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    醫工融合:液態金屬皮膚交互電子助力CT醫學影像診療
    2020-04-30  來源:高分子科技

      液態金屬是一大類合金材料,通常是指熔點在200攝氏度以下的低熔點合金,在工作狀態下為液態,具有液態溫度寬、導熱率高、導電性好等特點。其中以金屬鎵為基體的室溫液態金屬在常溫下即可保持液體狀態,并且具有生物安全性高、導電性強,流動性好等優點,在熱控與能源、印刷電子、生物醫學以及柔性機器等領域有著廣泛的應用前景。此外,在通常的鎵基液態金屬合金材料的基礎上,將固態金屬顆粒與液態金屬混合形成的復合液態金屬材料可表現出更多的特定功能,如和磁性顆粒混合形成的磁性液態金屬、與玻璃微球形成的輕質液態金屬等。

    圖1 室溫液態金屬


      近年來,我國研究人員將液態金屬與柔性電子結合,在生物醫學領域得到廣泛應用,例如基于液態金屬的電子紋身、可穿戴柔性傳感器以及用于癌癥熱療的功能性材料等。不同于傳統的柔性導電材料,液態金屬不僅具有更高的導電性,而且具有良好的放射成像能力,在醫學影像診斷領域有著獨特的應用潛質。清華大學醫學院劉靜教授課題組與首都醫科大學宣武醫院盧潔教授課題組利用液態金屬材料的放射成像能力,開發出一種液態金屬紋身貼片,不僅可以貼敷在皮膚表面檢測人體生理信號,而且可以幫助醫生在CT圖像中準確定位病灶位置。


    圖2 液態金屬紋身貼片的制備流程


      該項研究使用了一種混合金屬銅微顆粒的復合液態金屬材料(Cu-EGaIn),這種材料具有較高的導電性(6 × 106 S m-1),并且在不同粗糙度的基底表面具有明顯的選擇粘附性。在該項研究中,實驗人員首先將聚丙烯酸甲酯(PMA)和碳粉依次印刷在水轉印紙表面,之后將Cu-EGaIn材料滾涂在其表面。由于碳粉的粗糙表面使得液態金屬難以粘附在其表面,而PMA對液態金屬表現出良好的粘附性,因此液態金屬只粘附在PMA表面,并形成特定的電子電路圖案。之后結合相關的電子元件,并用柔性硅膠材料(Ecoflex)進行封裝。最后在水溶液中去除水轉印紙基底,即可直接貼敷在皮膚表面。這種制備方法利用激光打印機打印碳粉涂層以及滾涂方式印刷液態金屬材料,可以方便快捷地進行大批量的液態金屬貼片制備。本研究利用該方法在人體皮膚和三維物體表面制作出多種柔性電子電路。


    圖3 基于液態金屬紋身貼片的柔性電子電路


      此外,該研究將液態金屬紋身貼片制作成不同尺寸的圓形CT定位標記物,并貼敷在水模和實驗動物的體表。實驗表明在不同的掃描模式下(80kV,120Kv),液態金屬標記物均能獲得較高的CT值。在實驗動物頭部、胸部以及腹部貼敷的液態金屬CT定位標記物均表現出遠高于生物組織的CT值,并能夠通過圖像分割獲得多個標記物與生物組織之間的幾何位置關系。基于Cu-EGaIn材料的紋身貼片對X射線的阻擋能力遠高于人體組織,因此將液態金屬紋身貼片貼敷在病灶周圍的皮膚表面,結合CT斷層掃描,在獲得的CT斷層圖像中,液態金屬紋身貼片反映出很強的放射成像效果,可輔助醫生或手術機器人確定病灶與體表貼片的幾何位置關系以及穿刺引導和手術治療。研究人員稱該技術有望將皮膚電子與醫學影像結合,實現醫學影像輔助下的生理信號實時監測。


    圖4 基于液態金屬紋身貼片的CT定位標記物


      以上成果近期發表在Materials Horizons上,文章題目為Cu-EGaIn Enabled Stretchable E-skin for Interactive Electronics and CT Assistant Localization,清華大學博士生國瑞和首都醫科大學博士生崔碧霄為本文的共同第一作者,劉靜教授盧潔教授為共同通訊作者。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1039/C9MH02066G

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