摘要
随着生物医学工程的飞速发展，可植入电子设备已成为临床治疗不可或缺的工具。然而，有限的电池寿命成为制约其体内长期应用的关键瓶颈。传统的手术更换电池或经皮有线供电方式存在手术风险、术后感染以及患者负担重等问题。因此，非侵入式的无线能量传输技术被视为突破该领域瓶颈的理想方案。在各种外部能源中，红外光尤其是近红外二区(Near-Infrared-II, NIR-II)的光(1000~1350 nm)，因其在生物组织内的高穿透性、高生物耐受功率密度以及良好的可控性，展现出用于可植入设备无线供能的巨大潜力。本文首先概述可植入设备供电面临的挑战以及现有无线供能方案(如射频波、超声波)的局限性，论证红外光(即近红外皮下发电机)的综合优势。继而围绕光在体内传输途径与能量转换两大核心环节，系统综述了近红外皮下发电机的核心技术策略，包括利用组织光学透明化策略或经皮水凝胶光纤等实现高效光能递送，利用光-热-电转换机制或光电-热电协同转换机制实现高效安全供能。最后，对近红外皮下发电机未来面临的挑战与发展方向进行了展望，旨在为该领域的深入研究与技术转化提供参考。
Abstract
With the rapid development of biomedical engineering, implantable electronic devices have become indispensable tools in clinical therapy. However, their limited battery life has become a critical bottleneck restricting their long-term in vivo application. Traditional approaches such as surgical battery replacement or percutaneous wired power supply have problems such as surgical risks, postoperative infections, and heavy patient burdens. Therefore, non-invasive wireless power transmission technology is regarded as an ideal solution to break through the bottleneck in this field. Among various external energy sources, infrared light, especially near-infrared-II (NIR-II) light (1000-1350 nm), exhibits enormous potential for wireless power supply of implantable devices due to its high penetration in biological tissues, high maximum permissible exposure for biological tissues, and favorable controllability. This paper first outlines the challenges of powering implantable devices and the limitations of existing wireless powering schemes (such as radio frequency waves and ultrasound), and then demonstrates the comprehensive advantages of infrared light (i.e., near-infrared subcutaneous generators). Subsequently, focusing on the two core aspects of light transmission in vivo and energy conversion, this paper systematically reviews the core technical strategies of near-infrared subcutaneous generators, including efficient light energy delivery via tissue optical transparency strategies or transcutaneous hydrogel optical fibers, and efficient and safe powering through photothermal-electric conversion mechanisms or photoelectric-thermoelectric synergistic conversion mechanisms. Finally, the future challenges and development directions of near-infrared subcutaneous generators are discussed, aiming to provide references for in-depth research and technological transformation in this field.
0 引言
现代医疗技术的进步使得心脏起搏器[1]、药物泵[2]、神经刺激器[3]以及内窥镜[4]等可植入电子设备[5]日益成为临床治疗的关键手段。这些设备在提升治疗效果[6]、促进器官恢复健康[7]等方面发挥着至关重要的作用。然而，受尺寸限制[8]，此类设备在长期稳定运行时严重受限于其内置电池的有限容量(见图1(a))[9]。目前，主要的体外供能方案存在显著缺陷：通过手术更换电池(见图1(b))会给患者带来反复创伤、潜在医疗风险以及高昂成本[10]。据统计，超过10%的植入心脏复律除颤器的患者需要进行多次手术以维持设备供电[11]。而经皮有线供电(见图1(c))[12]则因皮肤穿刺点易致感染，并发症发生率高。流行病学随访研究显示，约19%的患者在植入手术后的第一年内因经皮导线导致并发症[13]。因此，开发一种安全、高效、非侵入式的体内无线能量补充方案，已成为推动可植入医疗设备广泛普及的迫切需求。
为此，研究人员致力于探索一系列无线供能新策略。利用人体自身能量(如体温[14]、肌肉运动[15]等)的自供电系统，尽管具有微型化以及高集成度的特点，但其输出功率通常仅为纳瓦至微瓦量级[16]，仅能驱动生物传感器、低功耗起搏器等小型设备[17]。而且这种利用人体自身的能量收集手段会给器官带来额外的负荷，引起难以预料的器官风险。相较之下，利用射频波[18]、超声波[19]、光[20]等外部能量的经皮无线传输策略，因其非侵入、效率高以及体外可控等优点，被视为更具前景的方案[21]。
图
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可植入电子设备的供电困境与无线供能原理[22]：(a)常见可植入电子设备的应用场景和功耗范围；(b)通过临床手术更换电池的示意图；(c)经皮有线供电系统示意图；(d)吸收系数 𝛼 (cm-1)与光波长的关系；(e)𝑃standard与光波长的关系
从原理上讲，皮下无线供电系统的最大输出功率(𝑃op)在固定植入深度和辐射面积下，由三个关键因素决定[22]：
（1）
式中，𝑃standard表示皮肤组织对特定无线波能量的最大耐受功率密度(由国际电气电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)[23]、美国食品药品监管局(Food and Drug Administration, FDA) [24]等机构的标准规定)；𝑇 表示能量波穿透皮肤屏障到达皮下能量转换器的传输效率(与组织吸收、反射和散射系数负相关)；𝜂 表示转换器将接收到的能量转化为电能的效率。
不同无线波能源在传输效率(𝑇)、安全功率密度以及潜在损伤风险等方面存在显著差异(见表1)。其中，射频波的组织穿透能力较强，但𝑃standard较低[25]，限制了输出功率的上限，且存在潜在的间接生物损伤风险[18]；超声波作为机械波，生物相容性高，对浅层组织的𝑃standard可达720 mW/cm²，穿透性也较好[19]，但在深层组织中安全标准降低，且有空化损伤风险[26]；太阳光虽来源广泛[27-28]，但因其宽光谱特性(尤其是可见光部分)而被皮肤中的血红蛋白、黑色素等强烈吸收，组织穿透能力最弱，且存在光化学损伤风险[29-30]。
相比之下，处于组织光学窗口的近红外光，特别是NIR-II激光，展现出独特的综合优势[31]：NIR-II光的散射和吸收远低于可见光和近红外一区(Near-Infrared-I, NIR-I)光(见图1(d))，但透射率可比NIR-I光提高70%以上。NIR-I光(700~1050 nm)的𝑃standard与其波长正相关，例如808 nm激光为330 mW/cm²，980 nm激光为780 mW/cm²；而NIR-II光(1050~1400 nm，常用1064 nm)的𝑃standard高达1000 mW/cm²，是所有形式外部电磁波中最高的，是非受限环境下部分射频波的数百倍(见图1(e))。此外，NIR-II光虽然存在热损伤风险，但是避免了短波长的光化学危害[32]。因此，综合以上条件，基于NIR-II光能够实现最高的皮下能量传输效率，是生物体内无线供电极具前景的外部能源选择。
表
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不同外部能量特性对比
尽管优势显著，但近红外皮下发电机仍面临多重挑战。首先，光在生物体内的穿透能力极为有限，虽然NIR-II光相较于可见光具备更强的穿透能力，但生物组织固有的高散射特性仍是主要传输屏障，导致其在皮肤中的有效穿透深度只有毫米量级[33]。这是由于光在由不同折射率组分(如胶原蛋白与间质液)构成的组织中传播时，会发生严重的散射和角度弥散，极大限制了有效抵达皮下靶点的光通量[34]。因此，如何消除或减少这一传输损耗，是连接外部光源与植入式能量模块的关键挑战。
其次，近红外皮下发电机的能量转换受限。这是因为NIR-II光子的低能量特性使得能量转换器件难以直接将光能转换为电能，而是更多地转换为热[35]，导致光电效率进一步降低，组织受到热损伤。如何创新能量转换机制，并解决由此产生的器件温升与组织热管理问题，是实现高功率输出与高生物安全性的重要一环。
因此，如何设计微型化、生物相容性好、转换效率高的近红外皮下发电机，是实现精准、可靠无线神经刺激或高功率供能的关键。本文将重点围绕皮下光传输途径与皮下红外能量转换策略的前沿技术展开评述，包括增强组织光传输的透明化方法、实现精准能量递送的经皮光纤，以及基于光热电协同与宽角度集光的高效能量转换系统等，旨在梳理近红外皮下发电机的技术发展脉络，并展望未来挑战与方向。
1 增强组织光传输：皮肤透明化策略与仿生集光设计
构建高效、安全的近红外皮下发电机，其首要挑战在于克服生物组织对光能的强烈衰减，将足够多的NIR-II光能传输至皮下的能量转换单元。吸收与散射共同制约光在生物组织中的穿透深度，其中散射效应尤为严重(见图2(a))。皮肤组织作为高散射介质，其内部胶原蛋白、细胞(折射率 𝑛 约为1.39~1.47)与周围间质液及细胞质(𝑛 约为1.35~1.37)之间存在显著的折射率差异，形成无数光学界面，导致入射光发生多次偏折，极大地限制了光的有效穿透(见图2(b))。
为此，组织光学透明化技术提供了创新解决方案[36]。该技术的核心原理是使用高折射率试剂(如甘油、聚乙二醇(Polyethylene Glycol, PEG)、二甲基亚砜(Dimethyl Sulfoxide, DMSO)、葡萄糖等)暂时性地匹配或平衡组织内部不同组分间的折射率，从而减少散射界面的数量，降低光散射效应(见图2(c))。Chu Y J等人首次系统地将此策略用于提升NIR-II光的组织穿透能力，以增强NIR-II光热治疗(Photothermal Therapy, PTT)对皮下肿瘤的疗效[33]。研究表明，使用甘油处理活体小鼠30 min后，1064 nm激光的透射率可从32%显著提升至74%。随时间推移，小鼠背部透明皮肤组织缓慢消失并在120 min后恢复到原始状态(见图2(d))。在恢复10天后，通过H&E染色法(苏木精-伊红染色分析)对注射透明化试剂的皮肤组织进行染色。组织学分析显示，该方法对皮肤结构影响轻微，证明了其安全性和有效性(见图2(e)和图2(f))。这一工作有力证明，通过降低由折射率不均引起的散射效应，结合NIR-II光固有的低吸收特性，能够在相对较低的光功率密度下显著提升光能向深层组织的递送效率。
图
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通过皮肤透明化策略增强NIR-II光穿透的机制与效果：(a)入射光与皮肤组织相互作用的示意图；(b)折射率不均一性导致光散射的示意图；(c)用高折射率试剂(如甘油)浸润后减少皮肤散射的原理示意图；(d)在活体小鼠真皮层注射甘油后的照片(放大图中的比例尺为1 mm) [33]；(e~f)对原始(e)和经过甘油处理(f)的小鼠皮肤组织的苏木精-伊红染色分析[33]；(g)由1064 nm NIR-II激光激活的植入式光热电转换神经刺激装置的示意图[38]；(h)基于光热电转换的四层神经刺激装置[38]；(i)神经刺激装置中会聚光路的纵向横截面图，展示了由抛物面反射器聚焦的激光功率分布预测情况(由光学模拟确定) [38]
除了通过化学方法暂时改变组织本身的光学特性之外，从器件设计角度出发进行创新，以高效捕获经生物组织散射后呈角度分布发散的光能，从而增强皮下光能收集效率。传统透镜系统对入射角度敏感、依赖准直光输入且体积庞大，难以满足植入式生物电子器件对微型化、鲁棒性的要求[37]。Zhang N等人受北极罂粟花瓣结构启发，设计了一种无透镜的宽角度二次曲面聚光器(Broad-Angle Quadric Concentrator, BAQC)，构建了NIR-II光激活的无线神经刺激器件(见图2(g))[38]。该器件采用分层集成设计：顶部的BAQC聚光层、中间的光热(Photothermal, PT)转换涂层与底部的热释电(Pyroelectric, PE)层共同构成一个微型化模块，并以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)垫圈确保生物相容性(见图2(h))。BAQC层的核心是一个经过优化的反射曲面，它能够将大角度入射的散射光重新导向并汇聚，在焦平面区域形成显著增强的能量密度(见图2(i))。这种设计使其对入射光的角度偏移具有很高的容忍度(大于30°)，对散射光的收集效率可比传统透镜系统提升170%，同时器件总体积减少63%左右。该工作从器件集成的层面，为解决体内光传输的散射难题、实现鲁棒的无线供能与神经调制提供了有效方案。这种高效的宽角度集光设计，是构建高性能近红外皮下发电机的关键前端组件。它通过最大化捕获并汇聚经组织散射后的NIR-II光能，为后端的光-热-电或光电-热电转换模块提供了充足的能量输入，从而直接提升了整个发电系统的输出功率与可靠性。
2 精准能量递送：经皮水凝胶光纤技术
在构建近红外皮下发电机的系统中，为实现对体内深部、固定靶点的持续供能(例如为深部植入的起搏器或神经刺激器供电)，将光能精确引导至能量转换模块显得至关重要。对此，经皮植入导光介质是一种重要解决方案。传统的石英光纤虽然传输损耗低，但其刚性大，与生物组织的机械性能不匹配，而且较差的生物相容性，使其容易在植入和长期留置过程中对周围软组织造成损伤，并增加感染风险，限制了其在长期体内光疗中的应用。而水凝胶光学纤维因其优异的生物相容性、柔韧性和高光学透明度成为理想的替代材料[39]。但传统水凝胶光纤面临折射率对比度低、数值孔径小、易弯曲损耗、易溶胀导致结构破坏，以及制备工艺复杂等挑战[40]。
Liu Z P等人提出了一种基于原位水解制备水凝胶光学纤维(In-Situ hydrolysis-based Hydrogel Optical Fiber, ISHOF)的新策略，有效解决了上述问题(见图3(a))[41]。该纤维以硅氧烷交联的聚(2-羟乙基丙烯酸酯)为基质，通过在酸性条件下对其表面进行原位水解，生长出低折射率的凝胶包层，从而形成具有高折射率对比度(Δ𝑛=0.131)的“软鞘-硬核”结构。这种设计使其同时具备组织匹配的模量(17 kPa，鞘层)和高机械强度(380 MPa，芯层)，实现了低光衰减(0.19 dB/cm)、抗溶胀稳定性(溶胀率为3.2%)和快速制备(2 min)等优异性能的结合(见图3(b))[41]。动物实验表明，ISHOF与光敏剂协同实现深部肿瘤的持续光动力治疗，有效抑制肿瘤复发，验证了其在深部组织中进行长期、精准光疗应用的巨大潜力(见图3(c))[41]。
在实现高效、稳定光传输的基础上，介入式光疗的生物安全性，特别是如何防止治疗过程中对周边正常组织的热损伤，成为另一项关键挑战。近期，Wang Z H等人发展的自适应光学波导系统(Adaptive Optical Waveguide System, AOWS)为此提供了创新解决方案[42]。该系统在光纤末端集成了一种热响应离子液体([P4444][TsO]水溶液)，并将其作为波导门控材料。此材料具有可通过调整浓度精确调节的低临界溶解温度(Lower Critical Solution Temperature, LCST)。当光纤尖端局部温度超过预设的LCST时，离子液体发生可逆的相分离，从透明变为不透明，从而强烈散射入射光，即时切断光传输；一旦温度降至LCST以下，透明度恢复，光传输继续。活体大动物实验成功演示了该系统的植入可行性及其与光热材料、热传导机制的集成工作模式(见图3(d))[42]。这种不依赖于外部功率调节的本征负反馈热调制机制，可自主将核心治疗温度(𝑇c)与周围组织温度(𝑇a)维持在预设的安全区间内，实现了精准热管理(见图3(e))[42]。此外，AOWS的光纤出口端帽凸凹度可调，从而能灵活控制光的发散角。相较于传统光纤(水中发散角通常小于±10°)，AOWS可在更靠近病灶的位置上实现更大的均匀照射面积，显著缩短了光在正常组织中的传播路径，进一步提升了治疗精准性与安全性。上述研究者开发的ISHOF与AOWS技术分别从通路建立与过程防护两个层面，提供了精准体内深层能量递送方案，为最终实现安全、高效的深部无线光能治疗与供能系统提供了关键支撑。
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经皮水凝胶光纤用于深部组织光能递送：(a) ISHOF的原理示意图[41]；(b)在酸性条件下，在初始状态下以及进行2 min水解后的光纤横截面的共聚焦显微镜图像(比例尺为100.0 μm) [41]；(c)展示ISHOF在猪肉组织中穿行的图片(比例尺为2.0 cm) [41]；(d) AOWS在活体猪上的植入示意图[42]；(e)AOWS相对于普通光波导系统的温度控制提升效果[42]
3 近红外皮下发电的高效皮下红外能量转换机制
近红外皮下发电机在生物体内的能量转换，取决于成功递送至皮下的NIR-II光能能否被高效、安全地转换为电能。NIR-II光子能量较低，直接进行光伏转换的效率有限。这不仅造成能量浪费，难以满足供电需求，而且其伴生的光热效应还会导致器件温升，带来组织热损伤风险[32]。针对NIR-II光的特点，研究者们发展了多种创新的能量转换机制，主要包括基于温差和温变的光-热-电间接转换机制，以及最大化利用光能与废热的光电-热电协同转换机制。
3.1 光-热-电间接转换机制
鉴于NIR-II光有很强的光热效应，研究者受到启发，致力于将产生的热能转换为电能。具体而言，此机制首先将NIR-II光通过光热材料转换为热能，再通过不同的物理效应将热能转换为电能，进而实现高效的近红外皮下发电。
其一是基于塞贝克效应，利用光热转换产生的稳态温差来驱动热电器件发电。Lyu S Z等人开发了一种名为Bio-PS的光热-热电能量转换器(见图4(a)和图4(b))[37]。NIR-II光被光热层(PT层)吸收后产生热量，在植入器件内部形成稳定的温度梯度Δ𝑇，驱动下方的热电器件(TEG)发电。动物实验表明，该装置能为植入式心脏起搏器供电，在NIR-II光照射下可维持正常心电图信号(见图4(c)和图4(d))[37]。
其二则是利用热释电效应。该策略利用热释电晶体(如钽酸锂晶体)将脉冲激光照射下光热层引起的快速温度变化(d𝑇/d𝑡)转换为高压电脉冲[43]。Zhang N等人报道的基于光热-热释电转换的NIR-II神经刺激器装置结构如图4(e)所示，其光热吸收层由多层薄膜构成(见图4(e)插图)[38]。脉冲激光触发时，器件输出相应的瞬态电流脉冲(见图4(f))。将此类器件植入兔子皮下后(见图4(g))，可通过脉冲NIR-II激光刺激坐骨神经，并记录到肌肉电信号响应(见图4(h))，实现了一种微型化、可光控的无线神经刺激器[38]。
3.2 光电-热电协同转换机制
为最大化利用NIR-II光子的能量，Lyu S Z等人提出了协同能量转换策略[32]。该设计将光伏电池与热电器件垂直集成(见图5(a))。位于上层的单晶硅光伏电池将部分NIR-II光能直接转换为电能；同时，光伏转换中不可避免产生的废热被主动引导至下层热电器件，再次通过热电效应转换为额外电能。此方案不仅将有害废热高效转换为可被利用的电能，提升了整体转换效率，而且还通过主动热管理降低了光伏电池的工作温度，保障了生物安全性。
该研究选用单晶硅电池作为光伏电池，其在NIR-II波段吸收效果显著，外部量子效率为0.37(见图5(b))。在1.0 W/cm²的NIR-II光照射下，该协同器件的最大输出功率可达500 mW，高于光伏设备，且能够在一定时间内保持稳定(见图5(c))。动物实验证明了其临床应用潜力：植入兔子皮下的该器件(见图5(d))可为心脏起搏器(见图5(e))和无线内窥镜摄像机(见图5(f))供电，植入后动物恢复良好(见图5(g))。如图5(h)所示，在兔子皮下，随着NIR-II光照的周期性开关，器件输出电压发生快速、可逆的响应，并能维持在足以驱动心脏起搏器工作的稳定水平。这直接证明了其在生理环境下为植入设备提供持续、可靠电力的能力。
4 总结与展望
本文综述了近红外皮下发电机中光传输增强策略和能量转换机制方面所取得的最新进展。在光传输增强方面，组织透明化策略和仿生宽角度集光设计分别通过减少散射和有效收集散射光，显著提升了光的体内穿透深度以及传输效率；同时，高性能且柔性的水凝胶光纤为光能向深部靶点的精准输送提供了有效解决方案；此外，通过在光纤端口集成智能热响应开关，可有效避免光疗过程中潜在的热损伤风险。在能量转换方面，研究利用NIR-II光的光热效应，实现皮下光电协同转换，从而成功驱动体内心脏起搏器工作；进一步地，优化能量转换模式，通过引入光电能量转换并结合热管理，实现了百毫瓦级的高功率皮下电能输出。
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光-热-电间接转换用于NIR-II光体内无线能量转换：(a)利用非接触电能传输装置为植入式医疗设备的电池进行充电的示意图[37]；(b)在NIR-II光照射下光-热-电转换器的热传递模型[37]；(c)植入心脏起搏器并用Bio-PS驱动的兔子在开-关照射下的心电图[37]；(d) NIR-II光照射下Bio-PS驱动的心脏起搏器照片[37]；(e)光热-压电层的结构(插图为选择性吸收光热层的截面扫描电子显微镜图像，从上到下依次显示79 nm厚的SiO₂层、179 nm厚的复合Ni/AlO层以及 156 nm厚的Ni基底层)[38]；(f)通过控制温度变化获得的光热-热释电层的输出电流[38]；(g)利用NIR-II激光控制的PT-PE设备对兔坐骨神经进行刺激的示意图[38]；(h)在坐骨神经(深红色部分)以及经PT-PE设备直接输入(浅红色部分)的区域检测到了潜在的变化(这些区域均接受了1 Hz NIR-II激光的照射) [38]
尽管上述研究取得了显著进展，但近红外光驱动的皮下无线供能技术迈向实际临床转化仍面临多重挑战。首先，现有技术在深层组织(大于1 cm)中的供能效率仍有待提升，深层组织和器官对光的散射与吸收仍是主要瓶颈。其次，针对NIR-II波段(特别是大于1100 nm)的高效率、高生物相容性的光电转换器件仍有待开发，以提升整体能量利用率和输出功率。再次，植入器件的长期生物安全性、稳定性与封装技术是确保其长期工作的关键，需解决材料降解、异物反应以及与组织界面的长期兼容性问题。此外，微型化、轻薄化的近红外发电机与体外光源的便携化(如OLED等)、智能化控制也是实现其广泛应用必须要克服的关键难题。
图
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NIR-II光电-热电协同能量转换[32]：(a)由光电和热电转换组合而成的皮下NIR-II电源装置的原理图；(b)单晶硅电池在紫外-可见-近红外以及中红外波段的吸收情况(插图为单晶硅电池照片，比例尺为1.0 cm)；(c)植入式SEC设备在NIR-II光照射下长时间内的最大输出功率(红色和蓝色部分分别对应光热电转换和光伏转换过程，LPD为1.0 W/cm²)；(d)与兔子体内植入式医疗设备相连的植入式SEC设备的示意图；(e)心脏起搏器照片；(f)通过蓝牙将图像传输至手机的内窥摄影相机的照片；(g)植入手术后兔子的存活状况及伤口愈合情况；(h)在开/关式NIR-II光照射下的心电图记录；(i)由SEC设备供电的植入式内窥摄像机的示意图(该设备能够通过蓝牙将实时图像传输至手机，插图所示为实时成像的一瞬间)
近红外皮下发电机正处于从实验室原理验证向临床前应用快速发展的阶段。未来研究仍需在提升深层组织供能效率、开发相应波段高效光电能量转换器件、确保长期植入的生物安全性与稳定性，以及实现器件的高度集成与微型化等方面持续探索。通过材料科学、光学、电子工程与临床医学的深度融合，安全、高效、长寿命的近红外皮下发电机有望突破可植入电子设备的能源瓶颈，并最终惠及广大患者。
致谢
此项工作受到国家自然科学基金项目(22335008)的资助以及中国人民大学先进光转换材料与生物光子学重点实验室的支持。