可降解植入式生物电子器件，最新Nature Materials！

植入即监测，到期即吸收：无金属磁体打开长效生理监测新思路

随着柔性电子和植入式医疗器件的发展，如何长期、准确地监测人体内部器官的活动，成为生物电子领域的重要研究方向。磁传感技术能够穿透生物组织，无需复杂的有线连接，为深层器官监测提供了新的可能。然而，传统磁性器件通常依赖钕铁硼等金属磁体，长期植入可能面临金属腐蚀、离子释放及后续手术取出等问题。相比之下，由碳、氮等轻元素构成的无金属分子磁体具有良好的生物相容性潜力，但其磁性普遍较弱，难以满足深层组织的高精度监测需求。因此，如何在不依赖磁性金属的情况下获得足够强的磁响应，同时实现材料在体内的安全降解与吸收，成为亟待解决的关键难题。

近日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校白武斌教授联合哥伦比亚大学程柯教授和南京大学王勇教授以石墨相氮化碳（g-C₃N₄）为前驱体，通过脱氮诱导结构重构，开发出一种兼具强室温铁磁性与生物可吸收特性的无金属分子磁体（BioMFM）。该材料室温饱和磁化强度达到9.25 emu g⁻¹，能够实现约7 cm深度范围内的磁信号检测。进一步结合聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、丝素蛋白及功能性水凝胶，研究人员构建了可经导管植入或注射递送的无线监测系统。在猪模型中，该系统实现了长达28天的心脏功能连续监测，并展示了肝脏运动追踪与局部病变三维形态重建的潜力，为可降解植入式生物电子器件提供了新的设计思路。相关成果以“Bioresorbable metal-free molecular magnets enable untethered organ monitoring”为题发表在《Nature Materials》上。Yizhang Wu, Zhang Yue, Sicheng Xing, Dingyi Yang为共同第一作者。

从非磁性材料到强磁体：脱氮重构带来新突破

研究首先从材料本身入手。石墨相氮化碳是一种以碳、氮元素为主要组成的二维材料，但其常规结构表现为抗磁性，无法直接用于磁信号监测。研究人员通过可控热处理，使部分碳氮键断裂并产生氮空位，促使原有的π共轭结构重新组织，形成具有π–σ耦合特征的新型网络。重构过程中出现的未配对电子及自旋中心，为材料产生铁磁性提供了基础（图1a）。更重要的是，这种磁性并不依赖传统磁性金属。元素分布分析显示，材料主要由碳、氮、氧组成，未检测到明显的过渡金属信号（图1b）。电子顺磁共振测试进一步发现，材料的g因子由2.001变化至2.003，未配对电子浓度显著增加（图1c）。X射线磁圆二色性测试则证实，碳和氮原子均存在明显的自旋极化（图1d）。这些结果共同说明，研究人员通过调控轻元素材料内部的电子结构，成功赋予其稳定的室温铁磁性。

图1：BioMFM无金属分子磁体的制备、组成与自旋极化。

磁性究竟有多强？稳定性如何？

拥有磁性只是第一步，能否在实际使用环境中保持足够强的信号同样重要。量子金刚石原子力显微成像显示，BioMFM在室温下具有清晰的磁畴分布（图2a）。磁滞回线测试表明，其饱和磁化强度达到9.25 emu g⁻¹，剩余磁化强度为0.95 emu g⁻¹，矫顽力达到152 Oe（图2b），表明材料能够在外加磁场撤除后保留一定磁化状态。对于需要长期监测的植入式器件而言，磁性稳定性尤为关键。研究人员发现，BioMFM在室温环境中储存12个月后，磁滞回线与初始状态基本重合，说明其磁性能未发生明显衰减（图2c）。此外，该材料的居里温度达到480.1 K，明显高于人体生理温度。与已有无金属分子磁体相比，BioMFM的室温饱和磁化强度处于较高水平，与传统金属基铁磁材料之间的性能差距明显缩小（图2d）。不过，其绝对磁化强度仍低于典型金属永磁材料。

图2：BioMFM的室温铁磁性、长期稳定性及性能对比。

为什么没有磁性金属，也能产生铁磁性？

为了揭示磁性的来源，研究团队进一步开展了密度泛函理论计算。结果表明，脱氮不仅会产生自由基中心，还会使原本相对平整的氮化碳结构发生局部弯曲，形成约31.2°的倾斜结构（图3a）。不同磁有序状态的能量计算发现，铁磁态比反铁磁态低17.97 meV，说明在所研究的代表性模型中，铁磁排列更加稳定（图3b）。进一步分析发现，材料的磁矩并不是随着缺陷数量增加而持续提高，而是同时受到缺陷浓度和空间排列方式的影响（图3c）。电荷分布及轨道分析显示，脱氮引起的局部电子重排，使未配对电子能够通过重构的π–σ共轭网络发生相互作用（图3d–f）。自旋能带计算进一步表明，费米能级附近出现约0.35 eV的交换分裂，为材料的自发铁磁性提供了理论依据（图3g）。研究人员还引入经过微调的ChemBERTa模型，预测不同原子环境中的局部磁矩，将第一性原理计算与机器学习相结合，为理解和设计无金属磁体提供了新方法（图3h）。

图3：BioMFM无金属铁磁性的形成机制与理论验证。

像花瓣一样展开：可植入、可降解的磁性贴片

具备稳定磁性后，下一步是将材料转化为能够贴合人体器官的柔性器件。研究团队受到玫瑰花瓣开合过程的启发，设计了一种由PLGA、BioMFM和丝素蛋白组成的三层结构。其中，PLGA提供力学支撑，BioMFM负责产生磁信号，丝素蛋白则承担形变驱动和湿态黏附功能（图4a、b）。这种贴片最有特点的地方在于能够先折叠、后展开。植入前，贴片可以压缩至约3 mm直径，通过导管递送至心脏表面；接触湿润组织后，丝素蛋白迅速水化，使折叠的四片结构逐渐展开，并依靠湿态黏附固定在不断运动的心外膜上，无需额外缝合（图4c）。与此同时，研究人员还赋予器件分阶段降解的能力。在37 ℃、pH 7.4的磷酸盐缓冲液中，丝素蛋白约6–7秒即可完成快速水化，BioMFM层在约44天时接近完全消失，而PLGA的降解过程可持续至约58天（图4d）。这种不同组分之间的降解时间差，使器件能够在工作期间保持结构完整，随后逐渐被吸收。

生物安全性测试进一步验证了这一设计。BioMFM具有良好的心肌细胞相容性（图4e）。在大鼠皮下植入实验中，与二氧化硅包覆的钕铁硼磁体相比，BioMFM引起的纤维组织增生和巨噬细胞浸润明显更少。植入6周后，其周围纤维层厚度约为120 μm，而对照组约为394 μm；局部巨噬细胞比例分别约为3.5%和11.0%（图4f–j）。综合比较显示，BioMFM虽然在磁化强度方面不及金属磁体，但在长期组织耐受性和生物可吸收性方面表现出明显优势（图4k）。

图4：可展开BioMFM植入式贴片的结构、生物相容性与可吸收性。

不需要导线，连续28天监测心脏活动

有了能够稳定贴附心脏的磁性贴片，研究团队进一步开发了配套的无线读取系统。该系统采用柔性8×8霍尔传感器阵列，能够贴合皮肤表面，接收体内磁体产生的微弱磁场变化，并通过无线方式传输数据（图5a）。其工作原理并不复杂：当心脏收缩或舒张时，附着在心脏表面的磁性贴片会随之移动，进而改变体外检测到的磁场分布。研究人员利用PAGO-DeMag算法，将这些磁信号转化为心脏运动信息，同时区分心肌自身收缩和胸壁整体运动造成的干扰（图5b、c）。即使磁场需要穿过较厚的组织，系统仍可实现有效检测，组织模拟实验验证了约7 cm的传感距离（图5d）。随后，研究团队在猪心肌梗死模型中验证了实际监测能力。通过微创方式将贴片植入心脏表面后，系统能够连续记录心脏运动产生的磁信号，并在28天内追踪心脏射血分数的变化（图5e–g）。结果显示，心肌梗死发生后，射血分数明显下降，随后呈现一定恢复趋势。与同期临床常用的超声心动图结果比较，两者表现出较高一致性，相关拟合的决定系数达到R²=0.9630（图5h）。这一结果说明，磁性贴片能够将传统超声检查中的间断测量，拓展为更加连续的心脏功能变化记录，为术后恢复评估提供更多时间维度的信息。

图5：基于BioMFM的猪心脏无线连续监测系统。

从心脏到肝脏：注射型水凝胶拓展应用场景

除了心脏表面的柔性贴片，研究团队还探索了更便于递送的注射型器件。他们将BioMFM分散到温度响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）水凝胶中，使材料能够通过注射方式到达目标组织，并在局部形成磁性标记（图6a）。实验发现，注射水凝胶的体积越大，检测到的磁信号越强（图6b）。随着传感距离增加，磁场强度逐渐衰减，但在约7 cm距离处仍能够检测到信号（图6c）。研究人员随后在超声引导下，将含有10 wt% BioMFM的水凝胶递送至猪肝脏表面。水凝胶接触温暖组织后发生响应，能够较好地固定在目标位置（图6d–f）。当肝脏随着呼吸运动发生位移时，外部霍尔传感器便能够捕捉相应的磁场变化。通过连续采集磁信号并进行算法处理，研究团队不仅实现了肝脏运动追踪，还展示了局部三维形态重建能力，包括肝囊肿相关形态特征的重建（图6g）。这表明，该材料的应用并不局限于心脏，还可以根据不同器官的运动特点和组织环境，选择贴片或注射水凝胶等不同形式。

图6：注射型BioMFM水凝胶用于肝脏无线监测与三维形态重建。

总结与展望

这项研究通过脱氮诱导的电子结构重构，使石墨相氮化碳获得稳定的室温铁磁性，同时保留了无金属材料的生物可吸收优势。进一步结合PLGA、丝素蛋白及功能性水凝胶，研究团队将分子磁体转化为可微创递送、无线读取并逐渐降解的器官监测平台，在动物模型中实现了28天连续心脏功能监测，并展示了肝脏运动及局部病变形态重建的应用潜力。值得注意的是，目前相关结果主要来自材料实验及动物模型，距离人体临床应用仍需要进一步验证长期安全性、检测精度和复杂生理环境下的可靠性。未来，通过优化分子磁体的磁性能、降解行为及外部传感系统，这类无需长期留置金属磁体的生物电子器件，有望为心血管疾病管理、器官功能评估及个体化健康监测提供新的技术路径。