中国人民大学王亚培教授AM：仿生聚光器实现深层组织无线神经刺激

植入式生物电子系统是推进精准神经调控治疗的核心，但现有技术面临严峻挑战。临床应用的植入式神经刺激器（如美敦力Activa PC）体积庞大，其中超过40%的空间被电池占据，这不仅限制了设备微型化，也增加了手术更换的风险。为了摆脱电池依赖，研究人员开发了基于摩擦纳米发电机的无电池神经刺激器，但它们依赖人体不稳定且不可控的机械能或热能，响应性和长期可靠性不足。近年来，利用可见光和近红外光进行光激活神经刺激为无线精准调控提供了新途径，然而，组织对光的强烈吸收、散射以及体外光源与植入设备之间难以避免的对准偏差，严重影响了刺激的可靠性和精度。

近日，中国人民大学王亚培教授课题组成功开发了一种由第二近红外光激活的无电池神经刺激技术。该技术核心在于集成了光热-热电能量转换层与一种特殊的广角无透镜聚光器。这种受北极罂粟花朵启发的聚光器，能够高效收集生物组织深部的散射光与非准直光，克服了现有系统对入射角度的依赖。协同的光热-热电转换机制有效利用了扩散的1064纳米近红外二区激光，并实现了器件的显著小型化，获得了极高的电压-体积输出比。体外和体内实验证实了其生物相容性，以及精确激活青蛙神经、调控肢体运动的能力。在兔子模型中，皮下植入的设备能在脉冲式近红外二区激光照射下，立即触发坐骨神经的电刺激。这项工作为光控神经调控建立了一个稳健且微创的新范式。相关论文以“NIR-II Light-Activated Neurostimulation Enabled by Broad-Angle Light Concentrating”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队从北极罂粟的花瓣结构中汲取灵感，设计出广角二次曲面聚光层。模拟与实验表明，该结构相较于传统凸透镜，在聚光效率、体积压缩和角度容错性方面表现卓越。它能将入射光更均匀地汇聚至能量转换层，即使在30度入射角或15度散射角的不利条件下，仍能保持高效的集光能力，为在复杂生物光学环境中稳定工作奠定了基础。

图1 | 由1064纳米近红外二区激光激活的神经刺激。 (a) 由1064纳米近红外二区激光激活的植入式光热-热电神经刺激装置示意图。 (b) 基于光热-热电转换的四层神经刺激装置结构。 (c) 北极罂粟的花朵结构，其可将阳光汇聚至花蕊以促进种子成熟。 (d) 热电层响应温度变化产生的负载电压变化。

图2 | 神经刺激聚光光路的优化。 (a) 通过光学模拟得到的抛物线反射器聚焦激光功率分布的纵向截面图。 (b) 不同焦距凸透镜与BAQC层在轴向高度、体积及聚光功率/总高度方面的比较。 (c) 测试不同入射角下各种近红外二区光聚焦策略性能的方法。 (d) 各种近红外二区光聚焦策略的归一化激光功率。 (e) 在不同入射角及不同光学优化条件下，PT-TE层接收到的近红外二区光强分布：(i) BAQC层，(ii) 焦距32毫米透镜，(iii) 焦距71毫米透镜。 (f) 模拟近红外二区光在生物组织内散射后的非准直光汇聚情况（锥形散射角α为15度）。 (g) 在散射角为15度、入射角为0度时，各种光学聚光策略的性能比较（数据以α和θ均为0时BAQC组的光强进行归一化）。

为实现高效的近红外二区光能转换，研究人员设计并制备了选择性吸收的光热涂层。该多层结构在近红外二区具有高吸收率，同时在红外波段保持低发射率，从而提升了光热转换效率。涂层与热电晶体结合，构成了厚度不足2毫米的能量转换层。该层能在激光照射下快速产生温度变化，并通过热电效应将温度变化率直接转换为高幅值的电信号输出，实现了对刺激电流的精准时空调控。

图3 | 能量转换层的设计与表征。 (a) 光热-热电层的结构。插图：选择性吸收光热层的截面SEM图，从上至下分别为79纳米厚的SiO₂层、179纳米厚的Ni/Al₂O₃复合层和156纳米厚的Ni基底。 (b) 光热层的发射率光谱，展示了选择性吸收特性，并与300K黑体辐射的辐照度进行比较。 (c) 光热-热电层照片（光热层涂覆于钽酸锂上）。比例尺：5.0毫米。 (d) 近红外二区光照射60秒下光热-热电层的红外图像。 (e) 照射60秒后光热-热电层纵向截面的空间温度分布，x-z和y-z投影平面上的阴影部分对应PT-TE层的投影。激光功率：0.5瓦。 (f) 不同近红外二区激光功率下光热-热电层的温升情况。 (g) 不同功率的近红外二区激光开关照射下光热-热电层的温度变化。

为确保生物安全，器件底部集成了PDMS隔热层。有限元分析显示，4毫米厚的PDMS层能有效阻隔热量向生物组织传递，将界面热流密度降至安全范围。细胞相容性实验进一步证实，带有PDMS保护的器件在激光照射下，能将培养液温度和热损伤累积量控制在安全阈值内，显著保护了周边细胞的活性。

图4 | 近红外二区光激活神经刺激的信号输出与保护。 (a) 通过控制温度变化得到的光热-热电层输出电流。 (b) 开关近红外二区激光激活的PT-PE器件的输出电流密度。 (c) 不同功率激光照射下的输出电流密度（数据点为对应功率下六个稳定周期峰值的平均值，阴影区高度代表标准差）。 (d) 不同厚度PDMS垫层的PT-PE器件在1.0瓦近红外二区激光照射1分钟后的预测温度分布（上排为侧向，下排为底部温度分布）。 (e) 1.0瓦近红外二区激光照射60秒后，不同厚度PDMS垫层对应的底部温度与热通量。 (f,g) 光热-热电层(f)和PT-PE器件(g)在开关1.0瓦/平方厘米近红外二区激光照射下的温度变化，红色区域代表超过43℃（可能对L929细胞有害）的温度。 (h) 计算得到的(f)和(g)在有/无光照条件下的CEM43值比较。 (i) 不同处理后，L929细胞用钙黄绿素-AM（绿色）和碘化丙啶（红色）共染色的共聚焦荧光图像。比例尺：200微米。

在功能演示中，该神经刺激器件成功驱动了液晶显示器，并通过整流储能电路积累了足够点亮LED的电能。在离体青蛙坐骨神经-腓肠肌模型中，器件输出的电脉冲能可靠地引起肌肉节律性收缩。在兔子活体实验中，皮下植入的器件在1赫兹脉冲激光触发下，能有效刺激坐骨神经并记录到下游肌肉的电生理信号，平均响应延迟约为39.8毫秒。组织病理学分析显示，该刺激方案未对表皮、真皮及邻近肌肉造成热损伤，神经本身也未观察到明显损伤，证明了其良好的生物相容性与安全性。

图5 | 近红外二区光激活神经刺激的电刺激性能。 (a) 使用近红外二区光激活神经刺激驱动LCD的示意图及(b)对应照片。 (c) 整流器电路示意图。 (d) 器件整流后的输出电流密度。 (e) 器件整流输出对不同电容充电的电压曲线。 (f) 使用近红外二区光激活神经刺激对青蛙腿部施加电刺激的示意图。 (g,h) 青蛙腿部电刺激期间腓肠肌底部高度变化(g)及照片(h)。

图6 | PT-PE器件在兔子体内的神经调控。 (a) 通过近红外二区激光控制使用PT-PE器件刺激兔子坐骨神经的示意图。 (b) (i) PT-PE器件皮下植入兔子体内的照片；(ii) 器件的超声图像，标注区域代表器件的理论轮廓。比例尺：(i) 5.0厘米，(ii) 5.0毫米。 (c) 用1赫兹近红外二区激光照射时，在坐骨神经上检测到的电位变化（深红色）及PT-PE器件的直接输入（浅红色）。 (d) 近红外二区激光照射前后，兔子坐骨神经电位变化的频谱图。 (e,f) 滤波后的兔子坐骨神经信号（使用FFT滤波滤除40赫兹以上信号）。 (g) 神经电位信号峰值相对于PT-PE器件输入信号峰值的延迟（误差棒代表标准差）。 (h) 皮肤浅层、肌肉朝向面及肌肉浅层组织的H&E染色：(i) 正常组织，(ii) 植入位点附近的皮肤和肌肉组织。比例尺：20.0微米。

总之，这项研究通过仿生聚光与光热-热电转换的巧妙集成，开发出一种微型化、无电池、可由近红外二区光无线精准调控的神经刺激平台。它有效解决了植入式系统光能输送的角度依赖与散射难题，并实现了刺激信号的光学调制，为下一代用于神经修复、感觉假体和闭环生物电子医学的植入式设备奠定了坚实基础。尽管目前的集成设计在柔性方面尚有局限，未来通过模块化光学设计、材料创新和能量转换架构的优化，有望进一步拓展无线光驱动神经接口的应用前景。