综述：光伏生物电子学在生物调节和生物传感方面研究进展
2024-12-08 10:19:36 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文总结了新一代半导体光伏（PV）在“结合生物材料的光伏、光介导的生物应用、基于光的生物传感应用、人工视网膜”方面的最新进展。
由于光在医学、生物技术、生物传感和生物电子学等领域具有广泛的应用，因此了解光与生物材料之间的相互作用吸引了极高的关注。光可以通过天然存在的光反应蛋白直接刺激细胞，也可以通过非生物材料（包括薄膜和纳米粒子）间接刺激细胞。这种相互作用可用于激发细胞响应，为显微镜和X射线等医疗技术的发展奠定了基础。特别是，直接光刺激可以通过黑色素生成、光松弛和昼夜节律调节等过程影响眼睛以外的皮肤、血管和大脑等各种组织。
半导体对光敏感，可用作生物实体（例如生物分子、细胞或组织）光刺激的换能器，其特性可以实现以光介导的刺激、传感、监测和生物系统控制。目前，在半导体材料中，硅是最成熟的生物电子学材料，其显著应用包括光刺激小鼠神经元、人工视网膜植入（已获临床批准）、动物模型，以及用于深层组织神经调节和测量的植入式微型器件。然而，硅材料固有的刚度限制了它的广泛应用，尤其是在对柔性有要求的场景。
有机半导体（OSC）等新一代半导体，在与光的电相互作用中具有与传统半导体相同的特性，而聚合物材料在柔性方面具有优势，同时在生物领域也具有优势。有机半导体具有在生物水电解质溶液中同时传导电子和离子的独特能力，从而将生物系统基于离子传导的典型传输机制与标准电子器件基于电子的传导机制连接起来。这些优势使它们可以用于各种新颖的应用，包括在各种动物模型中植入人工视网膜，利用有机半导体平台对生物细胞进行光刺激，以及基于光的生物传感应用。
聚合物形式的有机半导体可以通过沉积工艺形成薄膜，甚至通过喷墨打印等技术沉积为微小像素，并与生物系统连接。聚合物还能够以纳米粒子的形式直接注入活细胞或组织的表面或内部。其应用包括小鼠视网膜、生物细胞的光调制以及生物传感和生物检测等。染料敏化太阳能电池（DSSC）具有高灵敏度和电自主性，特别适合光介导的生物传感应用。
此外，基于有机半导体的人工视网膜的开发灵感也来源于DSSC结构的改进。从人类视网膜的颜色感知和神经形态处理中汲取灵感，甚至可以利用钙钛矿半导体来制造基于R/G/B光电探测器的窄带无功耗全色成像传感器，而无需复杂的光学滤光片，或在R/G/B光电探测器上添加宽带白色钙钛矿传感器或紫外线传感器，以及用于仿生光传感的半球形纳米线阵列。尽管钙钛矿在水性生物环境中的稳定性和潜在毒性仍然是其广泛应用和植入的挑战，但钙钛矿以其在光电子学中的高效率而著称，为生物光电和生物传感应用的未来发展提供了令人兴奋的机遇。
据麦姆斯咨询介绍，美国宾州州立大学、浙江大学和意大利罗马第二大学的研究人员在npj Biosensing上发表了一篇题为“Photovoltaic bioelectronics merging biology with new generation semiconductors and light in biophotovoltaics photobiomodulation and biosensing”的综述性文章。该论文总结了新一代半导体光伏（PV）在“（i）结合生物材料的光伏；（ii）光介导的生物应用；（iii）基于光的生物传感应用；以及（iv）人工视网膜”方面的最新进展。
本综述介绍的光伏生物电子学主要专题
本综述分析了基于有机、钙钛矿和染料敏化半导体的新一代光伏技术与生物系统的融合，该研究分支被称为光伏生物电子学。这些半导体制造技术的进步以及材料特性的改进，结合生物材料的应用开辟了新前景：生物光伏的能量收集，光刺激生物混合器件中光诱导响应的调制，生物传感新概念，以及用人工视网膜和视觉模型模拟光感受器细胞的功能。
光伏生物电子学领域的期刊文献分析
生物材料与部分新一代半导体材料设计之间的良好兼容性，使得在多层光伏器件堆栈中引入各种生物材料成为可能。例如，在有机和钙钛矿太阳能电池中加入DNA等生物材料作为中间层或半导体薄膜，成功地提高了器件的性能和稳定性。从上图也可以看出，过去10年来，人们对生物光伏领域的兴趣与日俱增，尤其是与钙钛矿和有机半导体有关的领域（数据收集自SCOPUS，使用的关键词包括钙钛矿和生物材料等，涉及每种新一代光伏）。同样显而易见的是，在DSSC中用天然染料（例如植物提取的色素，使用最多且性能显著的是叶绿素）替代合成染料，仍然是生物光伏领域研究最多的领域。要成功将这些材料用于发电，必须在器件性能和稳定性方面实现重大改进。
生物材料用于有机太阳能电池
将生物材料融入有机半导体、钙钛矿和染料敏化材料等新一代半导体中，已在光伏和电子领域取得重大进展，生物材料在增强功能性、提高稳定性以及引入新的性能优化机制方面展示了诸多优势。
用于生物细胞光生物调制的有机半导体
对于有机半导体，蛋白质和酶等生物材料可用于创建生物电子界面。这对于开发有机生物传感器和神经接口尤其有用，因为材料的生物相容性对于实时监测大脑活动或检测生物信号等应用至关重要。由此，融入有机半导体的生物材料可增强生物兼容性，这对于药物输送系统、生物集成电路甚至人造组织等体内应用也至关重要。通过生物识别元素（例如抗体或酶）对有机半导体进行功能化，新开发的材料可以检测各种生物分子，从而增强它们在医疗诊断中的应用。
利用光进行生物传感的钙钛矿
对于钙钛矿半导体，DNA和脂质等生物大分子有助于调节结晶过程，减少晶界缺陷的形成，从而提高材料的器件性能和环境稳定性。此外，生物分子的引入还扩大了钙钛矿在生物传感领域的应用。由于生物分子对特定目标分析物的亲和性，生物功能化的钙钛矿可定制用于生物分子的灵敏检测系统，使其成为医疗保健或环境监测领域生物传感器的理想候选材料。
利用光进行生物传感的染料敏化薄膜
对于染料敏化材料，叶绿素、花青素（来自水果和植物）和其它天然色素等生物材料可用作天然染料敏化剂。这些生物大分子无毒、可生物降解且易于获得，是合成染料的可持续替代品。此外，将生物材料整合到染料敏化材料中，还拓宽了这些材料的应用范围，使其超越了传统的太阳能收集应用。目前正在探索将生物敏化太阳能电池用于光合能量收集，将天然光系统中的生物分子直接融入细胞，模拟光合作用过程，进而在生物混合系统中产生能量。
人工视网膜因其对社会的巨大潜在影响而备受关注。人工视网膜领域已经取得了长足的进步，从需要电池、处理器和软件等辅助工具的基于金属电极的粗糙大型植入装置，发展到自供电光伏半导体人工视网膜器件，植入动物模型后无需维护。半导体的柔性、生物兼容性和与生物系统的整合性，对人工视网膜应用的选择有重要影响。有机半导体因其柔性、生物相容性以及经证实的刺激生物细胞的能力而备受青睐，这使其非常适合无缝集成到生物环境中。这项研究经历了巨大的升级，从体外装置证明薄膜有机半导体上的失明视网膜刺激，到植入式人工视网膜，例如Polyretina，再到可注射的聚合物纳米粒子，降低了动物模型的手术难度。
基于有机半导体的人工视网膜
尽管从原始器件到可注射纳米粒子的技术飞跃令人印象深刻，但要将这种技术用于人类视网膜营养不良症的常规治疗，还需要很多改进。相比之下，钙钛矿半导体虽然在光伏领域表现出卓越的性能，但在生物电子学领域却面临着相当大的挑战。它们的不稳定性和有限的生物相容性对其在生物环境中的应用构成了重大障碍。尽管钙钛矿在光电子学领域大有可为，但它们从未被开发成植入式应用，而是被用作视网膜神经形态器件。因此，尽管钙钛矿显示出了潜力，但在将其有效地用于生物系统中的人工视网膜之前，还需要对其稳定性和生物相容性问题进行实质性的改进。
迄今为止，用于人工视网膜的最有趣的光伏材料大多基于有机半导体。一旦钙钛矿解决了在潮湿环境下的不稳定性和铅的毒性问题，不仅将利好太阳能电池领域，也将有利于视觉领域的发展。过去10年中，随着人工视网膜的应用，用于光调制的有机半导体也取得了很大的发展。
基于钙钛矿半导体的人工视网膜和视觉系统
尽管光伏生物电子学领域取得了巨大进步，但仍有一些挑战需要解决。从本综述中可以明显看出，在新一代光伏中加入生物材料可引领该领域走向更环保的技术，但必须进一步提高稳定性和功率转换效率。值得注意的是，水生藻类等生物材料已被用作太阳能电池中的光收集元件，取代传统的半导体来产生生物电。虽然产生的光电流小于工业同类产品，但这项研究为能量采集以及光伏生物电子学的其它方面打开了一扇通往完全绿色光伏的大门。
光基生物应用的新一代光伏需要更好的优化，使其具有生物相容性和紧凑性，以便于植入体内，或许可以将其植入细胞内部或细胞表面，而不是植入薄膜。这些用于生物功能光调制的半导体材料的体内应用问题有待解决，而且必须扩展到一般细胞、组织和器官（神经元和类神经元细胞除外）。最后，完全生物相容、无需手术、高度稳定的人工视网膜技术仍处于研究阶段，有望让数百万视力受损的患者重见光明。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44328-024-00015-w
延伸阅读：
上一篇：CMOS图像传感器和MEMS发展趋势与市场前景
下一篇：电信基础设施和汽车激光雷达驱动半导体激光器市场在2029年突破50亿美元