理化所等提出並構建液態金屬生物醫學材料學新領域

知識 01-23

近日，中國科學院理化技術研究所低溫生物與醫學實驗室與清華大學醫學院聯合小組，應《國際材料學評論》（International Materials Reviews）之邀，基於其十餘年來在液態金屬材料學與生物醫學工程學領域的長期實踐和積累，撰寫了專題評述論文首次系統地提出並構建了液態金屬生物醫學材料學新領域。

液態金屬是一大類物理化學行為十分獨特的新興功能物質，然而其諸多屬性和用途卻長期鮮為人知。作為先行者，中科院理化所與清華大學聯合團隊在液態金屬領域長期開展了大量研究，率先揭開了諸多全新的科學現象、基礎效應和變革性應用途徑，在廣泛領域實現了全面突破，促成了若干高新技術產業的形成和發展。特別是，他們率先將液態金屬推進到一系列重大生物醫學難題和瓶頸的解決上，由此帶來了相應醫學技術的觀念性變革。其中，首創的液態金屬神經連接與修復技術，被認為是「令人震驚的醫學突破」(Most Amazing Medical Breakthroughs)；創建的液態金屬血管造影術、液態金屬栓塞血管治療腫瘤技術、鹼金屬流體熱化學消融治療腫瘤法、注射式固液相轉換型低熔點金屬骨水泥、液態金屬柔性外骨骼技術、印刷式液態金屬柔性防輻射技術、注射式可植入醫療電子技術，以及人體皮表電子電路液態金屬直接列印成型技術等，也以其嶄新的學術理念和技術突破性，引起業界廣泛重視。大量原創工作被眾多國際知名科學雜誌、專業網站及電視新聞如New Scientist、MIT Technology Review、Daily Mail、Discover、News Week、Fox News、CCTV等專題報道。其中液態金屬神經連接與修復技術在世界範圍內的影響尤為深遠，論文公布不久通過Google搜索liquid metal, nerve, China有超出1200萬條直接或間接報道轉引條目。上述系列代表性工作在此次專題評述文章中均有闡述和剖析。

近期，理化所與清華大學聯合小組還進一步推進了相應技術的進步。在發表於《科學通報》（Science Bulletin）上的題為《液態金屬作為外周損傷神經的再連接介質》（Liu et al., Liquid metal as reconnection agent for peripheral nerve injury, 2016, 61: 939-947）的論文中，作者們將試驗對象從之前的水生動物牛蛙拓展至更接近實際應用情形的哺乳動物小鼠上，將封裝有液態金屬的硅膠管與小鼠受損的坐骨神經兩端縫合，由此建立了信號傳導通路。系列電生理試驗發現，經液態金屬手術治療後的小鼠與對照組相比，肌肉萎縮現象延遲兩個月。這項工作進一步驗證了液態金屬在神經修復方面的價值和潛力。

此外，聯合小組還與北京協和醫院合作，首次證實基於皮表液態金屬電路傳導的低壓電學效應可有效治療惡性黑色素瘤，相應論文以《基於皮膚液態金屬印刷電子學的黑色素瘤電學刺激療法》為題發表於《臨床與轉化醫學》（Li et al., Electrical stimulation towards melanoma therapy via liquid metal printed electronics on skin, Clinical and Translational Medicine，2016, 5: 21）。研究中，作者們將液態金屬噴塗於荷瘤小鼠的皮表上，作為一種適形性較高的電極來施加電場。這種半液態化電極與傳統剛性電極不同，材料製備及噴印過程十分快捷，且能更緊密地貼合於皮表以及更精準地將電場導往目標腫瘤部位。系列動物試驗及病理切片結果顯示（圖2），經適當頻率和持續時間電學作用後的黑色素瘤體積顯著縮小。新方法促成了一種液態金屬柔性電子學治療腫瘤模式的建立，未來可據此製造創可貼式的黑色素瘤電子治療貼片。

進一步地，聯合小組還偶然發現了一組不同於常規情形的皮表液態金屬電極變形與重構效應。在發表於《應用物理學A》（Applied Physics A）上的題為《印製於生物體皮膚表面的液態金屬薄膜的電學誘發自重構現象》（Guo et al., Electrically induced reorganization phenomena of liquid metal film printed on biological skin, 2016, 122:1070）的研究論文中，作者們在實驗中觀察到，塗敷於離體組織皮膚表面的電極圖案，會在一定外電場的誘導作用下出現變形和自重構現象（圖3），這會對相應的醫學監測與治療帶來不便。不過，有趣的是，這一重構效應在活體組織皮膚表面卻微弱許多，因而並不影響相應的生物醫學應用。造成離體與在體效應存在差異的原因來自組織內血液輸運及活體細胞電學傳遞能力的顯著不同。針對液態金屬的自重構效應，作者們還提出並證實了將其用於構築體表電學開關方面的用途。

值得指出的是，液態金屬在製造電子服裝類柔性生理信息檢測器件方面也有獨到價值。在發表於SCIENCE CHINA Technological Sciences上的題為《在不同衣物上噴印液態金屬電子以構築可穿戴功能器件》（Gui et al., Spraying printing of liquid metal electronics on various clothes to compose wearable functional device, 10.1007/s11431-016-0657-5, 2016）的研究論文中，作者們探明了液態金屬在不同材質布料上的印刷和封裝特點、耐水洗能力和制約因素，並展示了一款利用手機無線操控的人體紅外溫度柔性監測模塊的應用情況（圖4），相應技術在可穿戴醫療技術領域有望發揮關鍵作用。

近年來，液態金屬的發展逐步滲透到多個領域，其在生物醫學上的應用價值正日益顯現。液態金屬生物醫學材料學的引入，為一系列重大醫學瓶頸的解決提供了富有前景的全新思路和途徑，可望催生一些變革性醫療技術體系的建立。

上述研究部分得到中科院院長特別基金及前沿科學重點項目資助。

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