柔性且可变形的电子材料或器件能够与心脏或各种具有电可兴奋性和机械动态性的组织或器官无缝集成，同时能够以非遗传的方式和无需连接的形式有效调节生物功能。这类材料对于从基础生物学研究、医疗设备开发到临床治疗等多个领域都具有重要意义。通过光进行电刺激（例如利用光电效应）能够实现无线刺激以及无需基因修饰。近期的研究表明传统刚性的半导体材料和器件能够刺激细胞和组织，但这些研究缺乏同时具有类生物组织机械柔软性和可变形性，又能够提供足够光电性能以实现有效心脏刺激的适用材料和器件。值得指出地是，刺激器件在跳动的心脏上应该能够同时发生形变而不限制心脏其跳动。然而，具备这些综合特性的材料和器件尚未被开发。
正对这些瓶颈问题，最近，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）余存江(Cunjiang Yu)教授课题组报道了一种超薄、柔性、可拉伸且自粘附的橡胶生物光电子刺激器（RBOES）可用于无线光电心脏刺激（图1）。相关研究以“Ultrathin rubbery bio-optoelectronic stimulators for untethered cardiac stimulation” 为题发表在Science Advances上。
图1. 超薄、柔性、可拉伸且自粘附的橡胶生物光电子刺激器（RBOES）
该RBOES采用双层结构设计，包括一种由P3HT半导体和SEBS弹性体组成的橡胶半导体纳米膜，以及一种透明且可拉伸的金纳米网导体（图2）。这种设计使得RBOES能够与复杂形状的活体大鼠心脏的心外膜表面以及变形的猪心脏紧密贴合，同时保持对光的高效响应。实验表明，超薄纳米膜能够承载比自身重量重90,000倍的水滴。含低wt % P3HT的橡胶半导体纳米膜表现出卓越的类橡胶机械柔软性和低模量。由于液体的表面张力，橡胶半导体纳米膜从猪心表面分离时的分离力是纳米膜自重的10万倍以上。RBOES能够承受20%的机械应变，且在反复拉伸1000次后仍保持优异的光电性能和机械稳定性。
图2. RBOES的制备。
通过体外和离体实验验证，研究团队证明了RBOES在调控心肌细胞跳动和加速心脏跳动频率方面的有效性（图3）。在体外实验中，RBOES与人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）共同培养，未表现出细胞毒性，且能够通过光电刺激逐步将心肌细胞的跳动频率从20-30次/分钟加速至目标频率（如30、48或72次/分钟）。在离体实验中，RBOES被贴合在体外的大鼠心脏表面，成功将心率从115次/分钟加速至150次/分钟，并在刺激停止后依然保持稳定。这些结果证明了RBOES在生物调控和医疗应用中的潜力。
图3. 体外和离体实验中， RBOES能够调控心肌细胞跳动和加速心脏跳动频率。
该研究的意义不仅在于材料和技术上的创新，还为非遗传干预方法提供了新思路。RBOES无需遗传改造即可通过光电刺激调节心脏或其他动态组织的功能，这为开发植入式或可穿戴医疗设备提供了重要基础。研究团队展望，未来通过进一步优化设备的微型化和集成化设计，RBOES有望成为临床心脏治疗领域的革命性工具，为心律不齐等疾病的治疗提供更高效和舒适的解决方案。
该文章的通讯作者为美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的余存江教授。文章的第一作者是余教授课题组的博士后饶州吕博士，其他主要作者包括余课题组成员Faheem Ershad博士 (将入职美国休斯顿大学助理教授)和现入职于东南大学的管英士教授，美国德州心脏研究所的Fernanda C. Paccola Mesquita博士和Camila Hochman-Mendez教授，宾夕法尼亚州立大学的练小军(Xiaojun Lian)教授，以及西湖大学的杨健 (Jian Yang)讲席教授。
论文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq5061
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