柔性且可變形的電子材料或器件能夠與心臟或各種具有電可興奮性和機械動態性的組織或器官無縫集成，同時能夠以非遺傳的方式和無需連接的形式有效調節生物功能。這類材料對于從基礎生物學研究、醫療設備開發到臨床治療等多個領域都具有重要意義。通過光進行電刺激（例如利用光電效應）能夠實現無線刺激以及無需基因修飾。近期的研究表明傳統剛性的半導體材料和器件能夠刺激細胞和組織，但這些研究缺乏同時具有類生物組織機械柔軟性和可變形性，又能夠提供足夠光電性能以實現有效心臟刺激的適用材料和器件。值得指出地是，刺激器件在跳動的心臟上應該能夠同時發生形變而不限制心臟其跳動。然而，具備這些綜合特性的材料和器件尚未被開發。

正對這些瓶頸問題，最近，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（University of Illinois Urbana-Champaign）余存江(Cunjiang Yu)教授課題組報道了一種超薄、柔性、可拉伸且自粘附的橡膠生物光電子刺激器（RBOES）可用于無線光電心臟刺激（圖1）。相關研究以“Ultrathin rubbery bio-optoelectronic stimulators for untethered cardiac stimulation” 為題發表在Science Advances上。

圖1. 超薄、柔性、可拉伸且自粘附的橡膠生物光電子刺激器（RBOES）

該RBOES采用雙層結構設計，包括一種由P3HT半導體和SEBS彈性體組成的橡膠半導體納米膜，以及一種透明且可拉伸的金納米網導體（圖2）。這種設計使得RBOES能夠與復雜形狀的活體大鼠心臟的心外膜表面以及變形的豬心臟緊密貼合，同時保持對光的高效響應。實驗表明，超薄納米膜能夠承載比自身重量重90,000倍的水滴。含低wt % P3HT的橡膠半導體納米膜表現出卓越的類橡膠機械柔軟性和低模量。由于液體的表面張力，橡膠半導體納米膜從豬心表面分離時的分離力是納米膜自重的10萬倍以上。RBOES能夠承受20%的機械應變，且在反復拉伸1000次后仍保持優異的光電性能和機械穩定性。

圖2. RBOES的制備。

通過體外和離體實驗驗證，研究團隊證明了RBOES在調控心肌細胞跳動和加速心臟跳動頻率方面的有效性（圖3）。在體外實驗中，RBOES與人誘導多能干細胞來源的心肌細胞（hiPSC-CMs）共同培養，未表現出細胞毒性，且能夠通過光電刺激逐步將心肌細胞的跳動頻率從20-30次/分鐘加速至目標頻率（如30、48或72次/分鐘）。在離體實驗中，RBOES被貼合在體外的大鼠心臟表面，成功將心率從115次/分鐘加速至150次/分鐘，并在刺激停止后依然保持穩定。這些結果證明了RBOES在生物調控和醫療應用中的潛力。

圖3. 體外和離體實驗中， RBOES能夠調控心肌細胞跳動和加速心臟跳動頻率。

該研究的意義不僅在于材料和技術上的創新，還為非遺傳干預方法提供了新思路。RBOES無需遺傳改造即可通過光電刺激調節心臟或其他動態組織的功能，這為開發植入式或可穿戴醫療設備提供了重要基礎。研究團隊展望，未來通過進一步優化設備的微型化和集成化設計，RBOES有望成為臨床心臟治療領域的革命性工具，為心律不齊等疾病的治療提供更高效和舒適的解決方案。

該文章的通訊作者為美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的余存江教授。文章的第一作者是余教授課題組的博士后饒州呂博士，其他主要作者包括余課題組成員Faheem Ershad博士 (將入職美國休斯頓大學助理教授)和現入職于東南大學的管英士教授，美國德州心臟研究所的Fernanda C. Paccola Mesquita博士和Camila Hochman-Mendez教授，賓夕法尼亞州立大學的練小軍(Xiaojun Lian)教授，以及西湖大學的楊健 (Jian Yang)講席教授。

論文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq5061