自持續(xù)生物電子具有生理同步功能，能夠與不斷變化的生理狀態(tài)保持一致。它們可以滿足細(xì)胞和組織所需的可變功能需求來避免持續(xù)恒定刺激引起的生物惰性，因而在慢性疾病的長期治療中是一種極具前景的解決方案。然而，從傳統(tǒng)觀點來看，自持續(xù)生物電子仍被視為一種單向刺激方案，其中細(xì)胞和組織被動地對傳遞給它們的電信號做出反應(yīng)，而它們的主動作用，即允許細(xì)胞/組織根據(jù)生長和發(fā)育要求自主改變電刺激，尚未得到充分認(rèn)識。鑒于此，南京理工大學(xué)馮章啟教授團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)并提出自持續(xù)生物電子雙向互作機制：細(xì)胞/組織可根據(jù)自身發(fā)育需求，通過調(diào)整黏著斑、細(xì)胞骨架和組織形態(tài)，自主調(diào)節(jié)自持續(xù)生物電子裝置電子參數(shù)，從而形成一個時變型的生理微環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用以獲得最佳的細(xì)胞/組織發(fā)育電調(diào)控效果。

圖1 自持續(xù)生物電子裝置與生物系統(tǒng)之間的雙向互作。

作者指出，自持續(xù)生物電子裝置在微觀細(xì)胞層面和宏觀器官層面均存在雙向相互作用（見圖1）。

在細(xì)胞尺度上，壓電材料構(gòu)建了一個獨特的機電耦合平臺，能夠?qū)⒓?xì)胞產(chǎn)生的微小牽引力轉(zhuǎn)化為同步的電信號，這些信號可被細(xì)胞用于調(diào)控自身行為。然而，傳統(tǒng)觀點往往忽視了細(xì)胞力驅(qū)動的壓電刺激與常規(guī)外源性電刺激在調(diào)節(jié)細(xì)胞生理活動方面的差異，僅將壓電刺激視為傳統(tǒng)電刺激的替代品，用于實現(xiàn)無電池和無電極的功能。但這種傳統(tǒng)觀點難以解釋一些細(xì)胞的“趨利避害”行為。例如，細(xì)胞會通過調(diào)節(jié)自身的牽引力來選擇性地觸發(fā)或避免壓電材料的形變，從而有選擇性地產(chǎn)生壓電刺激，以規(guī)避過早或過度電刺激可能帶來的不利影響。基于此，作者提出壓電材料與細(xì)胞之間的相互作用并非單向的（即細(xì)胞被動接受刺激），而是一種雙向的、按需調(diào)控的動態(tài)過程。在這個過程中，壓電材料實際上充當(dāng)了將細(xì)胞的生理需求與電刺激相聯(lián)系的橋梁。借助壓電材料，細(xì)胞能夠建立起一個反饋系統(tǒng)，根據(jù)生理微環(huán)境的變化和自身需求動態(tài)地調(diào)制壓電信號（見圖2）。這種調(diào)制不僅涉及壓電信號的有無，還包括信號的強度和頻率，使細(xì)胞能夠自主、實時地創(chuàng)造出最優(yōu)的刺激參數(shù)。

目前，細(xì)胞與壓電材料在不同階段的動態(tài)相互作用過程尚未被充分揭示。深入理解細(xì)胞-壓電材料界面之間動態(tài)相互作用隨時間的演變，對于揭示潛在機制以及調(diào)控細(xì)胞治療反應(yīng)至關(guān)重要。因此，在本文中，我們將動態(tài)雙向相互作用過程根據(jù)細(xì)胞行為的變化劃分為四個階段：細(xì)胞感知、粘附、相互作用和反饋調(diào)節(jié)，以全面且準(zhǔn)確地了解壓電材料如何協(xié)助細(xì)胞實現(xiàn)按需調(diào)制。在感知階段，細(xì)胞通過絲狀偽足主動探測周圍微環(huán)境。此時，細(xì)胞尚未感知壓電材料的機械行為，也幾乎不會觸發(fā)其變形。隨后，周圍微環(huán)境中的粘附蛋白分子開始到達(dá)并聚集在壓電材料表面，與細(xì)胞膜上的整合素相互作用，通過形成成熟的粘著斑（FA），在細(xì)胞與壓電材料之間建立起穩(wěn)定的粘附。值得注意的是，F(xiàn)A并非靜態(tài)存在，而是動態(tài)復(fù)合物，不斷形成與分離，促使細(xì)胞產(chǎn)生牽引力，推動細(xì)胞骨架持續(xù)向前運動。因此，在成熟FA形成之前，細(xì)胞相對于壓電材料以“滑動”方式運動，二者界面之間并無相互作用。相反，當(dāng)成熟FA產(chǎn)生時，細(xì)胞轉(zhuǎn)為“牽引”模式移動，從而能夠感知壓電材料的力學(xué)行為，進(jìn)而誘導(dǎo)壓電電位刺激。同時，跨膜受體（如鈣粘蛋白和整合素）作為機械敏感蛋白，可感知微環(huán)境變化，并通過機械轉(zhuǎn)導(dǎo)將其傳遞給細(xì)胞，機械轉(zhuǎn)導(dǎo)隨后將機械刺激轉(zhuǎn)化為生化信號。最終，細(xì)胞通過改變FA的空間構(gòu)象來調(diào)節(jié)牽引力，從而根據(jù)反饋信號調(diào)節(jié)壓電信號。

由此產(chǎn)生的壓電刺激能夠可控地開啟或關(guān)閉電敏感的門控離子通道（如鈣離子、鈉離子、鉀離子等），誘導(dǎo)細(xì)胞骨架運動，并根據(jù)需要加速可溶性因子分泌及基質(zhì)沉積，進(jìn)而激活相應(yīng)基因通路，自主調(diào)節(jié)從細(xì)胞周期、遷移、增殖和分化到神經(jīng)傳導(dǎo)、肌肉收縮、胚胎發(fā)生和組織再生等一系列生物過程。細(xì)胞與壓電材料之間的雙向相互作用在幫助細(xì)胞迅速適應(yīng)動態(tài)微環(huán)境以及避免早期電刺激對細(xì)胞擴(kuò)散和粘附的不利影響方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。最為重要的是，細(xì)胞牽引力觸發(fā)的按需電刺激提供了一種生物反饋功能，能夠有效消除棘手的電刺激誘導(dǎo)生物慣性，而傳統(tǒng)連續(xù)、恒定振幅的電刺激通常難以實現(xiàn)這一效果。

圖2 細(xì)胞-壓電材料界面的雙向相互作用。

在器官尺度上，納米發(fā)電機（涵蓋壓電、摩擦、磁彈以及壓電離子等多種類型）構(gòu)建了一種宏觀的機電轉(zhuǎn)換平臺。該平臺能夠?qū)⒆灾魃窠?jīng)系統(tǒng)調(diào)控的器官節(jié)律性運動轉(zhuǎn)化為同步的電脈沖，進(jìn)而直接刺激生物系統(tǒng)的靶向部位。從直觀角度來看，由器官運動驅(qū)動納米發(fā)電機所產(chǎn)生的電信號被視為一種自供電的刺激方案，然而它們所具備的生物反饋功能往往被人們所忽視。實際上，生物力學(xué)節(jié)律（例如心跳、呼吸、消化器官蠕動、肌肉變形以及關(guān)節(jié)運動等）蘊含著大量源自自主神經(jīng)系統(tǒng)的生理信息，尤其是與實時的生理或病理狀況密切相關(guān)。因此，當(dāng)受到這些生物力學(xué)運動的驅(qū)動時，納米發(fā)電機產(chǎn)生的電信號能夠與內(nèi)源性神經(jīng)響應(yīng)的微妙變化保持實時同步。此外，本團(tuán)隊近年來的一些研究表明，呼吸運動驅(qū)動的納米發(fā)電機可以產(chǎn)生與迷走神經(jīng)脈沖峰值包絡(luò)高度同步的仿生電信號，從而獲得了自體神經(jīng)信號的內(nèi)在生物反饋特征。本文探討了利用納米發(fā)電機產(chǎn)生的自持續(xù)電刺激的治療應(yīng)用，并著重強調(diào)了電刺激信號在治療不同器官/組織疾病時的特異性。這些治療應(yīng)用可以劃分為兩種類型：直接治療和間接治療。

直接療法指的是同一器官系統(tǒng)既提供生物驅(qū)動力，同時也是治療的靶點。器官/組織可以通過納米發(fā)電機平臺實現(xiàn)持續(xù)的自我治療配置，無需外部干預(yù)。在這種情況下，納米發(fā)電機和器官/組織之間的關(guān)系類似于自然界中廣泛存在的共生系統(tǒng)。當(dāng)受到不同器官運動的驅(qū)動時，納米發(fā)電機產(chǎn)生的電刺激信號可以攜帶來自靶器官系統(tǒng)的豐富生理/病理信息，使電刺激信號自動對不同器官疾病具有天然特異性。這一優(yōu)點使得納米發(fā)電機更容易用于臨床治療，因為產(chǎn)生的電刺激可能幾乎不需要針對不同器官疾病或個體進(jìn)行人工調(diào)整或設(shè)置。

間接治療則是指納米發(fā)電機產(chǎn)生的電刺激直接用于刺激靶神經(jīng)來治療疾病。由于體內(nèi)的內(nèi)臟器官或組織與神經(jīng)系統(tǒng)具有廣泛的神經(jīng)連接，刺激調(diào)節(jié)器官生理/病理狀況的靶神經(jīng)提供了另一種創(chuàng)新的治療方法。在這種情況下，它將形成一個閉環(huán)電治療系統(tǒng)，其中器官/組織運動提供驅(qū)動力源，而相關(guān)的神經(jīng)不僅作為治療靶點，而且能夠通過神經(jīng)回路對器官/組織進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。迄今為止，基于納米發(fā)電機的自持續(xù)電神經(jīng)調(diào)控主要應(yīng)用于迷走神經(jīng)系統(tǒng)，這是由于迷走神經(jīng)系統(tǒng)與內(nèi)臟器官有直接的神經(jīng)連接，并調(diào)節(jié)許多生理行為。電刺激迷走神經(jīng)治療相關(guān)疾病正成為一種有前景的非藥物治療策略，幾乎不會導(dǎo)致頑固性藥物依賴。除了迷走神經(jīng)，這種治療方式也有望進(jìn)一步用于外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，以治療運動相關(guān)或神經(jīng)退行性疾病。例如，最近的研究表明，能夠自動同步不斷變化的大腦狀態(tài)的電刺激療法對帕金森病和癲癇等疾病具有更有效的治療效果。因此，可以預(yù)見，借助納米發(fā)電機建立的自持續(xù)電刺激來調(diào)節(jié)脊髓和大腦的目標(biāo)區(qū)域，可以喚起特定的神經(jīng)回路反應(yīng)，以遠(yuǎn)程調(diào)控病理狀況或功能障礙。

自持續(xù)生物電子設(shè)備的出現(xiàn)標(biāo)志著可穿戴和可植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備領(lǐng)域取得了重大進(jìn)步，并將引領(lǐng)電子醫(yī)療的新時代。然而，諸如穩(wěn)定性、耐用性、準(zhǔn)確性和高侵入性等關(guān)鍵挑戰(zhàn)仍需進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足臨床需求。此外，使用可生物降解的電活性材料替代組件中傳統(tǒng)使用的不可降解材料（包括傳感層、電極、電線和封裝層）對于避免二次手術(shù)切除以及最大限度地減少植入的自持續(xù)生物電子系統(tǒng)的免疫反應(yīng)至關(guān)重要。作者對自持續(xù)生物電子學(xué)的未來軌跡進(jìn)行了批判性分析和預(yù)測，為設(shè)計下一代生物醫(yī)學(xué)設(shè)備提供了指導(dǎo)（見圖3）。目前，自持續(xù)生物電子設(shè)備正處于性能改進(jìn)階段，仍然依賴于導(dǎo)線傳輸電信號，許多技術(shù)進(jìn)步都集中在提高設(shè)備性能上，特別是電信號保真度和長期穩(wěn)定性。接下來，通過最小化設(shè)備尺寸、設(shè)計多模態(tài)以及應(yīng)用人工智能（AI）進(jìn)行管理，自持續(xù)生物電子學(xué)將處于集成水平。最終，隨著在人體周身上建立器官規(guī)模的智能自持續(xù)生物電子網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的用戶參數(shù)定制、家庭醫(yī)療以及自主分析和決策，從而達(dá)到智能化水平。

圖3 自持續(xù)生物電子學(xué)的技術(shù)路線圖。

總之，隨著自持續(xù)生物電子裝置在生物醫(yī)學(xué)上的廣泛部署，為治療干預(yù)提供了一種新的范式，可以取代傳統(tǒng)的藥物治療，從而消除慢性病患者的藥物依賴。除此之外，它們的生物反饋功能可以避免傳統(tǒng)電刺激產(chǎn)生的不良反應(yīng)和并發(fā)癥，如慢性疼痛、原發(fā)性震顫、強迫癥中的躁狂等。本文提出的雙向相互作用機制可以為揭示使用仿生生物電子信號治療特定癥狀時的潛在生理機制提供堅實的基礎(chǔ)，也為設(shè)計具有時間調(diào)制特性的定制電活性材料（即4D仿生材料）以及設(shè)計下一代智能生物電子設(shè)備提供指導(dǎo)。隨著生物電子技術(shù)的不斷推進(jìn)，尤其是AI技術(shù)的應(yīng)用，自持續(xù)的生物電子裝置的生物反饋功能將得到極大的提升，其產(chǎn)生的電刺激在未來有望成為生物電的完美替代品，在生物系統(tǒng)出現(xiàn)故障時重新激活中斷的生理過程，這為未來的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供了無限的可能性。

論文信息：

Fei Jin, Tong Li, Zhidong Wei, Lili Qian, Negar javanmardi, Ting Wang, Steven Wang, and Zhang-Qi Feng. A bright future for self-sustainable bioelectronics. Nature Reviews Electrical Engineering, 2025.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s44287-025-00164-8

來源：高分子科學(xué)前沿

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