搜索
搜索
搜索
搜索
您现在的位置:
首页
/
/
理化所-刘静团队︱Appl. Mater. Today综述:解读液态金属可注射生物医学技术新兴方向

理化所-刘静团队︱Appl. Mater. Today综述:解读液态金属可注射生物医学技术新兴方向

  • 分类:新闻资讯
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2020-07-03
  • 访问量:0

【概要描述】一、研究背景:
美国国家科学院院士、美国艺术科学院院士、美国国家医学院院士,哈佛大学教授Charles M. Lieber与中国国家纳米中心方英教授团队,于2015年报道了一种革命性的可注射式电子学方法(文章参见:Syringe-injectable electronics, Nature Nanotechnology, 2015, 10: 629–636),其柔性的网状结构能够对神经电活动加以灵活记录和调控(图1),此项工作随后被Scientific American评为年度十大改变世界的创意(World changing ideas)之一。无独有偶的是,可注射电子这一概念,在2013年也由刘静教授带领的清华大学与中科院理化所联合团队加以论述过,并应用在小动物心电活动的记录以及神经肌肉电刺激的实验中(文章参见:Injectable 3-D Fabrication of Medical Electronics at the Target Biological Tissues, Scientific Reports, 2013, 3: 3442)。不同于Lieber教授、方英教授团队推出的由高分子与纳米导线编制而成的复杂网络结构所赋予的柔韧性,刘静教授团队引入的可注射式电极得益于具有理想流动性和高导电性的液态金属材料本身,以及同时以同心套管方式注入体内用以包裹金属流体电极的绝缘封装材料。实验中所使用的材料是熔点在10 °C左右的镓铟锡合金,其液体特性使得可以方便的通过注射器操作输送,进而完成电极材料的制备、塑形以及在体应用。由于全部材料均易于注射,由此可根据特定医学或健康技术需求,在生物体内目标组织处构筑出三维电子电路包括立体RFID天线等,这项研究也是国际上首个提出在体3D打印液态金属的尝试。实际上,可注射型生物医学技术不仅限于电子学方面,其他如同样发端于中国实验室的可注射可逆型液态金属骨骼、可注射式液态金属神经连接与修复、可注射式液态金属血管造影术与肿瘤血管栓塞治疗,以及可注射碱金属肿瘤热化学消融等均属于这样的范畴。经过数年时间的发展,围绕液态金属可注射式生物医学技术正逐步形成一些重要的研究方向,展现出了较好的应用前景。

 



图 1.  Lieber教授、方英教授团队制备的可注射电极示意(Illustration by Don Foley)(This article was originally published with the title "Soft, Injectable Electronic Probes for the Brain" in Scientific American 313, 6, 34 (December 2015) doi:10.1038/scientificamerican1215-34b)

 

二、文章简介:

近日,中科院理化技术研究所与清华大学联合小组,在国际知名期刊Applied Materials Today上发表了一篇题为“Liquid Metal Enabled Injectable Biomedical Technologies and Applications”的综述论文,首次系统的构画并梳理了液态金属可注射生物医学系统的基本原理及应用模式,基于材料的物理、化学及生物特性,阐述了不同尺度材料的制备技术及相应设备,并总结了若干有代表性的典型研究进展及应用。文章第一作者为中科院理化所博士后孙旭阳,通讯作者为中科院理化技术研究所双聘研究员、清华大学教授刘静,以及中科院理化技术研究所饶伟教授。

 

三、文章内容:1、液态金属的材料特性

发展至今,可通过注射方式实现在体生物医学应用的液态金属材料一般包括:钠钾合金(NaK alloy)、镓基金属合金、铋基金属合金,以及相关可变形液态金属纳米材料等。值得注意的是,钠钾合金虽然化学性质活泼,但十多年前被中国团队首次引入作为肿瘤治疗中的高密度化学热源以期达到快速消融肿瘤的目的,其应用方式如同打针吃药一般完全微创,而且反应产物主要为钠、钾离子,为人体所必须,相关研究也被囊括在本文中。首先,文章详细总结了液态金属作为可注射生物医学材料的独特性和重要属性,将其归纳为八个方面(图2)。这些特性中既包含传统材料常常涉及到的性质,如电学、热学、磁学性质以及生物相容性,又包含独特的流体特性和低粘度特性所赋予的可注射性、可塑性、可变形性等,还包括更高阶的自驱动性,能够作为独立的运动个体发挥功能,甚至完成包括药物递送,实现材料的可控输运等功能。

 



图2. 液态金属的材料特性。

 

2、可注射液态金属材料的生物医学应用

正是基于材料多样化的优良特性,不同液态金属的应用模式在生物医学领域应运而生,正为多种学科及交叉领域,包括生物组织工程、肿瘤治疗、离体及在体成像、药物传输、神经修复、微流道递送以及智能机器等提供新思路。其中的典型应用,比如作为骨水泥支撑材料,离体器官微血管CT造影及在体的X射线、光声成像,肿瘤治疗中的血管栓塞疗法,适形化电化学电极,神经连接及电刺激,心脑起搏器及脑机接口,自驱动机器的药物递送,微流控芯片中的泵和阀,微纳米的智能机器,复合型磁热治疗制剂等,均可以借助液态金属及其复合材料以注射的方式实现(图3)。

 



图3. 可注射液态金属材料的生物医学应用。

 

3、液态金属注射技术及设备

在应用这些液态金属材料及其复合材料以应对挑战性生物医学问题时,往往需要采用不同类型、尺度、形态的材料,在这些材料的制备中,也可以通过注射的方式。比如,需要打印液态金属可植入材料时,可以借助液态金属3D打印设备,以提供定制化服务;制备微米、毫米级别的液态金属液滴材料,不仅可以利用注射器流动注入,还可以通过外电场加以均一化的干预;制备更小型的微纳米材料,可以应用微流道注射技术,通过多流体系统及外电场加以控制,甚至也可以通过超声调控材料的尺寸等。总之,材料的制备技术也是多种多样,可以根据应用的需要加以选取。

 

四、总结与展望:本文系统总结和阐述了液态金属可注射生物医学技术这一新兴方向,剖析了液态金属在生物医学注射中的独特价值,结合近年来的若干代表性进展讲解了典型的液态金属注射生物医学技术及其应用问题,最后总结了相关材料的制备技术并讨论了未来可能面临的科学机遇与挑战。总的说来,液态金属可注射式生物医学技术与应用,有望开启快捷方便的生物材料、电子材料的应用新前沿。

 

五、致谢:

感谢国家自然科学基金重点项目(No. 51890893)、中科院前沿科学基金及中国博士后基金项目(No. 2018M641486)的资助!

 

理化所-刘静团队︱Appl. Mater. Today综述:解读液态金属可注射生物医学技术新兴方向

【概要描述】一、研究背景:
美国国家科学院院士、美国艺术科学院院士、美国国家医学院院士,哈佛大学教授Charles M. Lieber与中国国家纳米中心方英教授团队,于2015年报道了一种革命性的可注射式电子学方法(文章参见:Syringe-injectable electronics, Nature Nanotechnology, 2015, 10: 629–636),其柔性的网状结构能够对神经电活动加以灵活记录和调控(图1),此项工作随后被Scientific American评为年度十大改变世界的创意(World changing ideas)之一。无独有偶的是,可注射电子这一概念,在2013年也由刘静教授带领的清华大学与中科院理化所联合团队加以论述过,并应用在小动物心电活动的记录以及神经肌肉电刺激的实验中(文章参见:Injectable 3-D Fabrication of Medical Electronics at the Target Biological Tissues, Scientific Reports, 2013, 3: 3442)。不同于Lieber教授、方英教授团队推出的由高分子与纳米导线编制而成的复杂网络结构所赋予的柔韧性,刘静教授团队引入的可注射式电极得益于具有理想流动性和高导电性的液态金属材料本身,以及同时以同心套管方式注入体内用以包裹金属流体电极的绝缘封装材料。实验中所使用的材料是熔点在10 °C左右的镓铟锡合金,其液体特性使得可以方便的通过注射器操作输送,进而完成电极材料的制备、塑形以及在体应用。由于全部材料均易于注射,由此可根据特定医学或健康技术需求,在生物体内目标组织处构筑出三维电子电路包括立体RFID天线等,这项研究也是国际上首个提出在体3D打印液态金属的尝试。实际上,可注射型生物医学技术不仅限于电子学方面,其他如同样发端于中国实验室的可注射可逆型液态金属骨骼、可注射式液态金属神经连接与修复、可注射式液态金属血管造影术与肿瘤血管栓塞治疗,以及可注射碱金属肿瘤热化学消融等均属于这样的范畴。经过数年时间的发展,围绕液态金属可注射式生物医学技术正逐步形成一些重要的研究方向,展现出了较好的应用前景。

 



图 1.  Lieber教授、方英教授团队制备的可注射电极示意(Illustration by Don Foley)(This article was originally published with the title "Soft, Injectable Electronic Probes for the Brain" in Scientific American 313, 6, 34 (December 2015) doi:10.1038/scientificamerican1215-34b)

 

二、文章简介:

近日,中科院理化技术研究所与清华大学联合小组,在国际知名期刊Applied Materials Today上发表了一篇题为“Liquid Metal Enabled Injectable Biomedical Technologies and Applications”的综述论文,首次系统的构画并梳理了液态金属可注射生物医学系统的基本原理及应用模式,基于材料的物理、化学及生物特性,阐述了不同尺度材料的制备技术及相应设备,并总结了若干有代表性的典型研究进展及应用。文章第一作者为中科院理化所博士后孙旭阳,通讯作者为中科院理化技术研究所双聘研究员、清华大学教授刘静,以及中科院理化技术研究所饶伟教授。

 

三、文章内容:1、液态金属的材料特性

发展至今,可通过注射方式实现在体生物医学应用的液态金属材料一般包括:钠钾合金(NaK alloy)、镓基金属合金、铋基金属合金,以及相关可变形液态金属纳米材料等。值得注意的是,钠钾合金虽然化学性质活泼,但十多年前被中国团队首次引入作为肿瘤治疗中的高密度化学热源以期达到快速消融肿瘤的目的,其应用方式如同打针吃药一般完全微创,而且反应产物主要为钠、钾离子,为人体所必须,相关研究也被囊括在本文中。首先,文章详细总结了液态金属作为可注射生物医学材料的独特性和重要属性,将其归纳为八个方面(图2)。这些特性中既包含传统材料常常涉及到的性质,如电学、热学、磁学性质以及生物相容性,又包含独特的流体特性和低粘度特性所赋予的可注射性、可塑性、可变形性等,还包括更高阶的自驱动性,能够作为独立的运动个体发挥功能,甚至完成包括药物递送,实现材料的可控输运等功能。

 



图2. 液态金属的材料特性。

 

2、可注射液态金属材料的生物医学应用

正是基于材料多样化的优良特性,不同液态金属的应用模式在生物医学领域应运而生,正为多种学科及交叉领域,包括生物组织工程、肿瘤治疗、离体及在体成像、药物传输、神经修复、微流道递送以及智能机器等提供新思路。其中的典型应用,比如作为骨水泥支撑材料,离体器官微血管CT造影及在体的X射线、光声成像,肿瘤治疗中的血管栓塞疗法,适形化电化学电极,神经连接及电刺激,心脑起搏器及脑机接口,自驱动机器的药物递送,微流控芯片中的泵和阀,微纳米的智能机器,复合型磁热治疗制剂等,均可以借助液态金属及其复合材料以注射的方式实现(图3)。

 



图3. 可注射液态金属材料的生物医学应用。

 

3、液态金属注射技术及设备

在应用这些液态金属材料及其复合材料以应对挑战性生物医学问题时,往往需要采用不同类型、尺度、形态的材料,在这些材料的制备中,也可以通过注射的方式。比如,需要打印液态金属可植入材料时,可以借助液态金属3D打印设备,以提供定制化服务;制备微米、毫米级别的液态金属液滴材料,不仅可以利用注射器流动注入,还可以通过外电场加以均一化的干预;制备更小型的微纳米材料,可以应用微流道注射技术,通过多流体系统及外电场加以控制,甚至也可以通过超声调控材料的尺寸等。总之,材料的制备技术也是多种多样,可以根据应用的需要加以选取。

 

四、总结与展望:本文系统总结和阐述了液态金属可注射生物医学技术这一新兴方向,剖析了液态金属在生物医学注射中的独特价值,结合近年来的若干代表性进展讲解了典型的液态金属注射生物医学技术及其应用问题,最后总结了相关材料的制备技术并讨论了未来可能面临的科学机遇与挑战。总的说来,液态金属可注射式生物医学技术与应用,有望开启快捷方便的生物材料、电子材料的应用新前沿。

 

五、致谢:

感谢国家自然科学基金重点项目(No. 51890893)、中科院前沿科学基金及中国博士后基金项目(No. 2018M641486)的资助!

 

  • 分类:新闻资讯
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2020-07-03
详情

原创 科匠学术 科匠学术 73 

本文由通讯作者-刘静研究员、第一作者-孙旭阳博士生受邀撰写,由衷感谢他们对科匠学术的支持

 

一、研究背景:

美国国家科学院院士、美国艺术科学院院士、美国国家医学院院士,哈佛大学教授Charles M. Lieber与中国国家纳米中心方英教授团队,于2015年报道了一种革命性的可注射式电子学方法(文章参见:Syringe-injectable electronics, Nature Nanotechnology, 2015, 10: 629–636),其柔性的网状结构能够对神经电活动加以灵活记录和调控(1),此项工作随后被Scientific American评为年度十大改变世界的创意(World changing ideas)之一。无独有偶的是,可注射电子这一概念,在2013年也由刘静教授带领的清华大学与中科院理化所联合团队加以论述过,并应用在小动物心电活动的记录以及神经肌肉电刺激的实验中(文章参见:Injectable 3-D Fabrication of Medical Electronics at the Target Biological Tissues, Scientific Reports, 2013, 3: 3442)。不同于Lieber教授、方英教授团队推出的由高分子与纳米导线编制而成的复杂网络结构所赋予的柔韧性,刘静教授团队引入的可注射式电极得益于具有理想流动性和高导电性的液态金属材料本身,以及同时以同心套管方式注入体内用以包裹金属流体电极的绝缘封装材料。实验中所使用的材料是熔点在10 °C左右的镓铟锡合金,其液体特性使得可以方便的通过注射器操作输送,进而完成电极材料的制备、塑形以及在体应用。由于全部材料均易于注射,由此可根据特定医学或健康技术需求,在生物体内目标组织处构筑出三维电子电路包括立体RFID天线等,这项研究也是国际上首个提出在体3D打印液态金属的尝试。实际上,可注射型生物医学技术不仅限于电子学方面,其他如同样发端于中国实验室的可注射可逆型液态金属骨骼、可注射式液态金属神经连接与修复、可注射式液态金属血管造影术与肿瘤血管栓塞治疗,以及可注射碱金属肿瘤热化学消融等均属于这样的范畴。经过数年时间的发展,围绕液态金属可注射式生物医学技术正逐步形成一些重要的研究方向,展现出了较好的应用前景。

 

1.  Lieber教授、方英教授团队制备的可注射电极示意(Illustration by Don Foley)(This article was originally published with the title "Soft, Injectable Electronic Probes for the Brain" in Scientific American 313, 6, 34 (December 2015) doi:10.1038/scientificamerican1215-34b

 

二、文章简介:

近日,中科院理化技术研究所与清华大学联合小组,在国际知名期刊Applied Materials Today上发表了一篇题为“Liquid Metal Enabled Injectable Biomedical Technologies and Applications”的综述论文,首次系统的构画并梳理了液态金属可注射生物医学系统的基本原理及应用模式,基于材料的物理、化学及生物特性,阐述了不同尺度材料的制备技术及相应设备,并总结了若干有代表性的典型研究进展及应用。文章第一作者为中科院理化所博士后孙旭阳,通讯作者为中科院理化技术研究所双聘研究员、清华大学教授刘静,以及中科院理化技术研究所饶伟教授。

 

三、文章内容:1、液态金属的材料特性

发展至今,可通过注射方式实现在体生物医学应用的液态金属材料一般包括:钠钾合金(NaK alloy)、镓基金属合金、铋基金属合金,以及相关可变形液态金属纳米材料等。值得注意的是,钠钾合金虽然化学性质活泼,但十多年前被中国团队首次引入作为肿瘤治疗中的高密度化学热源以期达到快速消融肿瘤的目的,其应用方式如同打针吃药一般完全微创,而且反应产物主要为钠、钾离子,为人体所必须,相关研究也被囊括在本文中。首先,文章详细总结了液态金属作为可注射生物医学材料的独特性和重要属性,将其归纳为八个方面(2)。这些特性中既包含传统材料常常涉及到的性质,如电学、热学、磁学性质以及生物相容性,又包含独特的流体特性和低粘度特性所赋予的可注射性、可塑性、可变形性等,还包括更高阶的自驱动性,能够作为独立的运动个体发挥功能,甚至完成包括药物递送,实现材料的可控输运等功能。

 

2. 液态金属的材料特性。

 

2、可注射液态金属材料的生物医学应用

正是基于材料多样化的优良特性,不同液态金属的应用模式在生物医学领域应运而生,正为多种学科及交叉领域,包括生物组织工程、肿瘤治疗、离体及在体成像、药物传输、神经修复、微流道递送以及智能机器等提供新思路。其中的典型应用,比如作为骨水泥支撑材料,离体器官微血管CT造影及在体的X射线、光声成像,肿瘤治疗中的血管栓塞疗法,适形化电化学电极,神经连接及电刺激,心脑起搏器及脑机接口,自驱动机器的药物递送,微流控芯片中的泵和阀,微纳米的智能机器,复合型磁热治疗制剂等,均可以借助液态金属及其复合材料以注射的方式实现(3)。

 

3. 可注射液态金属材料的生物医学应用。

 

3、液态金属注射技术及设备

在应用这些液态金属材料及其复合材料以应对挑战性生物医学问题时,往往需要采用不同类型、尺度、形态的材料,在这些材料的制备中,也可以通过注射的方式。比如,需要打印液态金属可植入材料时,可以借助液态金属3D打印设备,以提供定制化服务;制备微米、毫米级别的液态金属液滴材料,不仅可以利用注射器流动注入,还可以通过外电场加以均一化的干预;制备更小型的微纳米材料,可以应用微流道注射技术,通过多流体系统及外电场加以控制,甚至也可以通过超声调控材料的尺寸等。总之,材料的制备技术也是多种多样,可以根据应用的需要加以选取。

 

四、总结与展望:本文系统总结和阐述了液态金属可注射生物医学技术这一新兴方向,剖析了液态金属在生物医学注射中的独特价值,结合近年来的若干代表性进展讲解了典型的液态金属注射生物医学技术及其应用问题,最后总结了相关材料的制备技术并讨论了未来可能面临的科学机遇与挑战。总的说来,液态金属可注射式生物医学技术与应用,有望开启快捷方便的生物材料、电子材料的应用新前沿。

 

五、致谢:

感谢国家自然科学基金重点项目(No. 51890893)、中科院前沿科学基金及中国博士后基金项目(No. 2018M641486)的资助!

 

关键词:

扫二维码用手机看

联系方式

总机:010-82362762

市场咨询:总机转8034

客服服务:总机转8011

公司邮箱:contact@dreamink.cn

公司官网:http://www.dreamink.cn

公司地址: 北京市海淀区 · 海淀新技术大厦9层

 

公司地址:北京市海淀区 · 海淀新技术大厦9层

官方网址:www.dreamink.cn
企业邮箱:contact@dreamink.cn

联系电话:010-82362762

客户服务:400-650-0356

关注我们

Copyright © 2017-2021     京ICP备15050118 网站建设:中企动力 北二分