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  近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學(xué)實驗室與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合小組，應(yīng)《國際材料學(xué)評論》（International Materials Reviews）之邀，基于其十余年來在液態(tài)金屬材料學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)領(lǐng)域的長期實踐和積累，撰寫了專題評述論文首次系統(tǒng)地提出并構(gòu)建了液態(tài)金屬生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)新領(lǐng)域。

  在這篇在線發(fā)表的題為《液態(tài)金屬生物材料學(xué)：應(yīng)對當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn)的新領(lǐng)域》（Yi and Liu, Liquid metal biomaterials: A newly emerging area to tackle modern biomedical challenges, DOI 10.1080/09506608.2016.1271090, 2017）的論文中，作者們總結(jié)了液態(tài)金屬作為生物醫(yī)用材料所呈現(xiàn)的獨特優(yōu)勢和應(yīng)用特點（圖1），對國內(nèi)外在液態(tài)金屬生物材料學(xué)方面的研究概況與典型進展進行了系統(tǒng)歸納和綜合評述，并剖析了這一新興領(lǐng)域所面臨的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向。

  液態(tài)金屬是一大類物理化學(xué)行為十分獨特的新興功能物質(zhì)，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(xué)聯(lián)合團隊在液態(tài)金屬領(lǐng)域長期開展了大量研究，率先揭開了諸多全新的科學(xué)現(xiàn)象、基礎(chǔ)效應(yīng)和變革性應(yīng)用途徑，在廣泛領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全面突破，促成了若干高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展。特別是，他們率先將液態(tài)金屬推進到一系列重大生物醫(yī)學(xué)難題和瓶頸的解決上，由此帶來了相應(yīng)醫(yī)學(xué)技術(shù)的觀念性變革。其中，首創(chuàng)的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)，被認為是“令人震驚的醫(yī)學(xué)突破”(Most Amazing Medical Breakthroughs)；創(chuàng)建的液態(tài)金屬血管造影術(shù)、液態(tài)金屬栓塞血管治療腫瘤技術(shù)、堿金屬流體熱化學(xué)消融治療腫瘤法、注射式固液相轉(zhuǎn)換型低熔點金屬骨水泥、液態(tài)金屬柔性外骨骼技術(shù)、印刷式液態(tài)金屬柔性防輻射技術(shù)、注射式可植入醫(yī)療電子技術(shù)，以及人體皮表電子電路液態(tài)金屬直接打印成型技術(shù)等，也以其嶄新的學(xué)術(shù)理念和技術(shù)突破性，引起業(yè)界廣泛重視。大量原創(chuàng)工作被眾多國際知名科學(xué)雜志、專業(yè)網(wǎng)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(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)在世界范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(xué)聯(lián)合小組還進一步推進了相應(yīng)技術(shù)的進步。在發(fā)表于《科學(xué)通報》（Science Bulletin）上的題為《液態(tài)金屬作為外周損傷神經(jīng)的再連接介質(zhì)》（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(yīng)用情形的哺乳動物小鼠上，將封裝有液態(tài)金屬的硅膠管與小鼠受損的坐骨神經(jīng)兩端縫合，由此建立了信號傳導(dǎo)通路。系列電生理試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)液態(tài)金屬手術(shù)治療后的小鼠與對照組相比，肌肉萎縮現(xiàn)象延遲兩個月。這項工作進一步驗證了液態(tài)金屬在神經(jīng)修復(fù)方面的價值和潛力。

  此外，聯(lián)合小組還與北京協(xié)和醫(yī)院合作，首次證實基于皮表液態(tài)金屬電路傳導(dǎo)的低壓電學(xué)效應(yīng)可有效治療惡性黑色素瘤，相應(yīng)論文以《基于皮膚液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的黑色素瘤電學(xué)刺激療法》為題發(fā)表于《臨床與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》（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(tài)金屬噴涂于荷瘤小鼠的皮表上，作為一種適形性較高的電極來施加電場。這種半液態(tài)化電極與傳統(tǒng)剛性電極不同，材料制備及噴印過程十分快捷，且能更緊密地貼合于皮表以及更精準地將電場導(dǎo)往目標腫瘤部位。系列動物試驗及病理切片結(jié)果顯示（圖2），經(jīng)適當(dāng)頻率和持續(xù)時間電學(xué)作用后的黑色素瘤體積顯著縮小。新方法促成了一種液態(tài)金屬柔性電子學(xué)治療腫瘤模式的建立，未來可據(jù)此制造創(chuàng)可貼式的黑色素瘤電子治療貼片。

  進一步地，聯(lián)合小組還偶然發(fā)現(xiàn)了一組不同于常規(guī)情形的皮表液態(tài)金屬電極變形與重構(gòu)效應(yīng)。在發(fā)表于《應(yīng)用物理學(xué)A》（Applied Physics A）上的題為《印制于生物體皮膚表面的液態(tài)金屬薄膜的電學(xué)誘發(fā)自重構(gòu)現(xiàn)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，涂敷于離體組織皮膚表面的電極圖案，會在一定外電場的誘導(dǎo)作用下出現(xiàn)變形和自重構(gòu)現(xiàn)象（圖3），這會對相應(yīng)的醫(yī)學(xué)監(jiān)測與治療帶來不便。不過，有趣的是，這一重構(gòu)效應(yīng)在活體組織皮膚表面卻微弱許多，因而并不影響相應(yīng)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。造成離體與在體效應(yīng)存在差異的原因來自組織內(nèi)血液輸運及活體細胞電學(xué)傳遞能力的顯著不同。針對液態(tài)金屬的自重構(gòu)效應(yīng)，作者們還提出并證實了將其用于構(gòu)筑體表電學(xué)開關(guān)方面的用途。

  值得指出的是，液態(tài)金屬在制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(fā)表于SCIENCE CHINA Technological Sciences上的題為《在不同衣物上噴印液態(tài)金屬電子以構(gòu)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）的研究論文中，作者們探明了液態(tài)金屬在不同材質(zhì)布料上的印刷和封裝特點、耐水洗能力和制約因素，并展示了一款利用手機無線操控的人體紅外溫度柔性監(jiān)測模塊的應(yīng)用情況（圖4），相應(yīng)技術(shù)在可穿戴醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域有望發(fā)揮關(guān)鍵作用。

  近年來，液態(tài)金屬的發(fā)展逐步滲透到多個領(lǐng)域，其在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用價值正日益顯現(xiàn)。液態(tài)金屬生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)的引入，為一系列重大醫(yī)學(xué)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(yī)療技術(shù)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(xué)重點項目資助。

  論文鏈接：1 2 3 4 5

圖1 液態(tài)金屬生物醫(yī)用材料的多功能特點及其與傳統(tǒng)生物材料的對比

圖2 基于液態(tài)金屬的低壓電學(xué)效應(yīng)治療黑色素瘤方法及荷瘤小鼠試驗效果

圖3 電刺激下離體(左上)與活體裸鼠(左下)皮表液態(tài)金屬電極的變形重構(gòu)現(xiàn)象及機理

圖4 噴印于不同材質(zhì)布料上的液態(tài)金屬及實際制成的柔性無線溫度監(jiān)測模塊