Advanced Materials | 自决策生物电子系统的材料与系统设计

自我决策生物电子系统标志着从传统“感知后治疗”模式向自主、闭环治疗的转型，材料创新成为关键推动力。本综述认为，材料创新是这一转变的关键推动力，能够无缝整合高性能感测、智能计算和自适应干预。我们阐明了电化学、电生理、光学和机械传感器的最新进展，这些传感器由软导体、响应性聚合物和纳米复合材料制成，如何为可靠的生理监测提供关键数据流。我们还进一步探讨了从基于阈值逻辑到神经形态计算的决策架构如何将这些数据转化为实时治疗指令。多样化的材料平台被定位为功能输出的核心驱动力，实现精准电刺激、按需药物输送、机械驱动和光学调制，这在人工胰腺系统、神经干预和智能伤口敷料中得到了验证。最后，我们讨论了系统层面的整合策略，并面对包括生物整合、可持续电力和监管转化等临床采用必须克服的持久挑战。通过材料创新的视角贯穿叙事，本综述不仅综述了当前的格局，还提供了独特的材料和工程导向视角，旨在为下一代自主和个性化医疗绘制路线图。

该研究以题为“Materials and System Design for Self-Decision Bioelectronic Systems”发表在Advanced Materials上。

常规治疗工作流程与用于自主诊断和治疗的自我决策生物电子系统的比较。(a) 在常规治疗方法中，首先通过仪器检查获取病理数据，然后由医生进行诊断，随后开展治疗干预。(b,c) 自我决策生物电子材料和系统的概念示意图，它们能够在无需人工干预的情况下自主执行感知、数据处理和治疗操作，持续根据动态病理状态调整治疗策略。由BioRender制作。

自我决策生物电子学的典型材料。由BioRender创建。

基于多种技术的电化学传感器的设计与应用。(a) 基于酶电极的代谢物靶标安培生物传感。(b) 蛋白质或核酸的伏安生物传感。(c) 不同离子的电位生物传感。(d) 不同分析物浓度的阻抗生物传感。经许可转载 [77]。版权所有 2023, Elsevier。(e) 基于高精度电化学传感器的用于慢性创伤多重监测和治疗的无线可穿戴生物电子系统。经许可转载 [80]。版权所有 2023, Wiley

电生理传感器的设计与应用。(a) 超薄水凝胶电极进行无线心电图（ECG）和脑电图（EEG）监测的示意图。经许可转载 [90]。版权所有 2025，美国科学促进会。(b) 一种佩戴在耳部的脑电图设备可以舒适且隐蔽地全天佩戴，用于记录耳道内的神经信号、检测困倦状态并提供实时反馈。经许可转载 [91]。版权所有 2024，施普林格自然。(c) 一张展示使用导电材料开发贴合电极界面的照片。经许可转载 [92]。版权所有 2023，施普林格自然。(d) 具有微/纳米结构电极的示意图。经许可转载 [93]。版权所有 2016，Wiley。(e) 可穿戴心电图噪声抑制的整体流程图。经许可转载 [94]。版权所有 2025，爱思唯尔

光学传感器的设计与应用。（a）用于开发商业化连续血糖监测系统的荧光化学传感器。经许可转载 [105]。版权所有 2024，美国化学学会。（b）一种经化学改性的碳化氮–壳聚糖–醋酸混合物，表现出类似葡萄糖氧化酶的活性，用于催化显色指示剂 3,3′,5,5′-四甲基联苯二胺在不同葡萄糖浓度下的紫外-可见吸收响应。经许可转载 [108]。版权所有 2020，Elsevier。（c）示意图显示通过皮肤间质液进行腹膜炎评估，其中 H2O2 作为指标由无痛表面增强拉曼散射标记微针检测。经许可转载 [109]。版权所有 2023，美国化学学会。（d）嵌入纳米颗粒的彩色接触镜及光学监测系统示意图，其中泪液葡萄糖引起纳米颗粒嵌入接触镜的黄色变化（Ce3 转 Ce4），由相机记录进行 RGB 分析。经许可转载 [110]。版权所有 2021，美国化学学会

压力传感器的设计与应用。(a) 常见类型的压力传感器基于电容、电阻、压电和摩擦电机制工作。经许可转载 [119]。版权 2020, Wiley。(b) 将仿皮肤压力传感器集成到机器人手中，可实现精确的物体识别。经许可转载 [121]。版权 2020, 美国科学促进会。(c) 一种柔性且高灵敏度的应变片传感器被贴合在手腕上，可在正常和运动状态下准确测量脉搏信号。经许可转载 [122]。版权 2012, Springer Nature。(d) 常用于提高压力传感器灵敏度的结构设计。经许可转载 [124]。版权 2024, Elsevier

总结

能自己会“思考”、主动给病人用药的医疗设备，正从科幻走向现实。这篇综述系统勾勒了“自决策生物电子系统”的完整图景，核心在于通过材料创新，将传统“先测后治”的医疗模式，升级为集实时感知、智能判断与精准干预于一体的闭环系统。在材料层面，文章重点梳理了导电聚合物、碳纳米材料、液态金属及可降解生物材料如何协同，构建出既柔软 biocompatible 又能高效传导信号的神经接口与传感器。这些材料构成的系统，能通过电化学或光学手段监测血糖、神经电活动等关键指标，数据经由阈值逻辑或机器学习算法“思考”后，立即触发微米级的电刺激或按需给药。

从人工胰腺到智能伤口贴片，再到深部脑刺激，这些应用展示了材料如何让设备与生命体实现真正的“对话”。比如在糖尿病管理中，系统可以实时监测血糖波动，自主决策释放胰岛素；在神经调控领域，植入设备能识别异常脑电信号并即时干预。尽管在长期稳定性、柔性封装及伦理监管上仍有挑战，但材料与算法的深度融合，正为个性化医疗铺就一条通往完全自主干预的道路。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202521164