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| 超表面辅助生物光子学：将光子学创新与生物医学植入物相结合 |
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导读
超表面通过调控电磁场，可以更精确地与植入物结合，实现无线细胞刺激，在视网膜、耳蜗、心脏等植入物中具有巨大应用潜力。来自意大利和美国的研究人员系统梳理了超表面辅助生物电子学这一领域的相关研究，对其发展现状、进展及前景进行了全面概述。
该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Metasurface-assisted bioelectronics: bridging photonic innovation with biomedical implants”。
研究背景
目前大多数医疗植入物都依赖导线激活电信号，导致治疗具有侵入性，且在精度上会存在一定的限制。但是，光刺激可以解决这些问题，尤其是超表面的波前可调控性为光刺激的实现开辟了新的可能。在生物电子平台中，可以结合超表面的电磁场调控与生物系统中的需求，来选择性的实现光吸收增强、电场定位及波前控制。还可通过设置不同的应用波长、超表面的几何结构、材料成分等，实现最大的电磁耦合，如：在可见光范围内，与光伏或有机半导体集成的超表面可增强用于神经或心脏接口的光电子刺激。在太赫兹频率下，超表面通过光热或声子驱动机制，可实现无标记组织成像、热调制和局部药物释放。
研究现状
研究人员首先展示了用于生物电子刺激平台的超表面优化框架以及超表面的设计基础（图1），这些超表面可使用不同的材料以及纳米柱形状调整其波前分布。设计方法包括正向的麦克斯韦模拟及人工智能驱动的逆向设计方法。优化后的平台能够将光信号转换为电容或法拉第电流，支持对兴奋性细胞的高效光电子刺激，为传统基于电极的植入物提供了无线且空间分辨率更高的替代方案。
图1. 从可见光到太赫兹-近红外范围的超表面辅助生物电子平台示意图
接下来，研究人员先展示了一些常见的超表面结构与应用（图2），包括荧光增强表面等离子体共振传感、可用于未来光遗传学的上转换发光二极管植入式设备、用于光电化学细胞调制的超表面辅助有机太阳能电池、基于超表面天线的太赫兹信号表面等离子体共振光热刺激、用于生物医学应用的超表面天线贴片等。
图2. 超表面器件的结构与应用
进一步，研究人员结合超表面的优势与生物电子学需求，详细的从两大方面概括了超表面在生物电子领域中的核心方向与具体的应用场景。第一：增强界面与新兴技术的融合（包括太赫兹波段贴片、全息术+VR集成、自适应光学器件等）；第二：神经调制与感觉界面优化（如超表面辅助光伏和光电子生物界面、视网膜植入物中的纳米结构超表面、超表面辅助压电生物界面、光电子人工耳蜗、神经和心脏活动的调制、用于生物传感和军事检测的太赫兹光谱学、无线通信/功率传输和太赫兹辅助物联网等）。
研究人员还展示了超表面辅助生物电子平台的一些代表性应用（图3），如用于乳腺癌检测的等离子体超材料集成天线；用于体外生化传感的基于超表面的微流体平台；用于靶向药物递送应用的可植入超表面-水凝胶复合材料；基于波导的增强现实显示系统；整合超表面结构以增强信号传输的脑机接口系统以及与心血管植入物接口的基于超表面的天线等。
图3. 用于刺激、生物传感和虚拟现实应用的可植入超表面设备
最后，通过图4详细的展示了生物电子学未来可开发的研究方向，包括超表面赋能光传输的皮质植入物；集成传感、刺激和调制的多功能超表面平台；超表面辅助的精准生物调节技术；自主人工智能驱动的超表面设计框架等。
图4. 超表面辅助生物电子学未来发展示意图
总结与展望
超表面由于其结构的可调性与选择性的频率响应，在细胞传感等方面具有不可替代的作用，尤其在视网膜假体中。此外，将超表面与传统生物电子相融合，在组织工程与癌症治疗中都有重要的前景。
展望未来，后续的研究应该专注于通过集成人工智能驱动自适应控制，并扩展其在心脏植入治疗中的能力。其次，在超表面辅助生物电子学方面，可以从重塑神经调制、癌症治疗以及植入式治疗等方面入手，确保安全有效的治疗。
最后，可以通过超表面与闭环系统和人工智能的集成，实现个性化治疗的实时适应性，通过机器学习等算法，动态调整超表面参数，从而对生物体进行精准的调制。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02072-w
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