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理化所应邀撰文专题评述液态金属生物医学材料学新领域并取得系列进展

发表日期: 2017-01-20
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  近日,中科院理化技术研究所低温生物与医学实验室与清华大学医学院联合小组,应《国际材料学评论》(International Materials Reviews)之邀,基于其十余年来在液态金属材料学与生物医学工程学领域的长期实践和积累,撰写了专题评述论文首次系统地提出并构建了液态金属生物医学材料学新领域。 

  在这篇在线发表的题为“液态金属生物材料学:应对当代生物医学挑战的新领域”(Yi and Liu, Liquid metal biomaterials: A newly emerging area to tackle modern biomedical challenges, DOI 10.1080/09506608.2016.1271090, 2017)的论文中,作者们总结了液态金属作为生物医用材料所呈现的独特优势和应用特点(图1),对国内外在液态金属生物材料学方面的研究概况与典型进展进行了系统归纳和综合评述,并剖析了这一新兴领域所面临的科学技术挑战及未来发展方向。 

  液态金属是一大类物理化学行为十分独特的新兴功能物质,然而其诸多属性和用途却长期鲜为人知。作为先行者,理化所与清华大学联合团队在液态金属领域长期开展了大量研究,率先揭开了诸多全新的科学现象、基础效应和变革性应用途径,在广泛领域实现了全面突破,促成了若干高新技术产业的形成和发展。特别是,他们率先将液态金属推进到一系列重大生物医学难题和瓶颈的解决上,由此带来了相应医学技术的观念性变革。其中,首创的液态金属神经连接与修复技术,被认为是“令人震惊的医学突破”(Most Amazing Medical Breakthroughs);创建的液态金属血管造影术、液态金属栓塞血管治疗肿瘤技术、碱金属流体热化学消融治疗肿瘤法、注射式固液相转换型低熔点金属骨水泥、液态金属柔性外骨骼技术、印刷式液态金属柔性防辐射技术、注射式可植入医疗电子技术,以及人体皮表电子电路液态金属直接打印成型技术等,也以其崭新的学术理念和技术突破性,引起业界广泛重视。大量原创工作被众多国际知名科学杂志、专业网站及电视新闻如New Scientist、MIT Technology Review、Daily Mail、Discover、News Week、Fox News、CCTV等专题报道。其中液态金属神经连接与修复技术在世界范围内的影响尤为深远,论文公布不久通过Google搜索liquid metal, nerve, China有超出1200万条直接或间接报道转引条目。上述系列代表性工作在此次专题评述文章中均有阐述和剖析。 

  近期,理化所与清华大学联合小组还进一步推进了相应技术的进步。在发表于Science Bulletin上的题为“液态金属作为外周损伤神经的再连接介质”(Liu et al., Liquid metal as reconnection agent for peripheral nerve injury, 2016, 61: 939-947)的论文中,作者们将试验对象从之前的水生动物牛蛙拓展至更接近实际应用情形的哺乳动物小鼠上,将封装有液态金属的硅胶管与小鼠受损的坐骨神经两端缝合,由此建立了信号传导通路。系列电生理试验发现,经液态金属手术治疗后的小鼠与对照组相比,肌肉萎缩现象延迟两个月。这项工作进一步验证了液态金属在神经修复方面的价值和潜力。 

  此外,联合小组还与北京协和医院合作,首次证实基于皮表液态金属电路传导的低压电学效应可有效治疗恶性黑色素瘤,相应论文以“基于皮肤液态金属印刷电子学的黑色素瘤电学刺激疗法”为题发表于Clinical and Translational Medicine上(Li et al., Electrical stimulation towards melanoma therapy via liquid metal printed electronics on skin, 2016, 5: 21)。研究中,作者们将液态金属喷涂于荷瘤小鼠的皮表上,作为一种适形性较高的电极来施加电场。这种半液态化电极与传统刚性电极不同,材料制备及喷印过程十分快捷,且能更紧密地贴合于皮表以及更精准的将电场导往目标肿瘤部位。系列动物试验及病理切片结果显示(图2),经适当频率和持续时间电学作用后的黑色素瘤体积显著缩小。新方法促成了一种液态金属柔性电子学治疗肿瘤模式的建立,未来可据此制造创可贴式的黑色素瘤电子治疗贴片。 

  进一步地,联合小组还偶然发现了一组不同于常规情形的皮表液态金属电极变形与重构效应。在发表于Applied Physics A上的题为“印制于生物体皮肤表面的液态金属薄膜的电学诱发自重构现象”(Guo et al., Electrically induced reorganization phenomena of liquid metal film printed on biological skin, 2016, 122:1070)的研究论文中,作者们在实验中观察到,涂敷于离体组织皮肤表面的电极图案,会在一定外电场的诱导作用下出现变形和自重构现象(图3),这会对相应的医学监测与治疗带来不便。不过,有趣的是,这一重构效应在活体组织皮肤表面却微弱许多,因而并不影响相应的生物医学应用。造成离体与在体效应存在差异的原因来自组织内血液输运及活体细胞电学传递能力的显著不同。针对液态金属的自重构效应,作者们还提出并证实了将其用于构筑体表电学开关方面的用途。 

  值得指出的是,液态金属在制造电子服装类柔性生理信息检测器件方面也有独到价值。在发表于SCIENCE CHINA Technological Sciences上的题为“在不同衣物上喷印液态金属电子以构筑可穿戴功能器件”(Gui et al., Spraying printing of liquid metal electronics on various clothes to compose wearable functional device, 10.1007/s11431-016-0657-5, 2016)的研究论文中,作者们探明了液态金属在不同材质布料上的印刷和封装特点、耐水洗能力和制约因素,并展示了一款利用手机无线操控的人体红外温度柔性监测模块的应用情况(图4),相应技术在可穿戴医疗技术领域有望发挥关键作用。 

  近年来,液态金属的发展逐步渗透到多个领域,其在生物医学上的应用价值正日益显现。液态金属生物医学材料学的引入,为一系列重大医学瓶颈的解决提供了富有前景的全新思路和途径,可望催生一些变革性医疗技术体系的建立。 

  上述研究部分得到中国科学院院长特别基金及前沿科学重点项目资助。 

图1  液态金属生物医用材料的多功能特点及其与传统生物材料的对比

图2  基于液态金属的低压电学效应治疗黑色素瘤方法及荷瘤小鼠试验效果

图3  电刺激下离体(左上)与活体裸鼠(左下)皮表液态金属电极的变形重构现象及机理

图4  喷印于不同材质布料上的液态金属及实际制成的柔性无线温度监测模块

  论文链接:

  1. http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09506608.2016.1271090

  2. http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SB/61/12/10.1007/s11434-016-1090-2?slug=full text

  3. http://clintransmed.springeropen.com/articles/10.1186/s40169-016-0102-9

  4. http://link.springer.com/article/10.1007/s00339-016-0585-7

  5. http://link.springer.com/article/10.1007/s11431-016-0657-5

 

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