清華大學(xué)劉靜小組提出相態(tài)轉(zhuǎn)換型液態(tài)金屬骨骼等多項(xiàng)全新生醫(yī)技術(shù)
清華新聞網(wǎng)9月29日電 近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉靜教授小組聯(lián)合中科院理化技術(shù)研究所，首次提出了一種全新概念的低熔點(diǎn)液態(tài)合金骨水泥，用以加固和修復(fù)受損骨骼，這種可注射型金屬骨骼技術(shù)打破了傳統(tǒng)非金屬骨水泥的范疇。相應(yīng)研究在線(xiàn)發(fā)表于Biomaterials（生物材料），論文題為Liquid-Solid Phase Transition Alloy as Reversible and Rapid Molding Bone Cement（用于可逆及快速成型的液-固相轉(zhuǎn)換合金骨水泥）。文章第一作者為醫(yī)學(xué)院博士生衣麗婷，通訊作者為劉靜教授。
圖為低熔點(diǎn)合金骨水泥的可塑性和流動(dòng)性特點(diǎn)。
骨水泥是臨床上實(shí)施骨科手術(shù)的重要生物醫(yī)學(xué)材料，主要用于人工關(guān)節(jié)置換、骨缺損修復(fù)及替代等，旨在改善骨類(lèi)疾病患者生活質(zhì)量。迄今，醫(yī)學(xué)界發(fā)展出的骨水泥全部為非金屬類(lèi)材料，主要包括丙烯酸和磷酸鈣兩大類(lèi)，通常由粉末和液體兩相物質(zhì)組成，使用前需預(yù)先混合，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)固化。以丙烯酸骨水泥為例，其聚合反應(yīng)放出的高熱量會(huì)對(duì)周?chē)墙M織造成損傷，而未反應(yīng)的單體一旦釋放到體內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致組織出現(xiàn)化學(xué)壞死。此外，傳統(tǒng)材料因自身并不具備放射顯影性，往往需要添加硫酸鋇類(lèi)造影劑來(lái)提升圖像對(duì)比度。
在多年研究中，劉靜小組注意到，電子工業(yè)上常采用某些合金作為焊料來(lái)連接母材和焊件，這與骨水泥充填于假體和骨腔之間的功能相似，而更低一些熔點(diǎn)的合金材料在有關(guān)屬性上與骨水泥的要求相匹配，由此創(chuàng)造性地將這種材料引入到骨修復(fù)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)近1年半左右時(shí)間的系統(tǒng)研究和持續(xù)測(cè)評(píng)，研究小組揭示了所選定低熔點(diǎn)金屬骨骼材料的力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、腐蝕性質(zhì)、生物相容性及放射顯影等諸多特性，初步證實(shí)了這一技術(shù)在應(yīng)用上的巨大潛力和綜合優(yōu)勢(shì)。比如：金屬骨水泥免去了傳統(tǒng)材料需要預(yù)混以完成化學(xué)反應(yīng)的繁瑣過(guò)程，而其低熔點(diǎn)特性避免了對(duì)周?chē)墙M織的熱損傷；操作方面，液態(tài)金屬由于流動(dòng)性好，采用醫(yī)用注射器即可完成骨腔灌注，并能快速固化；而且，合金骨水泥在體內(nèi)甚至是骨內(nèi)具有優(yōu)異的放射顯影性，便于術(shù)中、術(shù)后監(jiān)控；值得指出的是，臨床上的骨水泥在使用多年后會(huì)發(fā)生一定比例的翻修率，翻修過(guò)程涉及器械多，對(duì)醫(yī)生技能要求較高，且翻修手術(shù)會(huì)對(duì)患處殘留骨造成再次損傷。合金骨水泥的固液相靈活轉(zhuǎn)換特點(diǎn)在此方面發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)，使翻修過(guò)程僅通過(guò)加熱、吸出即能實(shí)現(xiàn)可逆操作。此外，雖然金屬假體在臨床上應(yīng)用已有數(shù)十年，但由于傳統(tǒng)金屬材料熔點(diǎn)極高的特性，只能在體外加工后植入，此次類(lèi)似于好萊塢科幻影片《金剛狼》中場(chǎng)景的可注射型液態(tài)金屬骨骼的提出打破了這一限制，實(shí)現(xiàn)了原位固化模式的適形修復(fù)；而基于這種合金的導(dǎo)電性，還可將其用于某些骨組織的電刺激生長(zhǎng)和病灶治療。這些獨(dú)特性質(zhì)表明，綜合了金屬及非金屬材料優(yōu)勢(shì)的液態(tài)金屬骨水泥，有望成為一種重要的生物醫(yī)用骨科材料。
圖為液態(tài)合金骨水泥填充于豬骨和小鼠皮下的X射線(xiàn)影像。
與此同時(shí)，基于液態(tài)金屬的液-固相轉(zhuǎn)換機(jī)制，劉靜教授及其博士后鄧月光還在國(guó)際上首次提出并證實(shí)了一種“液態(tài)金屬人體外骨骼技術(shù)”，相應(yīng)論文發(fā)表于ASME Journal of Medical Devices（美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)醫(yī)療器械雜志），論文題為Flexible Mechanical Joint as Human Exoskeleton Using Low-Melting-Point Alloy（基于液態(tài)金屬的人體外骨骼柔性關(guān)節(jié)）。這種新概念型機(jī)械關(guān)節(jié)存在柔性和剛性?xún)煞N工作狀態(tài)。平時(shí)工作狀態(tài)下，低熔點(diǎn)金屬吸熱熔化并處于液態(tài)，柔性程度高，在體穿戴舒適感好，整個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)因此可在柔性關(guān)節(jié)處?kù)`活彎折或扭轉(zhuǎn)，以作為人體外骨骼執(zhí)行搬運(yùn)重物動(dòng)作；一旦需要執(zhí)行高強(qiáng)度任務(wù)如上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至需要承重的位置時(shí)（人體外骨骼保持搬運(yùn)動(dòng)作），關(guān)節(jié)內(nèi)的液態(tài)金屬會(huì)在半導(dǎo)體制冷器作用下快速固化變硬，機(jī)械關(guān)節(jié)于是切換至剛性固體狀態(tài)，整個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)裝置從而可承受巨大的拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，這就有效地緩解了肘關(guān)節(jié)需要承受的重物拉力。整個(gè)工作過(guò)程無(wú)驅(qū)動(dòng)部件，響應(yīng)迅速，靈活性好。新技術(shù)有些類(lèi)似于好萊塢科幻影片《鋼鐵俠》的應(yīng)用場(chǎng)景，預(yù)計(jì)在高柔性、高強(qiáng)度人體外骨骼領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。
圖為用于人體上肢的液態(tài)金屬外骨骼(左)及其力學(xué)承重能力(右)。
此外，基于實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)提出的液態(tài)金屬印刷電子學(xué)概念，劉靜小組還建立了一種獨(dú)特的人體皮膚電子電路成型方法——室溫液態(tài)金屬模板噴印技術(shù)，研究成果以封底文章形式發(fā)表于Journal of Materials Chemistry B （材料化學(xué)雜志）上，論文題為Rapidly Patterning Conductive Components on Skin Substrates as Physiological Testing Devices via Liquid Metal Spraying and Pre-designed Mask（在皮膚上基于液態(tài)金屬模板噴印方法快速構(gòu)建用以檢測(cè)生理信號(hào)的導(dǎo)電元件）。文章第一作者為醫(yī)學(xué)院博士生郭藏燃。
皮膚電子又稱(chēng)電子紋身，是近期興起的熱門(mén)研究領(lǐng)域，主要用于通過(guò)皮膚無(wú)創(chuàng)檢測(cè)生理信號(hào)，是柔性電子技術(shù)的集中體現(xiàn)。然而，迄今為止，幾乎所有的皮膚電子器件均不能直接制作在皮膚上，這會(huì)造成大的接觸電阻從而降低測(cè)試靈敏度。而且，傳統(tǒng)的電子導(dǎo)聯(lián)技術(shù)往往需要復(fù)雜的加工條件，比較經(jīng)典者如光刻、刻蝕、濺射等雖有較高精度，但設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜，且常常必須在高溫、高輻射環(huán)境下操作，無(wú)法直接于皮膚上制作電子器件。已有的柔性電子通常的制造溫度也在100℃以上，一些室溫技術(shù)則要用到諸如紫外光或者化學(xué)技術(shù)，若直接在皮膚上制造會(huì)對(duì)人體造成大的傷害。劉靜小組的上述工作成功避免了這些不利，他們還深入研究了液態(tài)金屬在皮膚上的粘附性、導(dǎo)電性和應(yīng)用等相關(guān)問(wèn)題。結(jié)果表明，液態(tài)金屬通過(guò)噴印途徑可實(shí)現(xiàn)理想的粘附性，并且還具備較好的可拉伸電子特性。依據(jù)于印制模板的精度，所實(shí)現(xiàn)的皮膚電子器件可以達(dá)到微米量級(jí)。去年，該小組曾在一項(xiàng)液態(tài)金屬普適打印技術(shù)研究論文中展示了在布料、玻璃、紙張乃至樹(shù)葉上的電路打印，立即被MIT Technology Review（麻省理工科技評(píng)論）予以專(zhuān)題報(bào)道，并一度入選知名網(wǎng)站Week’s Top IT Stories（周最佳信息技術(shù)故事），國(guó)際上對(duì)此配發(fā)的評(píng)論是：“圍繞不同表面打印電路的追逐可以終結(jié)了”。本項(xiàng)研究正是前期方法在皮膚電子上的重要推進(jìn)，開(kāi)啟了在體生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的新方向。
材料化學(xué)雜志當(dāng)期封底(左)及人體皮表電子電路打印原理(右)。
以上工作已形成系列核心技術(shù)并于2013年初申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利?？偟恼f(shuō)來(lái)，液態(tài)金屬作為一大類(lèi)有別于傳統(tǒng)的功能材料，正逐步展露其獨(dú)特魅力。劉靜小組通過(guò)多年持續(xù)不懈的努力，先后建立了諸如：植入式醫(yī)療電子在體3D打印技術(shù)、液態(tài)金屬血管造影術(shù)、液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)、可變形液態(tài)金屬柔性機(jī)器等突破性生物醫(yī)學(xué)技術(shù)，這些首創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)或發(fā)明在國(guó)內(nèi)外引起重大反響。此次取得的一系列進(jìn)展再次彰顯了液態(tài)金屬在發(fā)展人類(lèi)健康技術(shù)上的核心價(jià)值，可望促成一個(gè)新興生物醫(yī)學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域的形成。
論文鏈接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961214009855
http://medicaldevices.asmedigitalcollection.asme.org/mobile/article.aspx?articleID=1898942
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/tb/2014/c4tb00660g
供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：蕾蕾
