综述：无线生物电子设备在下一代电疗中的应用

这篇综述系统阐述了下一代无线生物电子设备（bioelectronics）在电疗（electrotherapy）领域的最新进展，重点探讨了现场供电技术（如能量存储系统ESS、摩擦纳米发电机TENG）、人工智能（AI）实时控制系统及其在心脏起搏、神经调控等场景的应用，为开发兼具自主可控性和多功能性的生物电子解决方案提供了前瞻性视角。

　　

无线生物电子设备在下一代电疗中的应用

摘要
生物电子作为生物系统与电子设备的交叉领域，正迅速演进以应对更广泛的生物医学挑战。随着电疗技术的发展，临床和工业实践对无线、自主可控且多功能的生物电子设备提出了更高要求，这些设备能显著提升患者体验和用户友好性。本文重点探讨了无线生物电子电疗设备的现场供电技术和控制系统集成，并展望了其作为未来医疗解决方案的潜力。

引言
电疗指利用电流产生治疗效果的技术，其中电刺激（ES）作为典型模式，因其广泛适用性成为研究热点。ES通过传递电脉冲触发治疗效应，已应用于疼痛管理、心脏起搏、伤口愈合增强、神经肌肉调节等多种场景。传统电刺激器依赖电池供电和有线连接，存在手术更换电池和慢性健康问题等缺陷。现代设备则向无线化、微型化和多功能化发展，例如毫米级可植入设备、生物可吸收植入体等。然而，整合不同技术优势仍面临挑战，例如高级供电系统的长期生物相容性，以及需要更精确的生物控制系统。人工智能（AI）的引入有望实现高度自主、精准和个性化的决策。

供电系统
供电系统是生物电子设备稳定运行的关键，主要包括能量存储系统（ESS）、内部能量收集系统和外部能量传输系统三大类。

能量存储系统（ESS）
ESS涵盖电池、生物燃料电池（BFC）和超级电容器（SPC）。电池通过电化学反应将化学能转化为电能，分为锂基、锌基等类型。锌基和镁基水性电池更常用于植入设备，而锂基电池更适合可穿戴设备。例如，一种可拉伸镁空气电池采用石墨/镍泡沫阴极和镁阳极，在25°C和1 mA/cm²电流密度下提供10 mAh放电容量。生物燃料电池（BFC）利用体内生物燃料（如葡萄糖）持续发电，但输出功率较低。超级电容器（SPC）则以高功率密度和快速充放电著称，例如采用氧化单壁碳纳米管（Ox-SWCNT）电极的SPC，可在0.025–0.25 A/g电流密度下实现对称充放电。

内部能量收集系统
此类系统将人体机械或热能转化为电能，包括摩擦纳米发电机（TENG）、压电纳米发电机（PENG）和热电发电机（TEG）。TENG通过材料接触分离产生电荷，例如基于半晶聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）的PENG，每次心跳可收集0.487 μJ能量。TEG则利用塞贝克效应转换热能，但受限于低输出电压和体内热梯度维持困难。

外部能量传输系统
通过外部发射器远程供能，包括射频无线传输、光伏和超声-机械能量收集系统。例如，柔性无线供电设备通过电磁感应接收3.7–4.3 V传输电压，输出±3.3 V交流电；而半导体光伏细胞可响应638 nm激光，产生350 mV光电压用于神经刺激。

控制系统
闭环控制系统通过反馈机制确保设备安全运行，分为手动控制和自主控制两类。

手动控制
人类操作者通过射频、超声或光信号远程调控设备。例如红外光控芯片阵列可解码脉冲宽度和频率信息，实现多通道独立电刺激。

自主控制
算法或AI替代人工决策。例如瞬态闭环心脏起搏器通过生理传感器网络检测心动过缓，自动触发起搏；基于卷积神经网络（CNN）的癫痫管理设备能预测发作并提前释放药物。AI技术如机器学习（ML）通过分析生理数据趋势，实现疾病发作预测和个性化治疗。

应用场景
心脏起搏
可吸收起搏器避免二次手术，例如2.5 mm直径的微型血管内植入体。无线闭环系统整合多生理参数监测，实现自适应心脏起搏。

神经工程
无线脑探头结合智能手机和AI，远程调控癫痫治疗；可降解微导管通过镁/铁锰原电池促进周围神经再生。

伤口愈合
集成传感器和药物释放的弹性无线系统，通过电刺激和抗感染治疗加速愈合。

肌骨组织再生
超声驱动的压电界面促进骨修复；可吸收微针装置联合电刺激与抗炎药物递送，加速肌肉再生。

展望
未来方向包括：多功能集成（诊断-治疗一体化）、AI驱动的个性化医疗、家庭健康管理解决方案。尽管面临生物相容性、监管和产业化挑战，但通过材料创新（如可降解金属/聚合物）和技术融合（如混合供电系统），无线生物电子设备有望重塑电疗领域。