Sei Kwang Hahn鲍哲南院士最新NRM：用于植入式和可穿戴式光子医疗设备的多功能材料

一、[导读]

临床上常规使用的光诊断和治疗设备不计其数。这些设备通常被看作是插在墙壁上或放置在病人床边的物品，但最近，许多新的想法被提出来用于实现植入式或可穿戴式功能设备。用于光子医疗设备的多功能材料的发展推动了许多进步。然而，光在体内的穿透深度有限，仍然严重制约着它们的临床应用。

二、[成果掠影]

近日，韩国浦项科技大学Sei Kwang Hahn、美国斯坦福大学鲍哲南院士以及美国哈佛医学院Seok Hyun Yun合作，讨论了用于诊断和治疗应用的最先进的植入式和可穿戴式光子医疗设备的基本概念和一些实例。首先，本综述描述了对下一代植入式和可穿戴式光子医疗设备的出现至关重要的新兴多功能材料，并讨论了其临床转化的路径。然后，本综述研究了植入式光子医疗设备的特性及其诊断和治疗功能。接下来，本综述描述了非侵入式、可穿戴式光子医疗保健设备在不同解剖应用中的典型案例。最后，本综述讨论了该领域未来的研究方向，特别是移动医疗和个性化医疗。相关论文以题为“Multifunctional materials for implantable and wearable photonic healthcare devices”的论文发表在Nature Reviews Materials上。

三、[核心创新点]

1、本综述描述了至关重要的新兴多功能材料，可用于下一代植入式和可穿戴式光子医疗设备。

2、本综述描述了非侵入式、可穿戴式光子医疗保健设备在不同解剖应用中的典型案例。

3、本综述讨论了新兴多功能材料未来的研究方向，特别是用于移动医疗和个性化医疗。

四、[数据概览]

• 新兴多功能材料

基于光的医疗保健已成为改善患者结果的一种有前途的方法，因为它具有生物传感、分子成像、手术和治疗的多功能性和微创性。当生物组织受到光照射时，光子被细胞和蛋白质吸收和散射，穿透深度取决于波长(图1a)。传统上，这些基于光线的方法是通过使用放置在临床或患者床边的仪器来实现的。在这篇综述中，本综述概述了用于开发植入式和可穿戴式光子医疗设备的最新多功能材料，并讨论了进一步转化应用所需的性能。本综述还回顾了具有代表性的植入式和可穿戴式医疗设备的特性和功能。最后，本文对未来此类设备的改进研究方向进行了展望，并对其在移动医疗和个性化医疗中的应用前景进行了展望。

多种多功能材料已被开发用于植入式和可穿戴式光子医疗设备(图2)。本部分介绍了它们的特性及其在诊断和治疗方面的应用。光响应材料的例子包括量子点(QDs)，等离子体金纳米结构，过渡金属硫化物，上转换纳米颗粒，有机半导体和化合物半导体(图2a)。二氧化硅纤维通常用于传统的应用，但开发柔性、生物相容性和生物可降解的波导(图2b)在植入式医疗设备应用中引起了极大的关注。光波导应采用折射率高于周围生物组织折射率的生物材料，其折射率范围为1.34~1.47。为了发展这样的系统，光子器件的关键部件应该满足可变形性的最低阈值。为了开发适用于所有部件的可拉伸材料，包括绝缘体、导体和半导体，人们付出了很多努力(图2c)。自修复能力和生物降解性(图2d)是下一代植入式和可穿戴设备的关键性能，具有优化的寿命。发光化合物荧光素在酶荧光素酶的存在下被氧化，从而以光的形式释放能量(图2e)。荧光素和荧光素酶非常多样，在萤火虫、蜗牛、细菌、甲藻和真菌中都有发现。它们在不同生物体中的反应机制不同，但荧光素与荧光素酶的每一个反应都需要氧气才能进行。生物发光共振能量转移(图2e)发生在产生光的生物发光供体物质和接收能量的受体之间，通过非放射性(偶极-偶极)传输进行传递。当能量传输时，受体产生的光波长比供体发射的光波长更长。通过这一现象，可以实时监测活细胞、细胞提取物或纯化制剂中的蛋白质-蛋白质相互作用。

图1  代表性光子医疗应用的基本机制© 2023 Springer Nature Limited

图2  用于植入式和可穿戴式光子医疗设备的多功能材料平台© 2023 Springer Nature Limited

• 植入式光子医疗设备

本部分讨论了用于光子诊断和用于光动力和光遗传疗法的小型化、可拉伸和瞬态器件形式的植入式光子医疗保健设备(图3)。与使用光纤的传统器件相比，用微型LED(μLEDs,图3a)制作的光子器件具有许多优点。特别地，它们可以在没有外部光源的情况下用于体内的诊断和治疗。此外，μLEDs允许有效的热管理，减少组织损伤，并最大限度地减少长期炎症。特别是，一个用于能量传输和数据通信的天线对于在体内工作而不需要导线的植入式系统来说是一个关键的要求(图3b)。蓝牙无线通信可以使用集成电路芯片内部的小型天线，但它消耗了不可接受的大量功率。因此，大多数独立的植入式光子系统使用大型天线。可拉伸器件是通过将可拉伸互连线以蛇形结构金属电极的形式包含在刚性功能部件中，如LED、光电探测器和集成电路芯片中，并结合可拉伸弹性体作为基板和封装材料来制造的(图3c)。

大多数电子药物通过施加电信号来刺激神经，从而影响生物系统。Opto电子药物是通过光影响生物系统的电子器件(图3d)。PDT治疗癌症和角化病是利用光子器件进行光电导治疗的一个很好的例子。传统上，PDT在不透明的生物组织中的光穿透力有限。光一般通过光纤传输到深区器官。通过植入光子器件，光可以在没有任何阻碍的情况下直接传输，并成功应用于癌症PDT。

当光子器件植入体内时，需要将其与周围组织缝合固定在体内。为此，采用生物黏附性聚多巴胺底层修饰PDMS。通过植入μLED进行小剂量光照的节律性PDT。因此，该光子器件通过长时间发射低强度光而显示出局部抗癌效应。由于照射直接接近，其光照强度比传统PDT低1000倍。重要的是，它可以通过基于聚多巴胺的粘附来处理精细的组织，如脑组织，而不需要将设备缝合到底层组织。

图3 植入式光子医疗设备© 2023 Springer Nature Limited

• 可穿戴光子医疗设备

本部分介绍了用刚性或薄膜电子元件制造的可穿戴光子设备，用于健康监测和健康干预，包括皮肤年轻化、伤口治疗、精神保健和脑疾病治疗(图4)。尽管用于泪液葡萄糖监测的智能隐形眼镜的开发取得了进展，但血液和泪液葡萄糖浓度曲线之间的滞后时间仍然是一个主要的挑战。因此，一种测量眼部血管而不是泪液中葡萄糖浓度的智能光子接触镜已经被开发出来(图4a)。隐形眼镜上的μLED照射近红外光以检测结膜血管中的葡萄糖，反射光通过光电探测器进行分析以实时确定葡萄糖浓度。光子电流与样品中的葡萄糖浓度成正比。因此，智能光子隐形眼镜有望用于糖尿病的实时血糖监测。

尽管大多数眼镜式可穿戴设备已被开发用于虚拟现实和增强现实中的应用，但最近的研究表明，光子眼镜可以用于光疗，并且可以舒适地接近眼睛(图4b)。光照度可以从多方面影响人体健康，统称为PBM。红光或近红外波长的光被线粒体中的生色团吸收，增加CCO的活性。基于LED和低功率激光器的光子医疗保健设备，如可穿戴面具状的面部护肤和伤口护理设备，已经在商业上使用(图4b)。具有高性能、低功耗和低产热的无缝连接的可穿戴设备可以最大限度地减少对细胞的热损伤，以便在皮肤上长期使用，可能为医疗保健应用提供一种新的范式。大面积均匀光照对于光子皮肤器件也是必不可少的。尽管一些PBM技术已经得到了临床验证并获得了食品药品管理局的清除，但仍需要进一步的研究来阐明PBM在体内的确切机制。

图4 可穿戴光子医疗设备© 2023 Springer Nature Limited

五、[成果启示]

由于光子医疗设备，尤其是可穿戴设备，可以方便地在家庭中使用，它们可以有助于即时检测和个性化医疗，这对于抗癌和糖尿病治疗尤为重要。对于个性化医疗而言，实时诊断和案例研究统计分析是必要的，以提供适当的补救措施(图5)。通过这种方式，患者可以借助智能手机或类似产品，在家中舒适地同步或异步地进行远程医疗。虽然通过连接传统的桌面诊断系统和计算机建立了存储和转发式远程医疗，但随着具有全天候互联网连接的无处不在的智能手机的出现，现在可以持续收集关于单个患者生物特征的海量数据，这些数据可能会指导诊断和靶向治疗。如何筛选、解释和利用这些海量数据用于临床医疗，仍然是一个活跃的研究领域，人工智能和机器学习无疑是其中的关键。

图5 移动医疗和个性化远程医疗的示意图© 2023 Springer Nature Limited

第一作者：Geon-Hui Lee、Hanul Moon、Hyemin Kim

通讯作者：Sei Kwang Hahn、鲍哲南、Seok Hyun Yun

通讯单位：韩国浦项科技大学、美国斯坦福大学、美国哈佛医学院

论文doi：https://doi.org/10.1038/s41578-019-0167-3

本文由温华供稿。