综述：用于人体的生物电子接口：从物理结构理解到治疗设备的开发

《Progress in Materials Science》：Bioelectronic interfaces in/for human body: From physical templates understanding to therapeutical devices development

本文综述了生物电子接口在人体生理功能与疾病治疗中的作用，系统分析了自然、合成及仿生生物材料在接口设计中的原理与应用，探讨了机械兼容性、长期稳定性和跨系统整合的挑战与未来方向。

　　

袁辉|欧阳宏伟

李大顺博士与叶耀钦干细胞与再生医学中心，浙江大学医学院，杭州，中国

摘要

生物电子接口在人体中无处不在，对于生物系统在生理变化下的正常运作至关重要。人体就像一台持续运行的电子机器，充当着生物系统与周围环境之间的关键连接者。如果生物电子接口出现故障，整个身体的生命活动将会受到严重影响，导致组织退化、器官功能障碍、加速衰老，甚至引发危及生命的疾病。因此，提出“人体生物电子接口”的概念并研究其不可替代的作用至关重要。然而，目前还没有文章全面总结过人体内的“生物电子接口”。本文旨在了解人体内的生物电子接口，为治疗性生物电子产品的开发提供见解和模板。首先，我们概述了人体内的物理生物电子接口，例如神经系统中的突触接口、心血管系统中的心肌细胞连接接口以及感觉系统中的感觉接口。我们探讨了它们的结构特征、功能机制以及在生理过程中的关键作用，从而深入理解人类生命功能及相关疾病。接着，强调了人体用人工生物电子接口的设计原则，并对从天然到合成材料以及仿生材料在分子层面开发的人工生物电子接口进行了分类和分析，全面分析了它们的特点和局限性。基于近期生物电子接口的进展，系统回顾了其在肌肉骨骼系统、神经系统、皮肤系统、循环系统、消化系统、呼吸系统、生殖系统和泌尿系统中的创新应用。最后，深入讨论了人体内生物电子接口面临的主要挑战及未来发展方向。

引言

人体是一个高度复杂的生物电子系统，在生理变化的情况下，电信号和化学信号的传输对于维持体内平衡至关重要。信号转导的核心是物理生物电子接口这一关键功能单元，它们在不同系统的细胞、组织和器官之间提供了通信桥梁。[1] 这些接口在人体中普遍存在，从神经冲动在神经系统的突触传递，到心肌细胞的同步电耦合，再到皮肤或感觉器官的精确感觉转导。[2],[3],[4] 这些接口的运作对人类生命活动的正常进行至关重要，任何干扰都可能引发一系列病理后果，包括组织退化、器官病变和危及生命的疾病。

在现代医学和生物工程中，为了解决物理生物电子接口的紊乱问题，人工生物电子接口应运而生，成为电子设备和生物系统之间的关键连接者。[5],[6],[7] 从用于实时监测生理信号的可穿戴设备，到用于恢复瘫痪患者运动功能的可植入神经接口，[8],[9],[10] 人工生物电子接口的进步为提高生活质量和治疗难治性疾病提供了希望。最初，天然生物材料是这些接口的首选，因为它们与人体组织的初始相互作用具有较好的生物相容性。[11],[12] 然而，机械和电学方面的局限性成为其发展的障碍。为了克服这些限制，人们开发并应用了仿生生物材料。[13] 这些生物材料通过模仿生物组织的微观结构和功能来更好地平衡生物相容性和性能。同时，具有精确可控化学成分和物理特性的合成生物材料也被用于生物电子接口，包括无机材料、[14],[15] 有机材料[16] 以及无机-有机复合材料[17]，以满足特定设备应用的需求。尽管生物材料取得了进展，但仍存在许多挑战。我们需要改进这些材料与生物系统的连接方式，确保它们在复杂的体内环境中长期稳定运行。

鉴于生物电子接口对人类健康的重要性，相关文献中有很多优秀的综述，例如组织-电子接口（从可植入设备到工程组织）、[18] 活体组织的硬度及其对组织工程的影响、[19] 用于融合人类与机器的水凝胶接口、[20] 受皮肤启发的软生物电子材料、设备和系统、[21] 基于天然生物聚合物的可拉伸生物电子导电材料、[22] 作为下一代脑机接口的先驱材料的可植入水凝胶、[23] 以及基于核酸的可穿戴和可植入电化学传感器。[24] 然而，至今还没有文章全面总结过人体内的生物电子接口。这不利于理解人体生物系统的生物电子接口或为各种人类疾病提供治疗建议。因此，在本报告中，我们详细介绍了人体内生物电子接口的各个方面，从物理原理到治疗性设备的开发（见图1）。

在接下来的部分，我们首先概述了人体内的物理生物电子接口，例如神经系统中的突触接口、心血管系统中的心肌细胞连接接口以及感觉系统中的感觉接口。我们探讨了它们的结构特征和在生理过程中的功能机制，从而深入理解人类生命功能及相关疾病。接着，强调了人体用人工生物电子接口的设计原则，并对从天然到合成材料以及仿生材料在分子层面开发的人工生物电子接口进行了分类和分析，全面分析了它们的特点和局限性。基于近期生物电子接口的进展，系统回顾了其在肌肉骨骼系统、神经系统、皮肤系统、循环系统、消化系统、呼吸系统、生殖系统和泌尿系统中的创新应用。最后，深入讨论了人体内生物电子接口面临的主要挑战及未来发展方向。

章节片段

人体内的物理生物电子接口及组织特性

人体是一个复杂的生物系统，包含许多用于传输电信号、交换信息和调节生理功能的生物电子接口。[25] 本节重点研究人体内的物理生物电子接口，特别是神经系统中的突触接口、心血管系统中的心肌细胞连接接口以及感觉系统中的感觉接口。该分析涵盖了它们的结构特征和功能

人体用人工生物电子接口的设计原则

在现代医学和生物工程中，为了解决物理生物电子接口的紊乱问题，人工生物电子接口应运而生，成为电子设备和生物系统之间的关键连接者。这种接口的有意和系统化设计显著影响了植入人体内的生物电子系统的运行性能、寿命和生物相容性。以下部分概述了六个基本原则

基于天然生物材料的人体用生物电子接口

理想的生物电子接口必须满足三个基本要求：高生物相容性以防止免疫排斥和组织损伤、高效信号转导以确保精确的生物信号转换，以及在复杂微环境中的长期稳定性。近年来，来自人类、动物和植物的天然生物材料成为设计体内生物电子接口的首选，以解决胶质瘢痕形成和炎症反应等问题。[1] 在本节中，我们将进行研究

基于合成材料的人体用生物电子接口

生物电子接口的临床应用需要克服三个核心瓶颈：性能的可控性、长期功能性和可扩展性。虽然天然生物材料具有优异的生物相容性，但它们也存在一些局限性，如低电导率、机械性能较弱以及受自然因素影响的性能波动。合成材料通过分子设计和结构调控实现了定制化的解决方案

基于仿生材料的人体用生物电子接口

人工生物电子接口的挑战在于实现人工设备与生物组织之间的兼容性。虽然天然材料具有生物相容性，但在功能上存在局限性。人工合成材料可能会因机械不匹配或免疫原性而造成组织损伤。仿生材料通过模仿自然生物的结构或功能来克服这些局限性。在本节中，我们将系统地回顾设计原则

基于生物材料的生物电子接口在人体中的应用

生物电子接口在多系统疾病的治疗、功能恢复和生理监测方面取得了显著进展，通过促进电子设备与人体组织之间的有效互动。其核心价值在于整合天然、仿生和合成生物材料策略，以应对与生理环境相关的挑战，例如肌肉的动态机械性能、消化道的腐蚀性条件等

结论性评论与展望

在本综述中，我们从物理到人工的角度探讨了人体内的生物电子接口，并简要讨论了从分子层面理解生物材料和方法到生物电子接口开发的过程。物理生物电子接口在维持人体健康方面发挥着重要作用。如果没有它们，人体内的生理过程将会受到干扰，导致组织退化、器官衰竭甚至危及生命。

作者贡献声明

袁辉：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、数据可视化、研究、资金获取、概念构思。欧阳宏伟：撰写 – 审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52305206）的支持，并得到了上海浦江计划（编号：23PJD056）的资助。图1、图2和图3由Figdraw设计。