Sei Kwang Hahn鮑哲南院士最新NRM：用于植入式和可穿戴式光子醫療設備的多功能材料

一、[導讀]

臨床上常規使用的光診斷和治療設備不計其數。這些設備通常被看作是插在墻壁上或放置在病人床邊的物品，但最近，許多新的想法被提出來用于實現植入式或可穿戴式功能設備。用于光子醫療設備的多功能材料的發展推動了許多進步。然而，光在體內的穿透深度有限，仍然嚴重制約著它們的臨床應用。

二、[成果掠影]

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近日，韓國浦項科技大學Sei Kwang Hahn、美國斯坦福大學鮑哲南院士以及美國哈佛醫學院Seok Hyun Yun合作，討論了用于診斷和治療應用的最先進的植入式和可穿戴式光子醫療設備的基本概念和一些實例。首先，本綜述描述了對下一代植入式和可穿戴式光子醫療設備的出現至關重要的新興多功能材料，并討論了其臨床轉化的路徑。然后，本綜述研究了植入式光子醫療設備的特性及其診斷和治療功能。接下來，本綜述描述了非侵入式、可穿戴式光子醫療保健設備在不同解剖應用中的典型案例。最后，本綜述討論了該領域未來的研究方向，特別是移動醫療和個性化醫療。相關論文以題為“Multifunctional materials for implantable and wearable photonic healthcare devices”的論文發表在Nature Reviews Materials上。

三、[核心創新點]

1、本綜述描述了至關重要的新興多功能材料，可用于下一代植入式和可穿戴式光子醫療設備。

2、本綜述描述了非侵入式、可穿戴式光子醫療保健設備在不同解剖應用中的典型案例。

3、本綜述討論了新興多功能材料未來的研究方向，特別是用于移動醫療和個性化醫療。

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四、[數據概覽]

• 新興多功能材料

基于光的醫療保健已成為改善患者結果的一種有前途的方法，因為它具有生物傳感、分子成像、手術和治療的多功能性和微創性。當生物組織受到光照射時，光子被細胞和蛋白質吸收和散射，穿透深度取決于波長(圖1a)。傳統上，這些基于光線的方法是通過使用放置在臨床或患者床邊的儀器來實現的。在這篇綜述中，本綜述概述了用于開發植入式和可穿戴式光子醫療設備的最新多功能材料，并討論了進一步轉化應用所需的性能。本綜述還回顧了具有代表性的植入式和可穿戴式醫療設備的特性和功能。最后，本文對未來此類設備的改進研究方向進行了展望，并對其在移動醫療和個性化醫療中的應用前景進行了展望。

多種多功能材料已被開發用于植入式和可穿戴式光子醫療設備(圖2)。本部分介紹了它們的特性及其在診斷和治療方面的應用。光響應材料的例子包括量子點(QDs)，等離子體金納米結構，過渡金屬硫化物，上轉換納米顆粒，有機半導體和化合物半導體(圖2a)。二氧化硅纖維通常用于傳統的應用，但開發柔性、生物相容性和生物可降解的波導(圖2b)在植入式醫療設備應用中引起了極大的關注。光波導應采用折射率高于周圍生物組織折射率的生物材料，其折射率范圍為1.34~1.47。為了發展這樣的系統，光子器件的關鍵部件應該滿足可變形性的最低閾值。為了開發適用于所有部件的可拉伸材料，包括絕緣體、導體和半導體，人們付出了很多努力(圖2c)。自修復能力和生物降解性(圖2d)是下一代植入式和可穿戴設備的關鍵性能，具有優化的壽命。發光化合物熒光素在酶熒光素酶的存在下被氧化，從而以光的形式釋放能量(圖2e)。熒光素和熒光素酶非常多樣，在螢火蟲、蝸牛、細菌、甲藻和真菌中都有發現。它們在不同生物體中的反應機制不同，但熒光素與熒光素酶的每一個反應都需要氧氣才能進行。生物發光共振能量轉移(圖2e)發生在產生光的生物發光供體物質和接收能量的受體之間，通過非放射性(偶極-偶極)傳輸進行傳遞。當能量傳輸時，受體產生的光波長比供體發射的光波長更長。通過這一現象，可以實時監測活細胞、細胞提取物或純化制劑中的蛋白質-蛋白質相互作用。

圖1??代表性光子醫療應用的基本機制? 2023 Springer Nature Limited

圖2??用于植入式和可穿戴式光子醫療設備的多功能材料平臺? 2023 Springer Nature Limited

• 植入式光子醫療設備

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本部分討論了用于光子診斷和用于光動力和光遺傳療法的小型化、可拉伸和瞬態器件形式的植入式光子醫療保健設備(圖3)。與使用光纖的傳統器件相比，用微型LED(μLEDs,圖3a)制作的光子器件具有許多優點。特別地，它們可以在沒有外部光源的情況下用于體內的診斷和治療。此外，μLEDs允許有效的熱管理，減少組織損傷，并最大限度地減少長期炎癥。特別是，一個用于能量傳輸和數據通信的天線對于在體內工作而不需要導線的植入式系統來說是一個關鍵的要求(圖3b)。藍牙無線通信可以使用集成電路芯片內部的小型天線，但它消耗了不可接受的大量功率。因此，大多數獨立的植入式光子系統使用大型天線。可拉伸器件是通過將可拉伸互連線以蛇形結構金屬電極的形式包含在剛性功能部件中，如LED、光電探測器和集成電路芯片中，并結合可拉伸彈性體作為基板和封裝材料來制造的(圖3c)。

大多數電子藥物通過施加電信號來刺激神經，從而影響生物系統。Opto電子藥物是通過光影響生物系統的電子器件(圖3d)。PDT治療癌癥和角化病是利用光子器件進行光電導治療的一個很好的例子。傳統上，PDT在不透明的生物組織中的光穿透力有限。光一般通過光纖傳輸到深區器官。通過植入光子器件，光可以在沒有任何阻礙的情況下直接傳輸，并成功應用于癌癥PDT。

當光子器件植入體內時，需要將其與周圍組織縫合固定在體內。為此，采用生物黏附性聚多巴胺底層修飾PDMS。通過植入μLED進行小劑量光照的節律性PDT。因此，該光子器件通過長時間發射低強度光而顯示出局部抗癌效應。由于照射直接接近，其光照強度比傳統PDT低1000倍。重要的是，它可以通過基于聚多巴胺的粘附來處理精細的組織，如腦組織，而不需要將設備縫合到底層組織。

圖3?植入式光子醫療設備? 2023 Springer Nature Limited

• 可穿戴光子醫療設備

本部分介紹了用剛性或薄膜電子元件制造的可穿戴光子設備，用于健康監測和健康干預，包括皮膚年輕化、傷口治療、精神保健和腦疾病治療(圖4)。盡管用于淚液葡萄糖監測的智能隱形眼鏡的開發取得了進展，但血液和淚液葡萄糖濃度曲線之間的滯后時間仍然是一個主要的挑戰。因此，一種測量眼部血管而不是淚液中葡萄糖濃度的智能光子接觸鏡已經被開發出來(圖4a)。隱形眼鏡上的μLED照射近紅外光以檢測結膜血管中的葡萄糖，反射光通過光電探測器進行分析以實時確定葡萄糖濃度。光子電流與樣品中的葡萄糖濃度成正比。因此，智能光子隱形眼鏡有望用于糖尿病的實時血糖監測。

盡管大多數眼鏡式可穿戴設備已被開發用于虛擬現實和增強現實中的應用，但最近的研究表明，光子眼鏡可以用于光療，并且可以舒適地接近眼睛(圖4b)。光照度可以從多方面影響人體健康，統稱為PBM。紅光或近紅外波長的光被線粒體中的生色團吸收，增加CCO的活性。基于LED和低功率激光器的光子醫療保健設備，如可穿戴面具狀的面部護膚和傷口護理設備，已經在商業上使用(圖4b)。具有高性能、低功耗和低產熱的無縫連接的可穿戴設備可以最大限度地減少對細胞的熱損傷，以便在皮膚上長期使用，可能為醫療保健應用提供一種新的范式。大面積均勻光照對于光子皮膚器件也是必不可少的。盡管一些PBM技術已經得到了臨床驗證并獲得了食品藥品管理局的清除，但仍需要進一步的研究來闡明PBM在體內的確切機制。

圖4?可穿戴光子醫療設備? 2023 Springer Nature Limited

五、[成果啟示]

由于光子醫療設備，尤其是可穿戴設備，可以方便地在家庭中使用，它們可以有助于即時檢測和個性化醫療，這對于抗癌和糖尿病治療尤為重要。對于個性化醫療而言，實時診斷和案例研究統計分析是必要的，以提供適當的補救措施(圖5)。通過這種方式，患者可以借助智能手機或類似產品，在家中舒適地同步或異步地進行遠程醫療。雖然通過連接傳統的桌面診斷系統和計算機建立了存儲和轉發式遠程醫療，但隨著具有全天候互聯網連接的無處不在的智能手機的出現，現在可以持續收集關于單個患者生物特征的海量數據，這些數據可能會指導診斷和靶向治療。如何篩選、解釋和利用這些海量數據用于臨床醫療，仍然是一個活躍的研究領域，人工智能和機器學習無疑是其中的關鍵。

圖5?移動醫療和個性化遠程醫療的示意圖? 2023 Springer Nature Limited

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

通訊作者：Sei Kwang Hahn、鮑哲南、Seok Hyun Yun

通訊單位：韓國浦項科技大學、美國斯坦福大學、美國哈佛醫學院

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

本文由溫華供稿。