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  近日，中國科學院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學實驗室與清華大學醫(yī)學院聯(lián)合小組，應《國際材料學評論》（International Materials Reviews）之邀，基于其十余年來在液態(tài)金屬材料學與生物醫(yī)學工程學領(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)學材料學新領(lǐng)域。

  在這篇在線發(fā)表的題為《液態(tài)金屬生物材料學：應對當代生物醫(yī)學挑戰(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)勢和應用特點（圖1），對國內(nèi)外在液態(tài)金屬生物材料學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現(xiàn)象、基礎(chǔ)效應和變革性應用途徑，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)學難題和瓶頸的解決上，由此帶來了相應醫(yī)學技術(shù)的觀念性變革。其中，首創(chuàng)的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復技術(shù)，被認為是“令人震驚的醫(yī)學突破”(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，理化所與清華大學聯(lián)合小組還進一步推進了相應技術(shù)的進步。在發(fā)表于《科學通報》（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)金屬電路傳導的低壓電學效應可有效治療惡性黑色素瘤，相應論文以《基于皮膚液態(tài)金屬印刷電子學的黑色素瘤電學刺激療法》為題發(fā)表于《臨床與轉(zhuǎn)化醫(yī)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(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)適當頻率和持續(xù)時間電學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。在發(fā)表于《應用物理學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作用下出現(xiàn)變形和自重構(gòu)現(xiàn)象（圖3），這會對相應的醫(yī)學監(jiān)測與治療帶來不便。不過，有趣的是，這一重構(gòu)效應在活體組織皮膚表面卻微弱許多，因而并不影響相應的生物醫(yī)學應用。造成離體與在體效應存在差異的原因來自組織內(nèi)血液輸運及活體細胞電學傳遞能力的顯著不同。針對液態(tài)金屬的自重構(gòu)效應，作者們還提出并證實了將其用于構(gòu)筑體表電學開關(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)測模塊的應用情況（圖4），相應技術(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)學上的應用價值正日益顯現(xiàn)。液態(tài)金屬生物醫(yī)學材料學的引入，為一系列重大醫(yī)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(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)金屬的低壓電學效應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