科学通报 | 北航常凌乾教授团队综述微纳米电穿孔技术在生物医学中的研究进展

近日，北京航空航天大学常凌乾教授团队在《科学通报》发表综述文章，系统总结了微/纳米电穿孔（Micro‑/nano‑electroporation，MNEP）技术在生物医学领域中的最新研究进展，重点介绍了该技术的基本原理、应用场景、以及未来发展方向，为该技术促进精准医学发展和临床转化应用提供了新思路。

在生命科学与工程技术深度融合的背景下，细胞精准操控技术已成为突破疾病诊疗、基因编辑、再生医学等领域核心瓶颈的关键支撑。传统电穿孔技术面临递送效率与细胞活性难以兼顾的痛点，而MNEP技术作为物理细胞操控领域的重要方法，利用微纳尺度结构精准调控电场分布，在实现细胞膜高效可逆穿孔的同时，能最大程度维持细胞的高存活率，为细胞分析、靶向药物递送、疾病精准治疗等生物医学应用提供了强有力的技术平台。

文章首先系统阐述了MNEP的基本原理，并从细胞膜穿孔、分子跨膜运输、细胞膜修复三个阶段，解析了其实现细胞可逆穿孔与高效分子输运的内在作用机制，为MNEP技术的应用奠定了坚实理论基础。首先，由微纳结构产生的局域增强电场，能在微秒级的时间内使细胞膜形成纳米级通道，通过调节电压、脉冲时长、脉冲数量等参数，可精准控制膜穿孔的大小、密度与存在时间，为分子输运创造条件。其次，电泳力作为主要驱动力，可将质粒DNA、mRNA、siRNA等外源性功能分子高效送入细胞，同时也能反向提取细胞内的蛋白质、代谢物、核酸等内容物，满足单细胞分析与临床诊断的需求。相较于传统电穿孔，微纳尺度的电场操控使所需电压降低数个数量级，大幅减少了细胞的不可逆损伤，显著提升了操作安全性。最后，细胞膜脂质双分子层会在数秒至数分钟内完成修复，保证了MNEP完成操作后的细胞高活性。

随后，文章从体外、离体、体内三个维度，系统论述了MNEP技术在生物医学中的应用进展，充分展现了其临床转化潜力。在体外研究中，该技术可实现活细胞内高效探针递送与高通量单细胞分析，在活细胞的前提下动态解析信号变化，为基础生命科学研究提供精准工具。在离体应用领域，MNEP突破了传统技术瓶颈，可高效完成活细胞的基因改造，满足CAR‑T细胞等过继性细胞疗法需求，解决了传统病毒载体存在的安全隐患与传统电穿孔细胞活性损伤等难题。在体内应用场景中，植入式微针阵列、柔性纳米电子贴片等MNEP装置，通过直接递送基因编辑工具，为局部肿瘤免疫治疗、受损神经修复等疑难病症提供了靶向治疗方案，推动了疾病精准治疗的快速发展。

文章总结了MNEP技术递送效率高、细胞损伤小、兼容性强等的显著优势，指出其已成为生物医学领域具有强大转化潜力的前沿技术之一。同时，文章也提出该技术面向临床转化与规模化应用仍面临一些关键技术挑战：一是需要构建系统的物理计算模型，完善理论支撑体系；二是要在高通量系统中实现单细胞分辨率的闭环反馈控制，提升操控精准度；三是需开发3D打印、自组装等低成本规模化制备工艺；四是推动原位检测、实时分析、精准递送一体化集成，打造多功能智能平台。

未来，随着生命科学与纳米技术的持续发展，攻克上述技术瓶颈将加速MNEP技术的迭代升级，推动智能化、闭环式电穿孔平台的发展与应用。该技术将深度赋能基因诊断、细胞治疗、精准治疗等关键领域，为未来的高精尖医学技术变革提供有力支撑。

北京航空航天大学医学科学与工程学院常凌乾教授与董再再助理教授为本文的通讯作者，北京航空航天大学生物与医学工程学院李瑞阳为本文的第一作者，北京航空航天大学生物与医学工程学院张若雯为共同第一作者。文章由山东省自然科学基金(ZR2024QB014)和国家自然科学基金(22304006, 62471021, T24B2006)资助。

文章信息

李瑞阳，张若雯，常凌乾，等.微纳米电穿孔技术在生物医学中的研究进展 . 科学通报, 2026

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