是推進(jìn)精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控治療的核心，但現(xiàn)有技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。臨床應(yīng)用的植入式神經(jīng)刺激器（如美敦力Activa PC）體積龐大，其中超過(guò)40%的空間被電池占據(jù)，這不僅限制了設(shè)備微型化，也增加了手術(shù)更換的風(fēng)險(xiǎn)。為了擺脫電池依賴，研究人員開(kāi)發(fā)了基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的無(wú)電池神經(jīng)刺激器，但它們依賴人體不穩(wěn)定且不可控的機(jī)械能或熱能，響應(yīng)性和長(zhǎng)期可靠性不足。近年來(lái)，利用可見(jiàn)光和近紅外光進(jìn)行光激活神經(jīng)刺激為無(wú)線精準(zhǔn)調(diào)控提供了新途徑，然而，組織對(duì)光的強(qiáng)烈吸收、散射以及體外光源與植入設(shè)備之間難以避免的對(duì)準(zhǔn)偏差，嚴(yán)重影響了刺激的可靠性和精度。

近日，中國(guó)人民大學(xué)王亞培教授課題組成功開(kāi)發(fā)了一種由第二近紅外光激活的無(wú)電池神經(jīng)刺激技術(shù)。該技術(shù)核心在于集成了光熱-熱電能量轉(zhuǎn)換層與一種特殊的廣角無(wú)透鏡聚光器。這種受北極罌粟花朵啟發(fā)的聚光器，能夠高效收集生物組織深部的散射光與非準(zhǔn)直光，克服了現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)入射角度的依賴。協(xié)同的光熱-熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制有效利用了擴(kuò)散的1064納米近紅外二區(qū)激光，并實(shí)現(xiàn)了器件的顯著小型化，獲得了極高的電壓-體積輸出比。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其生物相容性，以及精確激活青蛙神經(jīng)、調(diào)控肢體運(yùn)動(dòng)的能力。在兔子模型中，皮下植入的設(shè)備能在脈沖式近紅外二區(qū)激光照射下，立即觸發(fā)坐骨神經(jīng)的電刺激。這項(xiàng)工作為光控神經(jīng)調(diào)控建立了一個(gè)穩(wěn)健且微創(chuàng)的新范式。相關(guān)論文以“NIR-II Light-Activated Neurostimulation Enabled by Broad-Angle Light Concentrating”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)從北極罌粟的花瓣結(jié)構(gòu)中汲取靈感，設(shè)計(jì)出廣角二次曲面聚光層。模擬與實(shí)驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)凸透鏡，在聚光效率、體積壓縮和角度容錯(cuò)性方面表現(xiàn)卓越。它能將入射光更均勻地匯聚至能量轉(zhuǎn)換層，即使在30度入射角或15度散射角的不利條件下，仍能保持高效的集光能力，為在復(fù)雜生物光學(xué)環(huán)境中穩(wěn)定工作奠定了基礎(chǔ)。

圖1 | 由1064納米近紅外二區(qū)激光激活的神經(jīng)刺激。 (a) 由1064納米近紅外二區(qū)激光激活的植入式光熱-熱電神經(jīng)刺激裝置示意圖。 (b) 基于光熱-熱電轉(zhuǎn)換的四層神經(jīng)刺激裝置結(jié)構(gòu)。 (c) 北極罌粟的花朵結(jié)構(gòu)，其可將陽(yáng)光匯聚至花蕊以促進(jìn)種子成熟。 (d) 熱電層響應(yīng)溫度變化產(chǎn)生的負(fù)載電壓變化。

圖2 | 神經(jīng)刺激聚光光路的優(yōu)化。 (a) 通過(guò)光學(xué)模擬得到的拋物線反射器聚焦激光功率分布的縱向截面圖。 (b) 不同焦距凸透鏡與BAQC層在軸向高度、體積及聚光功率/總高度方面的比較。 (c) 測(cè)試不同入射角下各種近紅外二區(qū)光聚焦策略性能的方法。 (d) 各種近紅外二區(qū)光聚焦策略的歸一化激光功率。 (e) 在不同入射角及不同光學(xué)優(yōu)化條件下，PT-TE層接收到的近紅外二區(qū)光強(qiáng)分布：(i) BAQC層，(ii) 焦距32毫米透鏡，(iii) 焦距71毫米透鏡。 (f) 模擬近紅外二區(qū)光在生物組織內(nèi)散射后的非準(zhǔn)直光匯聚情況（錐形散射角α為15度）。 (g) 在散射角為15度、入射角為0度時(shí)，各種光學(xué)聚光策略的性能比較（數(shù)據(jù)以α和θ均為0時(shí)BAQC組的光強(qiáng)進(jìn)行歸一化）。

為實(shí)現(xiàn)高效的近紅外二區(qū)光能轉(zhuǎn)換，研究人員設(shè)計(jì)并制備了選擇性吸收的光熱涂層。該多層結(jié)構(gòu)在近紅外二區(qū)具有高吸收率，同時(shí)在紅外波段保持低發(fā)射率，從而提升了光熱轉(zhuǎn)換效率。涂層與熱電晶體結(jié)合，構(gòu)成了厚度不足2毫米的能量轉(zhuǎn)換層。該層能在激光照射下快速產(chǎn)生溫度變化，并通過(guò)熱電效應(yīng)將溫度變化率直接轉(zhuǎn)換為高幅值的電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刺激電流的精準(zhǔn)時(shí)空調(diào)控。

圖3 | 能量轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)與表征。 (a) 光熱-熱電層的結(jié)構(gòu)。插圖：選擇性吸收光熱層的截面SEM圖，從上至下分別為79納米厚的SiO?層、179納米厚的Ni/Al?O?復(fù)合層和156納米厚的Ni基底。 (b) 光熱層的發(fā)射率光譜，展示了選擇性吸收特性，并與300K黑體輻射的輻照度進(jìn)行比較。 (c) 光熱-熱電層照片（光熱層涂覆于鉭酸鋰上）。比例尺：5.0毫米。 (d) 近紅外二區(qū)光照射60秒下光熱-熱電層的紅外圖像。 (e) 照射60秒后光熱-熱電層縱向截面的空間溫度分布，x-z和y-z投影平面上的陰影部分對(duì)應(yīng)PT-TE層的投影。激光功率：0.5瓦。 (f) 不同近紅外二區(qū)激光功率下光熱-熱電層的溫升情況。 (g) 不同功率的近紅外二區(qū)激光開(kāi)關(guān)照射下光熱-熱電層的溫度變化。

為確保生物安全，器件底部集成了PDMS隔熱層。有限元分析顯示，4毫米厚的PDMS層能有效阻隔熱量向生物組織傳遞，將界面熱流密度降至安全范圍。細(xì)胞相容性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，帶有PDMS保護(hù)的器件在激光照射下，能將培養(yǎng)液溫度和熱損傷累積量控制在安全閾值內(nèi)，顯著保護(hù)了周邊細(xì)胞的活性。

圖4 | 近紅外二區(qū)光激活神經(jīng)刺激的信號(hào)輸出與保護(hù)。 (a) 通過(guò)控制溫度變化得到的光熱-熱電層輸出電流。 (b) 開(kāi)關(guān)近紅外二區(qū)激光激活的PT-PE器件的輸出電流密度。 (c) 不同功率激光照射下的輸出電流密度（數(shù)據(jù)點(diǎn)為對(duì)應(yīng)功率下六個(gè)穩(wěn)定周期峰值的平均值，陰影區(qū)高度代表標(biāo)準(zhǔn)差）。 (d) 不同厚度PDMS墊層的PT-PE器件在1.0瓦近紅外二區(qū)激光照射1分鐘后的預(yù)測(cè)溫度分布（上排為側(cè)向，下排為底部溫度分布）。 (e) 1.0瓦近紅外二區(qū)激光照射60秒后，不同厚度PDMS墊層對(duì)應(yīng)的底部溫度與熱通量。 (f,g) 光熱-熱電層(f)和PT-PE器件(g)在開(kāi)關(guān)1.0瓦/平方厘米近紅外二區(qū)激光照射下的溫度變化，紅色區(qū)域代表超過(guò)43℃（可能對(duì)L929細(xì)胞有害）的溫度。 (h) 計(jì)算得到的(f)和(g)在有/無(wú)光照條件下的CEM43值比較。 (i) 不同處理后，L929細(xì)胞用鈣黃綠素-AM（綠色）和碘化丙啶（紅色）共染色的共聚焦熒光圖像。比例尺：200微米。

在功能演示中，該神經(jīng)刺激器件成功驅(qū)動(dòng)了液晶顯示器，并通過(guò)整流儲(chǔ)能電路積累了足夠點(diǎn)亮LED的電能。在離體青蛙坐骨神經(jīng)-腓腸肌模型中，器件輸出的電脈沖能可靠地引起肌肉節(jié)律性收縮。在兔子活體實(shí)驗(yàn)中，皮下植入的器件在1赫茲脈沖激光觸發(fā)下，能有效刺激坐骨神經(jīng)并記錄到下游肌肉的電生理信號(hào)，平均響應(yīng)延遲約為39.8毫秒。組織病理學(xué)分析顯示，該刺激方案未對(duì)表皮、真皮及鄰近肌肉造成熱損傷，神經(jīng)本身也未觀察到明顯損傷，證明了其良好的生物相容性與安全性。

圖5 | 近紅外二區(qū)光激活神經(jīng)刺激的電刺激性能。 (a) 使用近紅外二區(qū)光激活神經(jīng)刺激驅(qū)動(dòng)LCD的示意圖及(b)對(duì)應(yīng)照片。 (c) 整流器電路示意圖。 (d) 器件整流后的輸出電流密度。 (e) 器件整流輸出對(duì)不同電容充電的電壓曲線。 (f) 使用近紅外二區(qū)光激活神經(jīng)刺激對(duì)青蛙腿部施加電刺激的示意圖。 (g,h) 青蛙腿部電刺激期間腓腸肌底部高度變化(g)及照片(h)。

圖6 | PT-PE器件在兔子體內(nèi)的神經(jīng)調(diào)控。 (a) 通過(guò)近紅外二區(qū)激光控制使用PT-PE器件刺激兔子坐骨神經(jīng)的示意圖。 (b) (i) PT-PE器件皮下植入兔子體內(nèi)的照片；(ii) 器件的超聲圖像，標(biāo)注區(qū)域代表器件的理論輪廓。比例尺：(i) 5.0厘米，(ii) 5.0毫米。 (c) 用1赫茲近紅外二區(qū)激光照射時(shí)，在坐骨神經(jīng)上檢測(cè)到的電位變化（深紅色）及PT-PE器件的直接輸入（淺紅色）。 (d) 近紅外二區(qū)激光照射前后，兔子坐骨神經(jīng)電位變化的頻譜圖。 (e,f) 濾波后的兔子坐骨神經(jīng)信號(hào)（使用FFT濾波濾除40赫茲以上信號(hào)）。 (g) 神經(jīng)電位信號(hào)峰值相對(duì)于PT-PE器件輸入信號(hào)峰值的延遲（誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)差）。 (h) 皮膚淺層、肌肉朝向面及肌肉淺層組織的H&E染色：(i) 正常組織，(ii) 植入位點(diǎn)附近的皮膚和肌肉組織。比例尺：20.0微米。

總之，這項(xiàng)研究通過(guò)仿生聚光與光熱-熱電轉(zhuǎn)換的巧妙集成，開(kāi)發(fā)出一種微型化、無(wú)電池、可由近紅外二區(qū)光無(wú)線精準(zhǔn)調(diào)控的神經(jīng)刺激平臺(tái)。它有效解決了植入式系統(tǒng)光能輸送的角度依賴與散射難題，并實(shí)現(xiàn)了刺激信號(hào)的光學(xué)調(diào)制，為下一代用于神經(jīng)修復(fù)、感覺(jué)假體和閉環(huán)生物電子醫(yī)學(xué)的植入式設(shè)備奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。盡管目前的集成設(shè)計(jì)在柔性方面尚有局限，未來(lái)通過(guò)模塊化光學(xué)設(shè)計(jì)、材料創(chuàng)新和能量轉(zhuǎn)換架構(gòu)的優(yōu)化，有望進(jìn)一步拓展無(wú)線光驅(qū)動(dòng)神經(jīng)接口的應(yīng)用前景。