光电转换，最新Nature Biomedical Engineering！
植入式神经接口是生物电子医学的核心。神经系统的直接电驱动在临床上用于深部脑刺激、假体视网膜植入物、用于治疗癫痫和其他疾病的迷走神经刺激以及许多其他应用，临床前阶段的新兴技术不断增加。然而，需要克服几个基本的工程障碍，以促进生物电子设备的广泛实施并确保最佳的临床结果。一个关键的挑战是改善可植入设备的长期供电和小型化，推动探索从体外无线驱动和控制植入物的方法。最常见的方法包括射频（RF）功率传输、电磁感应以及超声。然而这些技术仍然存在这些那些的局限性。因此，对于更少的解剖空间、微创、远程供电且易于使用的完全植入式系统存在强烈需求。那么，还有什么手段可以实现以上的需求呢？回归物理课本思考：声光热力电。目前，已经提出光传输有望成为替代方法。其中，深红光（620-800 nm）具有组织穿透、临床实践应用广、技术成熟等优势，因此，可以假设穿透组织的深红光可以有效地无线控制和供电植入物。鉴于此，瑞典林雪平大学Eric Daniel Głowacki、Vedran Đerek和美国哥伦比亚大学Jennifer N. Gelinas等人报告了通过植入的有机电解光电电容器（organicelectrolytic photocapacitor，OEPC）对大鼠坐骨神经进行长期电刺激，该电容器可以将深红光转换为电信号。成果发表在Nature Biomedical Engineering上。
该生物界面设备使用商用有机颜料，这些颜料属于安全无毒的着色剂类别，可用于食品着色剂和化妆品等多种消费品。它们的无毒性源于它们的非生物利用度，而非生物利用度又源于它们的完全不溶性和稳定晶体的形成。因此，这类有机材料可能具有足够的抗降解能力，以实现稳定的体内界面设备。这些颜料材料构成了有机电解光电容器（OEPC）的基础。然后研究人员将 OEPC 集成到适合长期体内植入的超薄柔性架构中。研究发现，OEPC 刺激装置的光电充电行为有效地激活了体内大鼠坐骨神经，并通过改变光强度和脉冲持续时间实现了对刺激的精确控制。
研究人员将 OEPC 制成一个自锁式超薄袖带，并在自由移动的大鼠中，将袖带固定在皮肤表面以下 10 mm 处的坐骨神经周围。深红光通过皮肤表面传递到植入的 OEPC，进而诱发复合肌肉动作电位 (CMAP)。设备植入不会妨碍生理运动行为，并且设备在植入后保持其运行长达三个月（约100天）。这些 OEPC 的总体积只有0.1mm3，是迄今为止报道的体积最小的无线周围神经接口。结果表明，OEPCs 为实现体内慢性神经刺激提供了一种可行的方法，并具有临床转化的潜力。
图|OEPCs 允许慢性、非侵入性的体内坐骨神经刺激综上，电神经刺激不仅用于在实验范式中检测神经功能，而且是一种有效且耐受性良好的治疗多种神经系统疾病的方法，从慢性疼痛到癫痫。长期植入式光电电容器可以通过最大限度地减少设备占地面积并允许在没有任何组织穿越元素的情况下进行完整的设备植入，从而促进在小动物模型中测试此类神经调节协议，这些功能已被证明可以改善实验结果。长期植入式光电电容器的独特功能也可能促进生物电子设备的转化，这些设备需要安全的长期神经刺激来治疗疼痛并实现人类的运动康复。Silverå Ejneby, M., Jakešová, M., Ferrero, J.J. et al. Chronic electrical stimulation of peripheral nerves via deep-red light transduced by an implanted organic photocapacitor. Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00817-7
