无线调制的另一种方法涉及应用半导体材料，该材料可以收集光并将光转换为电或光电子刺激。这些设计中的大多数都依赖于光电二极管配置，其中 p-n 或 p-i-n 结是通过连续层中的掺杂变化产生的。此外，为了产生足够的光电流，硅 p-i-n 结的表面必须用金属修饰，并且需要高功率密度的光，这限制了它们的治疗效用。
用于类似二极管性能的另一种很少被探索的策略涉及创建纳米多孔/无孔半导体异质结，其中纳米孔和无孔半导体组件显示不同的能带结构。据所知，这种基于孔隙率的半导体异质结尚未用于生物电子学研究。然而，它代表了一个吸引人的候选材料，因为它产生了一个纯半导体-生物流体界面（没有掺杂剂调制或金属修饰），并且由于界面纳米多孔层的孔隙率，它可能产生更易变形的生物界面。
鉴于此，以色列理工学院Menahem Y. Rotenberg和芝加哥大学田博之等研究人员开发了一种快速有效的方法，通过结合染色蚀刻和高功率氧等离子体处理来获得具有强光电化学性能的纯硅多孔基异质结。
多重优势
1）这种方法允许用块状硅简单直接地制造光电器件，迄今为止，这一过程需要广泛而复杂的仪器，如自下而上（例如，化学气相沉积）或自上而下的制造方法。为了证明这种材料在光诱导生物调制中的实用性，研究人员制造了柔性晶体硅膜，它可以转换具有低光功率密度的光脉冲，以允许过度驱使心脏起搏和神经束激活，从而导致骨骼肌收缩。
2）除了缺乏基因修饰之外，该技术相比光遗传学的另一个优势是这些设备能够用组织穿透近红外 (NIR) 光调节组织，这表明它们在多种治疗应用中的潜力。
染色蚀刻用于雕刻硅表面，形成一组方向与表面平面正交的纳米孔。这是一种化学蚀刻方法，是传统电化学或金属辅助蚀刻的替代方法，由强氧化剂（通常是氢氟酸/硝酸溶液）的空穴注入半导体材料的价带产生。在过去的十年中，由于其低成本的实施以及通过简单地调整处理参数（例如蚀刻时间和酸和表面活性剂浓度）来生产不同类型的多孔结构的多功能性，它引起了极大的兴趣。研究人员使用氢氟酸和硝酸进行无金属蚀刻，直接在 p 型晶体硅中生成纳米多孔/无孔硅异质结。
图|纳米多孔/无孔硅材料可实现高效的光电化学效应，其仿生结构使其适用于生物界面。
增强光电化学性能
扫描透射电子显微镜分析证明了材料表面的多孔化以及纳米多孔层和下面的块状材料之间存在清晰的界面。由于蚀刻溶液的侵蚀作用，即使是很短的蚀刻时间（10 秒）也足以在光照下从材料产生强光电流。氧等离子体处理后的表面活化进一步提高了光电化学性能，特别是在未处理样品的光电流产生和阻抗降低方面。这些影响归因于薄氧化物层的形成，增加了可用于电流注入的表面积，以及表面亲水性的提高，从而增强了电极表面和电解质之间的离子转移。
图|材料结构的显微镜分析
图|筛选光电流产生的蚀刻条件
生物医学应用
染色蚀刻在调整多孔结构方面的多功能性能够控制吸收的波长，从而在选择用于刺激的激光源时提供更大的灵活性。此外，将纳米多孔结构锚定在柔软的薄硅胶膜上的可能性可以实现无线生物医学应用，例如坐骨神经刺激。详细地讲，作者将纳米结构装置放置在神经表面，并使用弹性膜将其包裹在组织周围。
纳米结构设备的脉冲激光照明（使用可见光或近红外光）导致肌肉激活，这通过肌电图和纤维招募分析测量，通过在神经的横向扫描光源，证明了不同的肌肉群收缩。由目标神经支配的不同肌肉纤维的选择性激活预示着有趣的临床可能性，因为它允许用单个装置引发多种生理反应。
图|离体心脏的起搏
图|体内坐骨神经刺激
小结
如今，我们是站在前几代科学家的肩膀上，他们曾在 60 多年前就已经概念化了 e-Neuro 设备。他们正在达到技术成熟阶段，这将很快允许他们进行全面的临床开发。然而，由于它们的工作原理，这些系统总是具有先前描述的缺点。因此，现在至关重要的是继续设计基于不同工作原理的技术解决方案。这些方法必须比 e-Neuro 设备更具选择性和安全性，但同时在概念和技术上“易于”转化为临床应用。该研究正是朝着这个方向进行的。作者使用兼容且多功能的设备展示的性能使我们能够可视化基于充当能量传感器的纳米结构材料的新一代神经调节设备，扩展了先前基于光热和压电效应的功能。
图|基于纳米技术的神经调节原理
尽管前景光明，但挑战依然存在。
1）这种方法需要在长期实验期间在更大的动物模型中得到更广泛的验证，以充分表征其潜力和局限性。在更接近人类的动物模型中进行测试是向临床试验转化的关键一步。
2）此外，该技术的稳健性，在植入数月后，需要更仔细的检查。
3）最后，更深入地了解光电神经调节的基本机制将允许进一步优化。先进的生物物理模型的开发将代表这方面的关键一步，如电气和非电气方法所示。然而，该论文提出的方法可以代表下一代神经假体的主要组成部分，用于运动功能恢复和感觉反馈，或用于自主神经系统的神经调节，因此提高这些设备的功效、长期可用性和临床影响至关重要。
参考文献：
Prominski, A., Shi, J., Li, P. et al. Porosity-based heterojunctions enable leadless optoelectronic modulation of tissues. Nat. Mater. 21, 647–655 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01249-7
