北航常凌乾等《Applied Physics Reviews》：面向内器官治疗的植入式光电磁器件

导读

近年来，植入式器件在内脏器官疾病治疗方面应用广泛。这些平台可以大致分为电子、光子、磁和多物理模态。电子器件包括基于电刺激的治疗和电驱动的药物输送。光子平台利用光子和生物组织之间的相互作用来治疗疾病。磁疗利用磁流体热疗效应、磁机械效应和直接磁刺激，通过植入平台增强磁能转换，确保治疗的精准靶点。

正文

北京航空航天大学常凌乾、牟玮、钟晓岚、王柳等人受邀在《Applied Physics Reviews》综述了多物理场（电子、光子和磁）植入式治疗器件的最新进展，包括技术原理、装置设计、临床潜力和挑战（https://doi.org/10.1063/5.0233580）。题目为“From Individual Modalities to Multi-Physical Synergy: Implantable Electronic, Photonic, Magnetic Platforms for the Treatment of Internal Organ Diseases”。北航博士生童一航为第一作者，共同一作包括赵子楠、翟鹏华、曾雨、吴晗等人。

植入式电子治疗平台

植入式电子治疗平台利用电刺激与生物体相互作用以达到治疗目的，主要用于基于电刺激的治疗和电驱动的药物递送。前者涉及将精确控制的电信号应用于特定组织或神经结构，以调节或恢复受损的生理功能，从而使其广泛应用于神经病学、骨科、肌肉疾病和癌症治疗。后者代表了一种创新的药物递送方法，利用电能控制药物的释放和递送，实现了定时、剂量和精确的体内给药，特别适用于需要长期稳定或精确给药的慢性疾病（图1）。

图1：用于治疗内脏器官疾病的植入式电子治疗平台的物理原理和生物作用机制。

可植入光子治疗平台

光疗，又称光疗法，是基于光子（光粒子）与生物组织之间的相互作用，用于疾病诊断和治疗的一类前沿技术。光疗因其治疗范围广、靶向治疗、无创、安全、低毒性和可重复性，在临床应用中得到了广泛的推广。临床已经报道了基于光热疗法、光动力疗法（PDT）和光遗传学的各种平台。然而，由于光在体内的穿透深度有限，限制了体外治疗的有效性。可植入式光治疗平台成为一个很有前景的解决方案（图2）。这些平台的最新进展集中在高性能多功能光响应和光传递材料的发展。

图2：用于治疗内脏器官疾病的植入光子治疗平台的物理原理和生物作用机制。

可植入式磁疗平台

植入式磁疗是一种将生物相容性磁性材料或装置植入体内，利用磁场效应进行治疗的医学技术这些植入物对恒定或交变的外部磁场产生反应，产生各种物理效应，用于间接或间接治疗内脏器官疾病，如组织修复、癌症治疗、心血管疾病治疗等（图3）。根据其作用机制，植入式磁疗主要分为三种类型：磁流体热疗（MFH）疗法、磁机械疗法和磁刺激疗法。

图3：用于治疗内脏器官疾病的植入磁治疗平台的物理原理和生物作用机制。

多物理场协同治疗

单物理场治疗平台各有其独特的治疗潜力，但也存在一定的局限性。例如，电治疗平台虽然能够实现精确的刺激调节和药物释放，但目前面临与能量供应和长期植入稳定性相关的挑战。光子治疗平台在多种疾病治疗中显示出显著的疗效；然而，光线穿透深度有限，限制了其在深部组织中的应用。磁性治疗平台利用外部磁场促进药物递送或组织修复，受到磁场强度和定向控制精度的限制，以及在复杂生物环境中导航微纳米机器人的技术挑战。

为了克服这些单一物理场治疗方法的局限性，多物理场协同治疗平台应运而生。这些平台整合了电、光和磁的优势，利用联合效应显著提高了治疗效果。例如，电磁治疗不仅利用磁场的深穿透能力，而且结合磁电效应，促进细胞黏附、分化和组织修复。光电治疗平台巧妙地结合了电和光的特性，利用电信号提供的更高的精度和效率，以及无线能量供应或摄影平台的治疗效果。此外，磁光动力疗法结合了磁场和光疗法的优点，磁场与光敏剂协同促进ROS的产生，从而提高了癌症治疗的疗效（图4）。

图4：用于治疗内脏器官疾病的植入多物理治疗平台的物理原理和生物作用机制。

总结与展望

多物理场系统，通过电刺激、热效应和靶向递送等多种机制治疗内脏器官疾病。在实际应用中，可能会出现不同物理场的偶然重叠（如光热效应和磁热效应）。每个物理领域根据其固有的特性表现出不同的优势。通过整合物理模式，这些平台克服了单物理野治疗的局限性，实现了更深层次、更精确和更高效的治疗效果，为复杂疾病患者提供了新的希望。

文献详情：

From individual modalities to multi-physical synergy: Implantable electronic, photonic, magnetic platforms for the treatment of internal organ diseases.

Yihang Tong ; Zinan Zhao ; Penghua Zhai ; Yu Zeng ; Han Wu ; Jiajie Shi ; Fan Wang ; Liu Wang ; Xiaolan Zhong ; Wei Mu ; Lingqian Chang

Appl. Phys. Rev

https://doi.org/10.1063/5.0233580

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