自可持续生物电子设备：开启医疗闭环治疗新时代

近日，南京理工大学冯章启教授与香港城市大学Steven Wang副教授合作，在《Nature Reviews Electrical Engineering》发表了一篇题为《A bright future for self-sustainable bioelectronics》的Perspective综述文章，提出自可持续生物电子设备可通过双向互动机制，构建闭环自主调节系统，突破传统单向电刺激治疗的局限，为慢性疾病治疗与组织修复提供创新解决方案。

图 1.自给自足的生物电子学和生物系统之间的相互作用。

从单向到双向：生物电子设备的范式转变

传统生物电子设备依赖固定参数的电流脉冲，无法动态响应组织微环境的时空变化，易导致电刺激惯性，引发炎症、肌肉异常收缩等问题。而自可持续生物电子设备以压电材料为核心，通过将生物体自主运动（如呼吸、心跳）或细胞牵引力转化为同步电信号，实现“按需”电刺激。

研究团队强调，这类设备的革命性在于其双向互动能力：在微观层面，细胞可通过调节自身对压电材料的机械作用（如形成黏着斑）主动触发或规避电刺激；在宏观层面，纳米发电机可将器官运动能量转化为电信号，通过迷走神经等通路反向调节器官功能，形成“生物反馈闭环系统”。例如，细胞分化阶段会选择性触发压电纤维变形，加速分化进程；而膝关节运动驱动的纳米发电机可使啮齿类动物骨折愈合时间从10周缩短至6周。

图 2.细胞-压电材料界面的双向相互作用。

材料挑战与技术创新

文章指出，自可持续生物电子设备的临床转化面临两大核心挑战：信号保真度与长期稳定性。当前压电材料存在“高性能与可降解不可兼得”的矛盾——无机材料（如钛酸钡）压电系数高但不可降解且刚性大；有机材料（如胶原、壳聚糖）虽可降解且柔韧，但压电性能较弱。为此，研究者正通过复合材料（如PVDF/钛酸钡）或分子结构改造（如γ-甘氨酸薄膜）优化性能。此外，磁弹性纳米发电机等新技术通过磁通量变化产电，无需封装即可防水，显著提高了体内稳定性。

未来应用：从组织修复到神经调控

自可持续生物电子设备在多个领域展现出潜力：

· 组织工程：压电支架可加速皮肤创伤、神经损伤、骨缺损的修复，通过调节炎症、促进血管生成与胶原沉积优化愈合过程。

· 神经调节：迷走神经闭环刺激系统通过胃蠕动或动脉搏动驱动，可治疗肥胖、心率失常，并避免传统设备因持续刺激引发的副作用。

· 脑科学与免疫治疗：未来或可通过自适应电刺激精准调控脑区或脊髓神经回路，治疗帕金森病、癫痫，甚至调节免疫反应。

图 3.自可持续生物电子学技术路线图。

智能融合：AI与无线技术的赋能

研究团队提出，下一代设备将融合人工智能与无线传输技术，实现电刺激参数的实时优化与个性化定制。例如，机器学习可分析细胞行为反馈信号，动态调整压电支架结构；无线技术则能减少植入设备的侵入性风险。此外，4D电活性材料的开发有望模拟生物电信号的时间动态，推动“电子药物”（electroceuticals）进入精准医疗时代。

结语

“生物体与机器的边界正在消失，自可持续生物电子设备不仅是工具，更是人体内自主智能网络的一部分。”随着材料科学与纳米技术的进步，这类设备或将在未来十年内重塑慢性病治疗与再生医学的格局。

来源：高分子科学前沿

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