前沿 | 液态金属新应用：肿瘤治疗，神经修复，骨科植入
一、研究介绍
液态金属材料是一种前沿的新型材料，具有极为优越的性能。其强度为不锈钢的3倍，铝、镁合金的10倍以上，钛合金的1.5倍以上，在轻合金中液态金属的单位密度强度可以算是最高的。在硬度上，液态金属在耐磨或抗划痕的领域也能够得到广泛的应用。在精度方面，液态金属成型的产品可以和机器加工产品的工艺一争高下，并且没有附加成本与废弃材料。在抗腐蚀性能方面，液态金属合金也展现出了超常的能力。这些众多的优势，使液态金属具有极为广阔的应用空间，在环保、医疗、智能硬件、AI、航空航天领域都能够发挥极大地作用。
2017年，刘静研究员课题组应《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。该论文回顾了来自治疗和诊断方面的液态金属生物材料的代表性应用，还讨论了利用液态金属解决现代生物医学难题的未来前景。随着技术的不断进步和更多的理论发现，液态金属作为一种新型生物材料有望展现出越来越多的突出优点，并成为解决未来生物医学挑战的手段。
随着现代科学技术的进步，生物医学领域已经开发出各种各样的材料。到目前为止，传统的生物材料通常包括金属，聚合物，复合材料，陶瓷和天然衍生物。这些材料都有其各自的优点，例如，金属已被广泛用于替代和修复受损的硬组织；聚合物被用来研究作为人造器官，包括人造肌肉和血管等。
然而，传统生物材料也面临着许多挑战。比如，同种异体移植物（从自然生命或人体中获取的生物材料），通常会遇到来源有限，成本高和极易诱导免疫排斥等问题。普通的金属生物材料表现出高熔点，这导致它们在体温或接近体温下的适形成形困难。而非金属材料又具有差的导电性或导热性并且缺乏不透射线的能力。因此，迫切需要更多智能生物材料来满足各种复杂需求。
二、液态金属应用
常温下的液态金属（例如镓或其合金）是一种非常前沿也很有前景的新一代生物医学材料，其作为新一代功能材料显示出优于传统生物材料许多的非常规性质，包括高流动性，优异的导电性和导热性，良好的生物相容性，足够的射线不透性。此外，还可以通过化学反应控制液态金属运动行为，液态金属也易于制备且成本较低。
三、通过液态金属使用热消融或栓塞方式进行肿瘤治疗
癌症一直是世界范围内的主要疾病。根据GLOBOCAN的估计，2012年全球约有1410万新发癌症病例和820万人死亡。面对如此严重的情况，临床医生和科学家正在努力研究各种有前途的方法来对抗顽固性肿瘤。常规的肿瘤治疗方法包括手术切除，化学疗法和放射疗法。然而，这些方法会造成太多的副作用，手术切除的根除率很低。同时，化疗和放疗通常具有较低的特异性，周围的正常组织和肿瘤可能同时被破坏进而损坏免疫系统。
液态金属可以作为肿瘤治疗的高效热消融剂，如液态金属NaK合金，它可以通过真正微创的方式通过注射器直接输送到目标组织中。 当液态NaK合金被输送到目标位置时，NaK和水之间的反应产生大量的热量。这种热量可导致猪肉组织体外和小鼠肿瘤体内完全坏死。
除了液态金属热消融外，液态金属还可作为栓塞血管的生物医学材料。肿瘤的一个特征是它们需要周围有充足的血管用于提供氧气和营养，进而可从血管生成角度解决肿瘤问题，如下图。
液态金属肿瘤血管栓塞治疗的主要例证：（A）从血管到组织的氧气和营养没有任何栓塞。（B）不完全栓塞。（C）液态金属完全栓塞。（D）对肿瘤的血液供应的物理阻塞。（E）液态金属可以注入容器或从容器中取出。
四、骨功能修复和性能增强
除了癌症，骨骼疾病也会给患者带来沉重的负担。人体骨骼中的疾病，例如 骨质疏松症，经常会削弱骨骼从而导致功能障碍。通常，骨骼具有修复自身的能力。然而，对于许多病例，一些严重受损的骨骼在临床上被证实是无法修复的。在这一方面，骨水泥已被广泛应用于受损骨整形外科手术，特别是作为全关节成形术中的固定剂。
到目前为止，所有常见的骨水泥通常都是非金属材料，主要为两种骨水泥是丙烯酸和磷酸钙水泥。使用低熔点合金（液态金属）作为骨水泥材料具有很多优势，在许多方面表现得像丙烯酸水泥，具有良好的生物活性，降解性和骨传导性，并能够促进周围骨骼的自我修复。
刘静课题组探索了将低熔点合金成型为骨水泥的可能性，如下图。选择熔点为58.3℃的Bi35In48.6Sn16Zn0.4合金作为良好的骨支撑生物材料。熔化的合金水泥具有良好的流动性，可以通过普通的注射器进行操作。与体温金属不同，低熔点液态金属合金在体温下具有一定的机械强度，保证了骨水泥材料能够满足骨骼的生物力学需求。
液态金属合金骨水泥：（A）液态金属合金“BONE”形状成型。（B）液态金属骨水泥可注射成型。（C）断裂面的扫描电子显微镜照片。（D）将合金粘固剂皮下植入小鼠体内14天。（E）小鼠的X射线成像和（F）用合金水泥CT切片重建的猪股骨的几何模型。
五、通过液态金属连接神经
神经疾病是临床和基础研究中的一大挑战，如周围神经损伤通常会导致患者的运动障碍。在大多数临床病例中，神经自体移植是周围神经修复的有效方法。然而，自体移植的普及受到有限的供体移植物和所需的匹配尺寸的限制。
由于液态金属具有出色的导电性和出色的柔韧性，刘静课题组设法将液态金属材料引入到神经损伤的功能恢复和治疗中，并引起了全球的极大关注。他们提出了采用Ga67In20.5Sn12.5合金代替损伤的外周神经损伤的设计，并将其实验于牛蛙的坐骨神经上进行（图▼（A））。将分离的神经切成两部分并置于载玻片上（图▼（B）），然后填充Ga67-In20.5Sn12.5合金以将这两个部分重新连接在一起。该连接不仅可用作物理接触，还可用作电通路。在电刺激后测量的神经电图信号接近于完整的坐骨神经的信号（图▼（C）），表明液态金属Ga67In20.5Sn12.5合金可以在体外有效地重新连接横断的坐骨神经。
液态金属坐骨神经的连接：（A）牛蛙目标神经的示意图。（B）由液态金属重新连接并横断坐其骨神经。（C）来自完整神经的电刺激信号和兴奋信号，横切神经分别通过Ga67In20.5Sn12.5或Ringer溶液重新连接，体积为10mm×1mm×0.5mm。（D）液态金属的电阻和电抗曲线。（E），（F）两种神经导管修复受损的周围神经。具有微通道（E）和同心管（F）的神经导管。
六、总结
综上，在神经修复、肿瘤治疗、骨科领域等领域液态金属的应用只是冰山一角。随着技术水平的提升和经济的发展，液态金属作为一类具有潜在应用前景的生物医学材料将会在医疗大健康领域做出更大的贡献。我们也希望，国内的基础科学研究在刘静教授等一批兼具创新和能力的研究者带领下，将会取得更大的突破和进步。
小思询问了一线课题组研究人员对液态金属相关应用发展的看法，刘静课题组杨小虎博士表示，液态金属为热控与能源、先进增材制造、生物医学以及柔性智能机器等领域的发展带来了一系列重大颠覆性变革，将极大改变了人们对于传统流体、软物质及刚体机器的固有认识。如今，液态金属已从十几年前的冷门变成了全球范围内的研究热点。可以预见，随着更多研究者的加入，液态金属物质科学的研究与应用将迈向前所未有的新高度！
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