在历史的进程中，对自身脆弱性的认识一直驱动着人类将科学幻想转化为革命性的生物医学技术。步入21世纪，纳米技术的进步促使生物医学电子产品小型化，这为患者和健康个体带来了巨大的技术、社会和文化效益。例如，相比于第一代起搏器植入后需要 7 天才能正常工作，患者在植入现代心脏起搏器后第二天即可出院。可植入小型生物医学电子产品已成为个性化健康监测和精确治疗干预的日益强大的工具。然而，保证植入设备的有效、可持续的能源供应，以实现较长的使用寿命成为了这些产品应用的关键限制之一。利用其穿透皮肤的优势，研究人员最近应用近红外（NIR）光和光伏电池（PVCs）为皮下植入的生物医学设备供电。

在这个背景下，来自吉林大学的汪大洋、程崇岭等人撰写了综述文章，首先讨论了当前用于植入式生物医学设备的无线供电系统。然后，作者强调了与皮下植入PVCs光利用有关的皮下光收集新进展，并简要介绍了自然结构着色。最后，作者探讨了皮下光收集系统的技术障碍和潜在发展方向。相关工作以“Bioinspired, Nanostructure-Amplified, Subcutaneous Light Harvesting to Power Implantable Biomedical Electronics”为题于8月6日发表在《ACS NANO》上。

【植入式生物医学设备的无线电力系统】

近场电磁感应最初用于为第一代心脏起搏器供电，然而，由于生物医学设备逐渐小型化，传统的近场电磁感应逐渐不再适用。研究人员随后利用体内葡萄糖氧化酶或脱氢酶在葡萄糖和氧气之间进行的催化氧化还原反应作为体内能源为植入设备提供动力。但目前，植入式葡萄糖生物燃料电池存在使用寿命短、电极可能被污染等问题，大规模应用受到了限制。新兴的无线供电方法从体内生物系统的物理、化学、电学和光学现象中收集环境能量，例如，压电纳米发电机（PENGs）和摩擦纳米发电机（TENGs）利用纳米结构ZnO和其他压电材料的应变诱导压电势或聚四氟乙烯和其他柔性聚合物纳米结构薄膜的摩擦电效应收集体内的温和振动能量。目前，植入式TENGs和PENGs的体内输出功率分别高达8.44 mW·cm2和3.75 W·cm2，均足支持心脏起搏器的体内供电、程序化给药等。然而，植入式TENGs和PENGs存在所用材料的生物相容性和生物可降解性引起的安全问题、与组织界面的粘附稳定性和应变消除、需进一步对体内温运动的敏感性等技术难题，对这些难题的解决有利于提高植入式TENGs和PENGs能量利用效率、输出功率密度和长期可靠性等体内输出性能。

图1. 无线供电方法示例

【皮下光收集技术】

目前，对于长期生物医学应用而言，在体内收集环境能量的方法的输出功率很低（<0.1 mW·cm-2）。因此，从外部来源到植入的生物医学设备的能量转移仍然是一种有效的解决方案，因为它是非侵入性的，并且不针对身体的特定区域。为此，作者首先总结了利用了光在 650-1350 nm 近红外光谱区域内深度穿透活体组织并具有细微吸收的优势，对无线供电生物医学植入设备的皮下光采集研究。然而，阳光并不总是可靠的能量来源，室内设备收集的功率可能会从零变化到超过100 W，这需要具备能量缓冲能力来存储白天产生的过剩能量并确保夜间运行。为了避免这些技术麻烦，人工近红外光源被着在皮肤外部作为可靠和可控的能量来源，作者总结了相关研究进展。针对皮下 NIR 光采集存在植入的 PVC对透射的NIR光利用效率低、无法使用染料敏化PVC等问题，作者列举了相关的研究例子。最后，作者列举了一些海底动物的纳米结构诱导结构着色的自然实例。

图2. 皮下光收集技术示例

图3. 海底动物结构着色示例

【挑战与展望】

作者认为与收集环境无线电、振动或热能的方法相比，用于植入式生物医学电子设备的皮下光收集仍处于起步阶段。它未来的成功将取决于皮下植入的 PVC能否如何有效地传输和利用NIR光。尽管 NIR 光能够深入穿透皮肤，但人类皮肤远比光学半透明基质复杂得多，因此，全面准确地了解表皮、真皮和皮下组织的光学特性对于设计可植入的PVC以及皮下植入至关重要。作者建议构建基于光子晶体、具有强 NIR 发光纳米粒子的后反射器，以提高NIR光传输到植入 PVCs 的利用效率。此外，作者还认为能够借助于金属纳米结构独特的表面等离子体特性，构建将 NIR 光传输到植入PVC 的前置放大器。随着皮下光收集技术在可植入生物医学电子产品方面的进一步发展，作者认为未来会有更多有关利用先进光子和光电子技术提高植入 PVC 的光利用率的巧妙设计。