超表面辅助生物电子学：光子创新与医疗植入的跨界融合

《Light-Science & Applications》：Metasurface-assisted bioelectronics: bridging photonic innovation with biomedical implants

　　本刊推荐研究人员开展"超表面辅助生物电子学"主题研究，旨在解决传统生物电子植入物空间分辨率有限、依赖有线电源等关键问题。研究通过设计可调控电场分布的纳米结构超表面，实现了从可见光到太赫兹频段的无线精准调控，为视网膜、耳蜗及心脏植入物等医疗器械提供了新型光子接口方案，显著推进了精准医疗与神经工程领域的发展。

　　

在现代医疗技术飞速发展的今天，生物电子植入设备已成为治疗神经系统疾病、感官功能障碍的重要手段。然而传统电极植入物面临诸多挑战：需要通过导线连接外部电源，限制了患者的活动自由度；电刺激的空间分辨率有限，难以实现精准的细胞级调控；长期植入可能引发组织排异反应。这些瓶颈问题促使科学家将目光投向光子技术领域，试图利用光来实现无线、精准的生物调控。

近期发表在《Light: Science & Applications》的突破性研究，由Mohammadiaria和Srivastava团队提出了超表面辅助生物电子学的新范式。这项研究开创性地将纳米光子学与生物医学工程相结合，通过设计亚波长纳米结构阵列实现对电磁波的精确操控，为下一代智能植入医疗器械奠定了理论基础。

研究人员采用多学科交叉的研究方法，主要包括：通过麦克斯韦方程模拟优化超表面几何结构以实现局部电场增强；开发太赫兹频段超表面贴片用于深部组织无线能量传输；集成场可编程门阵列(FPGA)实现光学响应的实时动态编程；结合人工智能驱动逆向设计方法优化光子结构参数。研究还涉及临床前模型的验证，包括视网膜色素变性、听力丧失和心律失常等疾病模型。

太赫兹频段贴片用于无线生物接口

研究团队发现太赫兹频段(0.1-10 THz)具有独特的生物组织穿透能力，通过设计谐振纳米天线，可将太赫兹能量转化为局部热场或机械振动，实现对神经细胞的非侵入性调控。这种技术特别适用于深部组织刺激，如大脑皮层或心肌层的精准干预。

全息与虚拟现实集成

通过将超表面与虚拟现实(VR)系统结合，研究人员开发出动态可编程的全息界面，能够模拟自然感官输入。这种技术在听觉康复训练中表现出色，可创建沉浸式声学环境，帮助耳蜗植入患者重新学习声音定位和语音识别。

超表面辅助光伏和光电生物接口

在可见光波段，团队将超表面与光伏材料结合，显著提高了光吸收效率。当集成到视网膜植入物时，这种结构能够将特定波长的光转化为电容性或法拉第电流，实现对视网膜神经节细胞的精确电刺激，为色素性视网膜炎患者提供了新的治疗希望。

纳米结构超表面在视网膜植入物中的应用

针对传统视网膜植入物仅能提供黑白低分辨率视觉的问题，研究展示了超表面介导的颜色滤波功能。通过调控光波的相位、振幅和偏振，超表面能够模拟自然视网膜的色彩处理机制，为恢复彩色视觉提供了可能。

超表面辅助压电生物接口

团队创新性地将太赫兹-声波转换机制与压电材料结合，开发出自供能刺激平台。当太赫波照射到氧化锌(ZnO)纳米结构时，产生的超声波振动可被压电纳米发电机转化为电信号，用于心脏起搏或神经调控。

光电耳蜗植入物

与传统耳蜗植入物相比，超表面增强系统能够通过法拉第电流精确调控钾离子通道，改善听觉信息处理的保真度。这种技术还可用于个性化听力康复，根据患者的听力损失特征动态调整刺激参数。

神经和心脏活动的调控

在心血管领域，研究证实超表面贴片可用于无线心脏电疗，通过光电效应调节心肌细胞兴奋性。这种技术对心律失常的治疗特别有价值，可实现无电池、微创的心脏起搏功能。

太赫兹光谱用于生物传感和军事检测

利用生物分子在太赫兹波段的特征吸收指纹，团队开发了高灵敏度无标记生物传感器。这些器件可实时监测葡萄糖、皮质醇等生理指标，为慢性疾病管理提供了新工具。

无线通信、能量传输和太赫兹辅助物联网

通过超表面天线阵列，植入设备可与外部系统建立高速数据连接，形成闭环医疗物联网。这种智能网络能够根据患者的生理状态自动调整治疗参数，实现个性化医疗。

该研究系统论证了超表面在生物医学应用的巨大潜力，为解决传统植入物的关键局限提供了创新方案。通过多频段光学调控、智能材料集成和自适应控制策略的协同创新，这项技术有望推动精准医疗向无线化、微型化、智能化方向发展。特别是AI驱动设计框架与可编程超表面的结合，将为神经疾病、感官障碍和心血管疾病治疗开辟新的途径。随着生物相容性材料和微型化技术的进步，超表面辅助生物电子学有望在未来十年内实现临床转化，重塑医疗植入设备的未来发展轨迹。