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清华大学刘静小组提出相态转换型液态金属骨骼等多项全新生医技术

  清华新闻网9月29日电 近日,清华大学医学院刘静教授小组联合中科院理化技术研究所,首次提出了一种全新概念的低熔点液态合金骨水泥,用以加固和修复受损骨骼,这种可注射型金属骨骼技术打破了传统非金属骨水泥的范畴。相应研究在线发表于Biomaterials(生物材料),论文题为Liquid-Solid Phase Transition Alloy as Reversible and Rapid Molding Bone Cement(用于可逆及快速成型的液-固相转换合金骨水泥)。文章第一作者为医学院博士生衣丽婷,通讯作者为刘静教授。

图为低熔点合金骨水泥的可塑性和流动性特点。

  骨水泥是临床上实施骨科手术的重要生物医学材料,主要用于人工关节置换、骨缺损修复及替代等,旨在改善骨类疾病患者生活质量。迄今,医学界发展出的骨水泥全部为非金属类材料,主要包括丙烯酸和磷酸钙两大类,通常由粉末和液体两相物质组成,使用前需预先混合,通过化学反应实现固化。以丙烯酸骨水泥为例,其聚合反应放出的高热量会对周围骨组织造成损伤,而未反应的单体一旦释放到体内,会导致组织出现化学坏死。此外,传统材料因自身并不具备放射显影性,往往需要添加硫酸钡类造影剂来提升图像对比度。

  在多年研究中,刘静小组注意到,电子工业上常采用某些合金作为焊料来连接母材和焊件,这与骨水泥充填于假体和骨腔之间的功能相似,而更低一些熔点的合金材料在有关属性上与骨水泥的要求相匹配,由此创造性地将这种材料引入到骨修复领域。经过近1年半左右时间的系统研究和持续测评,研究小组揭示了所选定低熔点金属骨骼材料的力学性质、热学性质、腐蚀性质、生物相容性及放射显影等诸多特性,初步证实了这一技术在应用上的巨大潜力和综合优势。比如:金属骨水泥免去了传统材料需要预混以完成化学反应的繁琐过程,而其低熔点特性避免了对周围骨组织的热损伤;操作方面,液态金属由于流动性好,采用医用注射器即可完成骨腔灌注,并能快速固化;而且,合金骨水泥在体内甚至是骨内具有优异的放射显影性,便于术中、术后监控;值得指出的是,临床上的骨水泥在使用多年后会发生一定比例的翻修率,翻修过程涉及器械多,对医生技能要求较高,且翻修手术会对患处残留骨造成再次损伤。合金骨水泥的固液相灵活转换特点在此方面发挥了优势,使翻修过程仅通过加热、吸出即能实现可逆操作。此外,虽然金属假体在临床上应用已有数十年,但由于传统金属材料熔点极高的特性,只能在体外加工后植入,此次类似于好莱坞科幻影片《金刚狼》中场景的可注射型液态金属骨骼的提出打破了这一限制,实现了原位固化模式的适形修复;而基于这种合金的导电性,还可将其用于某些骨组织的电刺激生长和病灶治疗。这些独特性质表明,综合了金属及非金属材料优势的液态金属骨水泥,有望成为一种重要的生物医用骨科材料。

图为液态合金骨水泥填充于猪骨和小鼠皮下的X射线影像。

  与此同时,基于液态金属的液-固相转换机制,刘静教授及其博士后邓月光还在国际上首次提出并证实了一种“液态金属人体外骨骼技术”,相应论文发表于ASME Journal of Medical Devices(美国机械工程师学会医疗器械杂志),论文题为Flexible Mechanical Joint as Human Exoskeleton Using Low-Melting-Point Alloy(基于液态金属的人体外骨骼柔性关节)。这种新概念型机械关节存在柔性和刚性两种工作状态。平时工作状态下,低熔点金属吸热熔化并处于液态,柔性程度高,在体穿戴舒适感好,整个机械关节因此可在柔性关节处灵活弯折或扭转,以作为人体外骨骼执行搬运重物动作;一旦需要执行高强度任务如上肢关节运动至需要承重的位置时(人体外骨骼保持搬运动作),关节内的液态金属会在半导体制冷器作用下快速固化变硬,机械关节于是切换至刚性固体状态,整个机械关节装置从而可承受巨大的拉伸或扭转应力,这就有效地缓解了肘关节需要承受的重物拉力。整个工作过程无驱动部件,响应迅速,灵活性好。新技术有些类似于好莱坞科幻影片《钢铁侠》的应用场景,预计在高柔性、高强度人体外骨骼领域具有广阔的发展前景。 

图为用于人体上肢的液态金属外骨骼(左)及其力学承重能力(右)。

  此外,基于实验室近年来提出的液态金属印刷电子学概念,刘静小组还建立了一种独特的人体皮肤电子电路成型方法——室温液态金属模板喷印技术,研究成果以封底文章形式发表于Journal of Materials Chemistry B (材料化学杂志)上,论文题为Rapidly Patterning Conductive Components on Skin Substrates as Physiological Testing Devices via Liquid Metal Spraying and Pre-designed Mask(在皮肤上基于液态金属模板喷印方法快速构建用以检测生理信号的导电元件)。文章第一作者为医学院博士生郭藏燃。

  皮肤电子又称电子纹身,是近期兴起的热门研究领域,主要用于通过皮肤无创检测生理信号,是柔性电子技术的集中体现。然而,迄今为止,几乎所有的皮肤电子器件均不能直接制作在皮肤上,这会造成大的接触电阻从而降低测试灵敏度。而且,传统的电子导联技术往往需要复杂的加工条件,比较经典者如光刻、刻蚀、溅射等虽有较高精度,但设备相当复杂,且常常必须在高温、高辐射环境下操作,无法直接于皮肤上制作电子器件。已有的柔性电子通常的制造温度也在100℃以上,一些室温技术则要用到诸如紫外光或者化学技术,若直接在皮肤上制造会对人体造成大的伤害。刘静小组的上述工作成功避免了这些不利,他们还深入研究了液态金属在皮肤上的粘附性、导电性和应用等相关问题。结果表明,液态金属通过喷印途径可实现理想的粘附性,并且还具备较好的可拉伸电子特性。依据于印制模板的精度,所实现的皮肤电子器件可以达到微米量级。去年,该小组曾在一项液态金属普适打印技术研究论文中展示了在布料、玻璃、纸张乃至树叶上的电路打印,立即被MIT Technology Review(麻省理工科技评论)予以专题报道,并一度入选知名网站Week’s Top IT Stories(周最佳信息技术故事),国际上对此配发的评论是:“围绕不同表面打印电路的追逐可以终结了”。本项研究正是前期方法在皮肤电子上的重要推进,开启了在体生物医学电子学的新方向。 

 

材料化学杂志当期封底(左)及人体皮表电子电路打印原理(右)。

  以上工作已形成系列核心技术并于2013年初申请了相关专利。总的说来,液态金属作为一大类有别于传统的功能材料,正逐步展露其独特魅力。刘静小组通过多年持续不懈的努力,先后建立了诸如:植入式医疗电子在体3D打印技术、液态金属血管造影术、液态金属神经连接与修复技术、可变形液态金属柔性机器等突破性生物医学技术,这些首创性发现或发明在国内外引起重大反响。此次取得的一系列进展再次彰显了液态金属在发展人类健康技术上的核心价值,可望促成一个新兴生物医学材料技术领域的形成。

  论文链接:

  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:医学院 编辑:蕾蕾

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2014-09-29 11:36:25]
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