《PhotoniX》：Bio-integrated flexible photonics: empowering sensing, therapeutics, and interfacing
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传统的刚性光子器件在顺应性地与柔软、曲线形且动态的生物系统接口方面存在固有局限，对其生物医学应用施加了关键性约束。柔性光子学的出现提供了一种变革性范式，通过开发由柔软、可拉伸且生物相容性材料构建的光子器件来应对这一挑战，从而能够实现无缝生物集成，为生物医学创新
传统的刚性光子器件在顺应性地与柔软、曲线形且动态的生物系统接口方面存在固有局限，对其生物医学应用施加了关键性约束。柔性光子学的出现提供了一种变革性范式，通过开发由柔软、可拉伸且生物相容性材料构建的光子器件来应对这一挑战，从而能够实现无缝生物集成，为生物医学创新带来催化机遇。在此，研究人员对生物集成柔性光子学的最新进展进行了全面综述，重点关注材料基础、结构设计以及制造策略，这些要素使得光子器件能够在承受机械变形的同时保持光学保真度和生物相容性。研究人员进一步强调了这些器件如何在传感、治疗和接口交互领域赋能应用，并最后对该新兴领域的挑战和未来方向提出了展望。
生物集成柔性光子学：材料基础与器件架构
本文综述了生物集成柔性光子学领域的最新进展，系统阐述了支撑柔性光子器件构建的材料平台、器件架构及制造策略，并重点分析了其在生物医学传感、治疗干预和人机交互等领域的典型应用。文章首先回顾了用于柔性光子学的核心材料体系，包括弹性体聚合物、热塑性和热固性聚合物、水凝胶基光学聚合物以及可生物降解和生物可吸收聚合物。随后，文章综述了柔性光子器件的典型结构设计与制造方法，涵盖光波导、衍射光栅、光子晶体（Photonic Crystals, PCs）和等离激元器件。在此基础上，文章进一步展示了生物集成柔性光子系统的代表性应用，包括生物光子传感与诊断、光子学赋能治疗以及面向人机交互和智能机器人的光子接口。最后，文章对当前领域面临的关键挑战和未来发展方向进行了展望，强调多模态集成、长期生物相容性以及自适应智能化光子系统的开发对于下一代生物集成技术的重要意义。
弹性体聚合物是构建可变形光子器件的关键材料。聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）凭借其在可见光及近红外区域超过90%的高光学透明度、可调折射率（Refractive Index, RI）（约1.40–1.44）以及优异的弹性（杨氏模量通常为1–3 MPa），成为最广泛使用的弹性体材料。PDMS可通过软光刻、复制模塑和浇铸等方式实现高保真微纳结构制备，并已用于低损耗光波导、光子晶体、可拉伸传感器和光流控器件。Ecoflex是另一类硅酮基弹性体，其弹性模量低至数十kPa，具有类皮肤柔顺性，尽管光学透明度略低于PDMS，但其高度适形能力使其适用于表皮和生物集成光子系统。聚氨酯（Polyurethane, PU）则因氨酯键结构赋予其更高模量、优异韧性和强界面粘附性，在需要机械耐久性和基底粘接的场景中具有独特价值。
热塑性和热固性聚合物为柔性光子学提供了不同的机械和加工特性。热塑性聚合物（如聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate, PMMA）、聚碳酸酯和环烯烃共聚物（Cyclic Olefin Copolymers, COCs））在加热时可软化并反复成型，具有高透明度、良好的微纳加工能力和化学稳定性。PMMA在可见光谱中透光率超过90%，RI约为1.49，适用于低损耗波导和布拉格光栅。COCs则具有超低吸湿性、低双折射和优异耐化学性，适合生物传感和光流控器件。热固性聚合物（如环氧树脂和交联聚酰亚胺）在固化后形成不可再熔的三维网络，具有较高机械强度、化学耐受性和长期稳定性，RI通常为1.5–1.6，适用于机械坚固的波导和封装层，但其弹性有限，不适用于高度变形环境。
水凝胶基光学聚合物凭借三维交联网络和高含水量，拥有与生物组织匹配的弹性模量（kPa–MPa范围）。聚乙二醇二丙烯酸酯（Poly(ethylene glycol) diacrylate, PEGDA）、聚丙烯酰胺（Polyacrylamide, PAM）和海藻酸盐等水凝胶在可见和近红外波段透明，RI通常在1.33–1.46之间。水凝胶的多孔水化结构便于功能化修饰，并可设计为响应温度、pH、离子强度或生化信号的刺激响应材料，从而实现光传播的动态调制，已用于pH响应光子晶体、热响应光开关和温度传感器等。
可生物降解和生物可吸收聚合物使瞬态光子器件能够在预定使用期内维持光学功能，随后在生物环境中降解或被吸收。合成可降解聚合物包括聚乳酸（Polylactic acid, PLA）、聚乙醇酸（Polyglycolic acid, PGA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）和聚己内酯（Polycaprolactone, PCL），其降解动力学可通过分子量和共聚比调控。天然可降解聚合物如丝素蛋白具有超过90%的可见光透光率和约1.55的RI，可通过溶液加工制备薄膜、衍射光栅、微透镜阵列和光波导。明胶、海藻酸盐和壳聚糖等天然水凝胶也具有降解性和生物相容性，适用于可吸收和组织适形光子平台。
在材料选择中需权衡机械柔顺性与光学保真度之间的关系。软而高度可变形的材料有利于共形接触，但大变形或溶胀会扰乱光学对准和折射率分布；机械坚固的聚合物虽保持结构精度，但刚度较高可能降低界面适形性。通过共设计材料化学、界面键合和器件构型，可以在一定程度上缓解这些矛盾，包括优化折射率分布、采用应变容忍几何设计和增强界面粘附等策略。
光波导是柔性光子器件的核心结构之一，通常由高RI芯层和低RI包层构成。平面PEGDA水凝胶波导可通过模铸和紫外固化制备，在450–550 nm波段实现了0.23 dB/cm的低光学损耗。阶跃折射率芯-包层水凝胶光纤由PEGDA芯（n≈1.45）和Ca2?交联海藻酸盐包层（n≈1.34）组成，在猪组织中的光学损耗为0.49 dB/cm。为提高界面结合强度，研究者发展了催化表面聚合策略，在Fe2?负载PEGDA芯上原位生长PNAGA包层。梯度折射率聚丙烯酰胺水凝胶光纤通过投影悬浮光固化3D打印制备，利用自聚焦效应实现0.25 dB/cm的低损耗。针对水凝胶网络固有的脆性问题，海藻酸盐/PAM双网络光纤通过牺牲键耗散能量，可承受高达700%的应变。动态湿法纺丝技术实现了连续化生产，光纤长度超过10 m，光学损耗低至0.18±0.01 dB/cm。可降解波导方面，丝素蛋白直写印刷波导的传播损耗约为0.25–0.81 dB/cm；PLA/PLGA生物可吸收波导通过熔融压塑和激光切割制成，可通过组分调控降解半衰期（数天至数月），并已用于深层组织光化学组织粘合。PEGDA-DTT可打印水凝胶波导的光学损耗低至0.1 dB/cm，且降解速率可通过PEGDA/DTT比例调控。弹性体波导适用于空气环境下的可穿戴应用，PDMS波导通过毛细填充复制制备，在10%伸长率下经80,000次拉伸循环后仍保持稳定传输。PDMS芯-包层光纤通过调控单体与固化剂比例实现RI差，杨氏模量约1.28 MPa，可拉伸约134%。热塑性弹性体共挤出方法可连续生产长达200 m的阶跃折射率光纤，应变承受能力达300%。
衍射光栅通过周期性微结构实现波长相关的光调制。灰度电子束光刻技术可在聚乙烯醇水凝胶薄膜中集成碳量子点，构建单向发射光栅，发散角小于1.5°，衍射角大于45°。热扫描探针光刻可在丝素蛋白水凝胶上制备可调的1D和1.5D超光栅。飞秒双光子聚合光刻技术（Two-Photon Polymerization Lithography, TPL）能够构建2.5维动态结构色光栅，但软水凝胶的低模量容易导致结构塌陷。脱水辅助直接激光写入方法通过暂时增强水凝胶刚性实现了亚微米精度的表面光栅图案化。模板复制方法中，软纳米压印光刻可在数秒内将亚50 nm图案复制到丝素蛋白薄膜上，形成兼具光学衍射和生物化学传感功能的柔性光栅。基于聚丙烯酸/聚环氧乙烷立构复合物的可拉伸全聚合物光栅在500–1400 nm范围内透光率超过80%，在70%应变下保持可逆衍射调节，机械伸长率超过800%。
光子晶体是具有光子带隙（Photonic Bandgap, PBG）效应的周期介电结构。自上而下方法包括软纳米压印、全息光刻和直接激光写入。纤维素纳米压印光子晶体膜可实现厘米级面积均匀的结构色。全息光刻通过多光束干涉在水凝胶光刻胶中记录三维周期光强分布，制备面心立方对称的3D光子晶体。支架辅助直接激光写入技术利用琼脂糖-SiO?胶体晶体作为牺牲支架，在激光曝光期间提供光学稳定和机械支撑，随后在二甲亚砜中溶解支架，成功制备了具有立方、六方和金字塔几何构型的三维PEGDA水凝胶光子晶体。自下而上胶体自组装方法包括离心力组装、电场/磁场辅助组装、毛细力介导的蒸发诱导自组装和剪切诱导组装。通过将PDMS、PU或水凝胶前驱体渗入胶体模板并去除模板，可获得具有机械变形能力的反蛋白石或复合结构光子晶体，用于机械变色和生化传感。
等离激元器件将金属纳米结构与柔性基底结合，利用表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）实现高灵敏度生物传感。自由站立等离激元纳米结构可通过聚苯乙烯包覆金纳米立方体的自组装和微刮刀诱导卷曲工艺形成三维螺旋结构，具有弹簧般弹性和手性光学响应。DNA工程等离激元水凝胶中，DNA功能化金纳米棒作为动态交联剂，在660 nm光照下发生可逆的光热诱导网络重构，实现偏振相关颜色变化和可调等离激元响应。双网络水凝胶中嵌入金纳米棒可实现应变诱导的可逆偏振光学调制。原位种子生长法可在甲基丙烯酰化明胶水凝胶表面选择性生成金纳米星，显著增强表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）活性。模板剥离技术可将高质量金属纳米结构转移到PDMS基底上，通过机械应变可逆调谐等离激元共振波长。
生物集成柔性光子系统为动态生物环境中的光传输、感知和调控提供了稳定的适形平台。在生物光子传感与诊断方面，可穿戴物理监测利用柔性光波导和光子晶体实现心率和呼吸监测。基于GNP掺杂PDMS光纤的应变传感器能够贴附手腕提取动脉脉搏信号，并可通过全弹性体夹层结构检测呼吸引起的低频形变。多模聚合物光纤的散斑场调制可实现高保真脉搏波提取。柔性光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）嵌入软PDMS基底可耐受50%应变，用于语音、面部表情和关节运动监测。温度传感采用双波长比率荧光策略抑制应变-温度串扰。可拉伸光子晶体传感器通过晶格周期变化产生结构色，用于体温和运动检测。热致变色等离激元微凝胶贴片可实现大面积皮肤温度可视化。
生化与代谢传感方面，pH响应水凝胶光纤可整合入伤口敷料，通过智能手机成像实现连续表皮pH监测。可穿戴SERS传感器基于半中空金纳米纤维网络，可在皮肤表面直接无标记检测汗液中的尿素和抗坏血酸。荧光智能隐形眼镜利用硼酸葡萄糖探针和内参荧光团实现比率荧光检测，检测限低至23 μM，并在兔眼中验证了稳定性。硅酮水凝胶隐形眼镜采用C18修饰探针锚定于硅水界面，实现泪液pH和氯离子的比率检测。植入式传感方面，海藻酸盐水凝胶光纤通过引导560 nm和640 nm照明光并收集散射光，实现了活体小鼠血氧饱和度实时监测。可降解丝素薄膜传感器利用Pd(II)卟啉的磷光寿命淬灭效应追踪皮下氧分压。注射式葡萄糖响应水凝胶光纤基于荧光苯硼酸单体，可通过注射植入真皮浅层实现长期血糖监测。神经化学传感方面，包裹GRAB荧光探针工程细胞的PEGDA水凝胶光纤可在自由活动动物脑内实时记录多巴胺等神经递质动态。
多参数和多模态诊断整合方面，机器学习逆建模可从单模光学应变波形中同时估算心率、呼吸率、血压相关指标和生物识别信息。多模态光子传感器将UCNP掺杂弹性体芯与pH响应PAM水凝胶包层结合，通过热耦合上转换发射、辐射能量转移和波长依赖吸收形成三个光谱解耦通道，实现脉搏、呼吸、皮肤温度和汗液pH的同步监测。光电混合多模态传感器集成激光诱导石墨烯叉指电极与微光纤长周期光栅，在单一软平台上实现压力、形变、组织硬度的波长编码响应和电化学葡萄糖检测。
光子学赋能治疗方面，温敏自适应水凝胶光纤基于NIPAM的热响应相变，在低于低临界溶解温度（LCST）时透明，高于LCST时散射增强，可在介入光热治疗中提供内在光学反馈，实现对深部肿瘤的有效消融。植入式上转换器件将软高折射率聚合物波导与GaAs-InGaP微型上转换模块集成，将810 nm红外光转换为630 nm发射，在肿瘤微环境中产生活性氧，在超过10 mm深度实现高效光动力治疗，并可在治疗结束后完整取出。柔性可降解光子贴片将光纤输出转换为大角度厘米级光场，无需将光纤插入组织即可实现超过1.5 cm的穿透深度，支持多波长操作和微创部署。
光遗传治疗方面，疲劳抗性水凝胶光纤通过在PVA芯中引入聚合物纳米晶域并强化硅胶-水凝胶界面，实现了473 nm波长下约1.07 dB/cm的低光学损耗和超过30,000次拉伸循环的机械耐久性，可在自由活动动物体内稳定进行至少8周的光遗传激活。热拉制PLA光纤作为完全生物可吸收波导，支持深脑光遗传刺激，并在神经组织内逐渐溶解，炎症反应显著降低。基于PEDOT:PSS的拓扑水凝胶神经探针结合了高导电性、光学透明性和组织匹配柔软度，实现了光遗传刺激和电生理记录的无伪影双向接口，并在卒中模型中通过重复光遗传神经调控显著减小梗死体积。
光子学控制按需药物释放方面，同轴打印核壳水凝胶纤维由聚多巴胺/海藻酸盐光热壳和高浓度明胶核组成。808 nm照射下，光热壳快速升温至明胶溶胶-凝胶转变温度以上，使核液化并通过纤维末端释放药物，实现严格按需释放。可拉伸药物递送光子贴片集成热响应聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）水凝胶和光子晶体结构，通过外部磁场排列Fe?O?@C纳米颗粒形成一维周期结构。低于LCST时水凝胶溶胀实现药物负载，高于LCST时疏水塌缩排出药物，同时光子晶体晶格间距变化提供实时光学反馈，实现了细菌感染创面的有效治疗。
面向人机交互和智能机器人的光子接口方面，柔性等离激元光学触觉传感器可共形贴附于人手，通过LSPR效应实现接触力快速检测（低于23 ms）和压力分布成像，用于手势识别。智能手套采用弹性体光纤应变传感器感知指关节弯曲，实现虚拟手模型控制。高密度光子触觉阵列基于多层平面波导架构，总厚度低于150 μm，包含27个传感像素，可实现约9 mm空间分辨率的多点力检测。双芯弹性体分布式光纤通过染料掺杂和波长依赖吸收，支持弯曲、拉伸和压力的连续分布式传感，空间分辨率约1 cm，集成于软手套后可实时重建手指运动和外部机械输入。
先进机器人系统方面，仿生假肢手将可拉伸光波导嵌入软执行器体内，通过监测形变引起的光传输变化实现曲率、伸长和局部压力多模态触觉感知，可重建表面轮廓、辨别纹理并执行物体识别。磁驱动多材料光纤机器人集成中红外激光递送芯层，可导航复杂解剖路径并在狭窄手术环境中实现精确组织消融，在鼠胫骨上实现了毫米级精度、边缘光滑的骨切除。光学驱动方面，碳纳米管掺杂液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer, LCE）芯层和低折射率LCE包层构成的光纤可通过光热转换诱导向列-各向同性相变，产生可控热机械收缩。集成多个LCE光纤执行器和内窥镜相机的探头在荷瘤兔肝模型中实现了图像引导的实质内导航和局部光热消融。
未来展望方面，材料层面将聚焦于具有可编程机械、光学和生化性能的光子聚合物，实现折射率、弹性、降解动力学和生物交互的独立而耦合调控。刺激响应性和自修复聚合物有望构建具有长期韧性和自主修复能力的光子结构。器件架构将向集成波导、传感、驱动和计算功能的多功能柔顺平台发展，三维微纳制造技术如投影微立体光刻、双光子聚合和多通道湿法纺丝将提供前所未有的空间控制能力。柔性可重构超表面有望在柔顺基底上实现光相位、振幅、偏振和光谱响应的紧凑控制，但需解决机械鲁棒性、可扩展纳米制造、生物相容封装和重复变形下的稳定光学操作。治疗和诊断系统将向结合机械、热、生化、电生理传感与光疗、光驱动药物释放和闭环反馈控制的多模态平台推进，需与柔性电子、微流控和机器学习信号分解紧密集成。长期植入需深入理解材料-组织相互作用、免疫反应和降解产物。临床转化要求系统评估安全性、可靠性和可制造性，包括长期皮肤相容性、抗汗液和脱水能力、重复机械载荷下的耐久性、灭菌兼容性和封装可靠性。标准化生物相容性测试、加速老化研究、机械疲劳评估和可扩展制造协议必不可少。在生物医学应用之外，柔性光子接口在软体机器人和智能假肢中具有广阔前景，高密度光子传感网络可赋予机器人类人触觉和本体感觉，分布式光通信通道有望支持机器人自主决策和安全人机交互。可扩展制造、稳健光学互连和适应大变形的光子架构将是推动该领域发展的关键。
