《Current Opinion in Solid State and Materials Science》：Remote energy transfer strategies for flexible implantable bioelectronics
编辑推荐：
柔性无线植入式医疗设备通过电容耦合、超声驱动、光能转换及近场感应等技术实现无电池运行，重点解决材料生物相容性、结构柔韧性及能量转换效率的平衡，提出未来需发展自适应能量传输系统。
伊曼·M·伊马尼（Iman M. Imani）|金恩秀（Eunseo Kim）|金泰仁（Taein Kim）|闵秉在（Byeong-Jae Min）|宋贤硕（Hyunseok Song）|黄俊镐（Joon-Ha Hwang）|金承彬（Seung-Bum Kim）|金宜妍（Yiyeon Kim）|朴本哲（Bum Chul Park）|李柱勋（Ju Hun Lee）|金相宇（Sang-Woo Kim）|赛义德·阿齐齐安（Saeid Azizian）|许成勋（Sunghoon Hur）|宋贤哲（Hyun-Cheol Song）
韩国大学材料科学与工程系，首尔02841，大韩民国
摘要
与传统刚性、电池供电的生物医学电子系统相比，柔性无线供电的可植入医疗设备（FW-IMDs）能够更好地贴合生物组织，从而最大限度地减少机械不匹配和炎症，同时保持稳定的生物电子接口。其可拉伸、可弯曲且超薄的特性使得这些设备能够在动态器官内部持续变形的同时保持正常运行。此外，远程能量转换技术实现了无线能量传输和电荷生成，为可充电植入式生物电子设备以及直接生物治疗等皮下应用提供了有力支持。尽管现代植入式电池已经实现了显著的微型化，但其较长的使用寿命仍然需要定期更换手术，这成为临床上的一个主要负担。在这种情况下，无线能量传输（WPT）技术通过实现非手术能量补充或持续供电，提供了一种补充解决方案。本文综述了FW-IMDs的功能、材料和架构，并根据WPT系统对这些设备进行了功能分类，包括近场电容耦合、超声波驱动的压电和摩擦电纳米发电机、光介导的光伏发电机以及近场感应耦合。特别强调了灵活性、生物相容性、输出增强、电路集成、生物粘附性和生物降解性等方面的要求。最后，本文概述了当前在临床安全性和技术进步方面的挑战与机遇，并提出了未来混合式、多功能和自适应WPT平台的发展方向，为FW-IMDs在人体内的可靠和可持续运行提供了清晰的框架。
引言
可植入生物电子设备已经从依赖电池的刚性、笨重设备演变为无线、自供电、柔性且微型化的平台，这些平台能够持续运行并具备生物相容性接口。这一演变受到临床需求的推动，包括避免高风险的电池更换手术，以及通过提高灵活性和微型化来防止笨重刚性设备对周围组织的机械损伤。然而，这些设备必须能够在生物治疗刺激、植入物无线供电、健康数据通信和传感等功能方面保持可靠运行。[1]，[2]，[3]，[4] 电子设备的无线功能可以从无线能量传输（WPT）和无线数据通信两个方面进行划分。在WPT系统中，外部能量可以传输到体内，并由无线供电的植入式设备转换为电能。[5] 在生物应用中，需要区分自主供电系统和无线供电系统：自主供电系统能够利用内在或环境中的生理能量（如生物力学运动、热梯度或生化反应），而不依赖外部主动提供的能量；而无线供电系统则从外部生成的场（例如电磁场、超声波或光场）获取能量。然而，在某些情况下，这两种系统都可以实现无需电池的运行。能够穿透生物组织并在临床可接受的安全范围内进行能量采集的远程能量源包括电场、超声波、光学/光子和磁场。这些能量源分别通过相应的植入式接收器转换为电能，包括电容耦合电极、超声波驱动的压电/摩擦电纳米发电机（US-PENGs/US-TENGs）、光伏发电机（PVGs）和感应耦合线圈。[6]，[7] 在所有用于植入式设备的WPT技术中，穿透深度、能量传输效率和生物安全性之间存在固有的权衡。例如，近场感应耦合需要精确对齐；超声波具有深度穿透能力但需要阻抗匹配；而光伏发电机则受到光穿透的限制。此外，这些设计还需要考虑生物集成、柔性几何形状、生物力学匹配和耐用性。[8]，[9]
可植入生物电子设备的灵活性体现在材料层面。传统的金属和刚性平台在受到软组织应变时容易断裂或分层，从而导致软组织损伤。要实现机械柔顺性，需要重新设计所有组件，包括导体、电介质、封装材料和电极，以确保整个设备能够在拉伸、弯曲和扭转时不会失效。植入式系统的机械柔顺性来源于材料的固有柔顺性和结构工程。通过使用低杨氏模量的材料（如聚合物和弹性体），可以实现内在的柔顺性，这些材料在机械上与软生物组织相匹配。另一方面，即使使用机械刚性的材料（如硅、金属或压电陶瓷），也可以通过采用超薄几何结构、网状连接和岛桥布局等设计来实现结构柔顺性，从而降低有效弯曲刚度。[10]，[11]，[12]，[13] 例如，金属对于低电阻信号传输、电磁屏蔽、电化学稳定性和生理环境中的长期稳定性仍然至关重要。因此，设计成蛇形或分形网格的超薄金属薄膜、导电纳米线网络和液态金属迹线能够在保持类似组织的弹性的同时提供足够的导电性。聚合物半导体、离子凝胶和电介质弹性体能够在活体组织中的应变下保持稳定的电容响应。此外，封装材料必须能够防止生物液体的渗透，同时保持柔软性。多层设计将坚韧的弹性体（如PDMS和TPU）与薄的无机屏障（Al2O3、SiO2、压电陶瓷）结合使用，从而在不增加设备硬度的同时提高柔韧性。[8]，[9]
在可植入生物电子设备中，灵活性从材料层面开始体现。传统的金属和刚性平台在受到软组织应变时容易断裂或分层，导致软组织损伤。要实现机械柔顺性，需要重新设计每个组件，包括导体、电介质、封装材料和电极，以确保整个设备能够在拉伸、弯曲和扭转时不会失效。植入式系统的机械柔顺性来源于材料的固有柔顺性和结构工程。使用低杨氏模量的材料（如聚合物和弹性体）可以实现内在的柔顺性；而即使使用机械刚性的材料（如硅、金属或压电陶瓷），也可以通过超薄几何结构、网状连接和岛桥布局等设计实现结构柔顺性，从而降低有效弯曲刚度。[10]，[11]，[12]，[13] 例如，金属在低电阻信号传输、电磁屏蔽、电化学稳定性和生理环境中的长期稳定性方面仍然至关重要。因此，设计成蛇形或分形网格的超薄金属薄膜、导电纳米线网络和液态金属迹线能够在保持组织弹性的同时提供足够的导电性。聚合物半导体、离子凝胶和电介质弹性体能够在活体组织中的应变下保持稳定的电容响应。此外，封装材料必须能够防止生物液体的渗透，同时保持柔软性。多层设计将坚韧的弹性体（如PDMS和TPU）与薄的无机屏障（Al2O3、SiO2、压电陶瓷）结合使用，从而在不增加设备硬度的同时提高柔韧性。这些设计使得设备能够在活体、不断移动的环境中安全运行。以聚合物为中心的能量采集策略，结合几何设计的刚性材料（如金属），证明了柔软、生物相容、薄型和可拉伸平台的可行性。[14]，[15]，[16]，[17] 在本文中，我们重点关注针对柔性植入式平台的远程能量转换技术。为了清晰起见，图1提供了柔性无线供电可植入医疗设备（FW-IMDs）的WPT系统分类。FW-IMDs主要分为两个应用领域：第一个领域涉及植入式生物电子设备的无线充电，如神经刺激器、心脏起搏系统、闭环生物信号记录器和药物输送泵，WPT技术减少了定期更换电池手术的需求并延长了设备的使用寿命；这些系统通常需要稳定的、可控的功率传输、中等至高的能量密度、可靠的整流功能以及安全、长期的封装。第二个领域包括直接治疗应用，其中采集或无线传输的电能立即用于神经刺激、加速伤口愈合、消毒和癌症治疗，无需依赖笨重的能量存储单元。这类系统通常优先考虑机械柔顺性、最小的设备体积、局部能量沉积以及在生理条件下的高效能量转换。图1a展示了通过生物组织耦合的外部远程能量源：电容耦合（电场）、超声波（机械）、光/激光（光学）和感应耦合（近场磁感应）。图1b展示了与每种能量源对应的代表性柔性接收器，包括电容耦合接收器、US-PENG和US-TENG设备、光伏发电机（PVGs）以及感应耦合接收器。图1c展示了能够在机械活动过程中承受拉伸、弯曲和扭转而不分层或失去一致性的柔软柔性结构的接收器配置。
近年来，许多综述文章全面探讨了柔性可植入和可穿戴生物电子系统，重点关注了它们的材料、设备设计和生物医学应用。这些研究揭示了在无线能量采集和通信、生理监测、生物治疗刺激和治疗反馈方面的重要进展。[5]，[9]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，[26] 然而，尽管这些技术发展迅速，但目前仍缺乏针对皮下生物医学应用的系统化或更新的远程能量转换技术分类，这些技术依赖于可变形和柔性材料及架构。此外，集成到柔软和可拉伸基底中的能量系统的出现进一步强调了更新FW-IMDs中WPT技术的必要性，这一点从每种方法及其相关方面的发展时间表中可以看出。本文通过对比近期研究中主要的远程能量转换模型，填补了这一空白，重点探讨了柔性材料、结构力学和设备几何形状如何影响其在植入式生物医学应用中的性能。同时，本文还强调了集成挑战，包括材料选择和设备架构，以及在变形条件下的高效能量管理、稳定性和混合多功能性。最后，本文对未来材料与结构自适应系统的发展方向进行了展望，为下一代能够自主运行、无线供电且可持续运行的植入式生物电子设备奠定了基础。
FW-IMDs的材料和设计平台
FW-IMDs依赖的材料能够在保持电气功能的同时，适应生物组织的机械柔软性、曲率和运动特性。刚性电路材料或笨重的电气组件无法承受体内的弯曲、拉伸和扭转，这通常会导致炎症、器官损伤、电气接触退化以及由于器官运动引起的机械应力导致的设备寿命缩短。许多先前的研究强调了这一基本问题。
结论与展望
植入式设备中的远程能量转换技术的刚性及笨重模块正在向生物相容、柔软、灵活且适应组织的平台发生深刻转变。在WPT技术中，柔性材料和结构在感应耦合系统、电容耦合系统、超声波活性发电机、光伏发电机（PVGs）以及混合WPT系统（如柔软导体、可拉伸超薄基底、无铅压电陶瓷阵列）等方面得到了快速改进。
资助
本项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，资金来源于韩国政府（MSIT）（项目编号：RS-2025-25429261，RS-2025-25441823）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）通过韩国科学技术信息通信部（MSIT）资助的纳米与材料技术开发计划（项目编号：RS-2025-25441823）以及韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）项目（项目编号：RS-2025-25429261）的支持。
