综述：用于无线诊断和治疗的植入式磁电生物电子学技术

《eScience》：Implantable magnetoelectric bioelectronics for wireless diagnosis and therapy

实时生理信号获取与靶向干预是智能健康管理的前提，磁电生物电子学（MEBs）通过磁电效应实现无线能量传输与信号处理，在植入式设备中展现应用潜力。MEBs材料体系涵盖压电（PE）与磁致伸缩（MS）复合材料，结构分为核心-壳层、2-2型、0-3型三类，分别应用于疾病治疗、能量收集与信号检测。核心-壳层MEBs通过纳米粒子靶向递送药物并刺激神经，2-2型利用多层结构增强能量转换效率，0-3型则结合柔性生物相容性材料促进组织再生。当前挑战包括材料性能优化、柔性适配与生物安全性提升，未来需开发多功能集成芯片并加强临床转化研究。

　　磁电生物电子（MEBs）作为一项新兴的无线技术，正在为智能健康管理和医疗设备的未来发展提供全新的解决方案。MEBs通过结合压电（PE）和磁致伸缩（MS）材料，实现了电场与磁场之间的耦合效应，从而能够在不依赖电池或有线连接的情况下，进行生理信号的采集、疾病治疗以及能量收集。这种技术不仅克服了传统皮肤贴附式设备在精度、持久性和安全性的不足，还为开发具有自主供电能力的植入式医疗设备提供了可能性，使得无线生物电子系统能够更高效、更安全地应用于体内，如脑部和周围神经的刺激，以及组织修复等。

MEBs的核心在于其独特的磁电耦合机制，这种机制允许通过外部磁场激发内部电响应，从而实现信号的采集与传递。根据不同的耦合方式，MEBs可以分为三种主要的连接结构：核心-壳层结构、2-2结构和0-3结构。这些结构分别通过不同的物理机制实现电场与磁场之间的相互作用，为不同类型的生物电子应用提供了灵活的选择。例如，核心-壳层结构由于其纳米级的尺寸和可调的耦合特性，适合用于精准的信号检测和疾病治疗；而2-2结构则因为其较大的界面面积和较强的耦合性能，常用于能量采集和信号转换；0-3结构由于其良好的生物相容性和柔韧性，更适合用于组织工程和生物支架的构建。

在实际应用中，MEBs展现出了多种潜力。例如，通过磁场激活ME材料，可以实现对脑部活动的非侵入式检测，这一技术已经被应用于帕金森病患者的脑刺激和信号采集。此外，MEBs还能够通过无线方式对神经进行刺激，避免了传统电极带来的感染风险和稳定性问题。同时，MEBs在疾病治疗中的应用也取得了显著进展，如利用磁场引导的纳米粒子进行靶向药物输送，以及通过磁电耦合效应对癌细胞进行破坏或对骨组织进行修复。这些应用不仅展示了MEBs在医疗领域的广泛前景，也揭示了其在实现个性化医疗和远程监控中的巨大价值。

为了进一步提升MEBs的性能和应用范围，研究人员正在探索多种材料和技术的优化路径。在材料选择方面，传统的PE和MS材料虽然在某些领域表现出色，但它们的生物相容性和柔韧性往往不足。因此，开发具有更高生物相容性和更优机械性能的复合材料成为当前研究的重点。例如，通过将磁致伸缩纳米粒子嵌入到可降解的PE聚合物基质中，可以实现兼具高磁电性能和良好生物相容性的ME复合材料，这种材料不仅能够满足体内环境的要求，还能通过降解来减少长期植入可能带来的副作用。此外，为了提高MEBs的灵敏度和响应速度，研究人员正在尝试优化其结构设计，如采用1D纳米链和核心-双壳纳米盘等新型结构，以增强磁场与电场之间的耦合效率。

在生物相容性方面，MEBs的表现也备受关注。研究表明，许多ME材料在体内和体外环境中都表现出良好的安全性，包括无毒性、无显著炎症反应以及良好的细胞适应性。例如，某些纳米粒子材料在体内应用后，不会引起明显的组织反应，并且能够在体内环境中保持稳定。同时，体外实验也显示，ME材料能够促进细胞的增殖和分化，这为组织工程和再生医学提供了新的研究方向。然而，尽管MEBs在生物相容性方面表现优异，其长期稳定性和安全性仍需进一步研究和验证，特别是在长期植入后的生物反应和材料降解问题上。

随着MEBs技术的不断进步，其在实际医疗应用中的挑战和机遇也日益显现。一方面，MEBs在能量采集、信号检测和疾病治疗中的表现已经超越了许多传统技术，为开发更加智能和高效的生物电子设备提供了可能。另一方面，其在实际应用中仍面临一些关键问题，如磁场的安全性、材料的生物相容性、能量转换效率以及设备的微型化和可穿戴性。这些问题的解决将直接影响MEBs在临床中的推广和应用。例如，为了提高MEBs在体内环境中的安全性和有效性，需要进一步优化其材料组成和结构设计，使其能够适应不同的生物环境，并减少对健康组织的潜在影响。

未来，MEBs的发展方向将更加多元化。一方面，随着材料科学和生物工程的进步，MEBs有望在更广泛的生物医学领域中得到应用，包括更复杂的疾病治疗和更精细的信号采集。另一方面，MEBs的多功能集成将成为研究的热点，例如开发能够同时实现能量采集、信号检测和疾病治疗的复合芯片。这种集成化设计不仅可以减少设备的体积，还能提高其整体性能，使其在实际应用中更加高效和便捷。此外，随着MEBs技术的成熟，其在可穿戴设备和远程医疗中的应用也将进一步扩展，为个性化医疗和实时健康监测提供新的可能性。

总之，MEBs作为一种结合了磁电耦合效应的新兴技术，其在生物电子领域的应用前景广阔。通过不断优化材料选择、结构设计和生物相容性，MEBs有望在未来的医疗健康领域发挥更大的作用。同时，随着技术的成熟和应用的深入，MEBs也将在解决当前生物电子设备所面临的诸多挑战方面展现出独特的优势，如降低感染风险、提高设备灵活性以及实现无线能量传输等。这些进展不仅将推动生物电子技术的革新，还将为患者的治疗效果和生活质量带来实质性的提升。