清华大学液态金属肿瘤与神经生物医疗电子学研究取得系列新进展

电化学疗法是一种具有良好疗效的肿瘤治疗途径，借助电解作用及电极周围生成的产物实施治疗。传统电极大多由刚体金属制成，对于较大体积肿瘤，通常需植入多根电极，但大量刚性电极的引入不仅给患者造成很大痛苦，也增加了感染的风险。

研究液态金属多年的刘静小组意识到，在室温下呈液态的镓及其合金，拥有良好的导电性、柔性和生物相容性，可望成为一种绝佳的液态柔性电极材料。这种高柔顺性金属流体电极可通过注射方式注入肿瘤(图1)，甚至如胃、直肠、结肠、血管等传统电极很难到达的部位(图２)，又能与周围组织很好贴附，而且通过变换排布方式可有效的减少电极使用数量，这就大大降低了对患者造成的机械创伤。系列离体细胞水平(图３)和荷瘤动物(图４)对比试验，均揭示出液态金属电极拥有较之传统惰性铂电极更为优良的肿瘤治疗效果。

研究揭示，在相同电压下，液态金属电极组的电流是铂电极组的两倍左右，且能通过电解作用分别在阴极和阳极产生更多的治疗性产物。而在传输相同量电荷方面，液态金属组所需时间只有普通铂电极组的一半。这主要是由于液态金属在非均一电场作用下时，其阴极由于表面氧化层的去除，会使得液态金属与其周围溶液均产生剧烈的扰动，从而让更多的离子参与到电化学的反应中，这就解释了液态金属电极所展示出的更好肿瘤治疗效果以及导致更多肿瘤细胞死亡的机制。

进一步地，研究小组在另一篇即将刊出的题为“以液态金属池作为适形化柔性电极的靶向组织射频消融治疗”(Liquid metal bath as conformable soft electrodes for target tissue ablation in RFA therapy, Sun et al., Minimally Invasive Therapy & Allied Technologies, in press, 2017)的研究论文中，还提出了水浴式液态金属射频电极，可将形状复杂的治疗部位浸泡于其中并由此输入电流，从而实现预期的适形化射频消融治疗。

液态金属不仅作为肿瘤治疗电极，其在更多挑战性医学问题的解决上同样体现出显著优势。在知名期刊《微力学与微工程学报》(Journal of Micromechanics and Microengineering)上发表的题为“可植入式液态金属柔性神经微电极阵列及其在修复动物运动功能上的应用”(Implantable liquid metal-based flexible neural microelectrode array and its application in recovering animal locomotion functions, vol. 27, pp. 104002, 2017)的论文中，该小组制备出了液态金属神经电极阵列，借助其自身独特的机械性能和电学性能，解决了植入式神经电极所面临的与周围组织力学性能不匹配的难题。文章第一作者为生医系二年级博士生国瑞，通讯作者为刘静教授。

该项工作表明，液态金属可以作为连接生物体与电子设备的中间材料，充当生物体与非生物体的良好接口。生理学上，遍布人体全身的外周神经系统是连接大脑与身体的通道，可将来自大脑的神经电信号传送给四肢，从而控制肢体运动。然而，外周神经损伤会造成运动障碍甚至瘫痪。传统的神经缝合和神经移植技术难以实现神经的完全修复，需要复杂的手术治疗以及漫长的术后恢复过程，存在肢体功能丧失的风险。神经植入电刺激技术为外周神经损伤修复提供了一条关键途径。断裂的神经在植入电极的电刺激作用下可在短时间内恢复肢体的运动功能，从而防止肌肉萎缩。然而，将电极植入人体短时间内虽有很好效果，但随着时间的推移，其作用会逐渐失去。一个重要原因是植入材料与生物组织之间不协调的力学特性所致，另一原因则来自电极植入过程中对神经组织的机械损伤。

刘静小组近年来的研究发现，镓铟合金所拥有的一系列特殊性质，使其在生物医学领域有着广阔的应用前景。在此项研究中，他们采用镓铟合金作为电极材料，使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）作为电极封装材料，借助液态金属喷涂技术对液态金属电极进行图案化处理，制备出了不同形状的电极(图５)。对该电极进行的系列功能测试和动物实验，获得了对其机械性能、电学特性以及生物相容性的完整认识。不同于传统神经植入式电极的是，这种液态金属电极具有良好的可拉伸性能，且能保持一定的电学稳定性、化学稳定性，其在生理盐水中只产生微量的金属镓溶解物，对细胞没有明显的毒性。作为典型的应用展示，作者们将液态金属神经电极植入到一只死亡牛蛙的坐骨神经处，通过外加电刺激迅速恢复了牛蛙下肢肌肉群的收缩运动功能。可以看到，应用植入的液态金属神经电极代替断裂的坐骨神经，可直接将神经电信号传递给受损神经的远端，甚至让死亡的牛蛙恢复其肢体的运动功能(图６)，其在水中依据控制方式游动的情形，如同活体一般。

以上关于液态金属生物医疗电子学研究的最新进展，为应对肿瘤治疗、神经连接与修复等医学难题的挑战提供了变革性技术方案，具有重要的科学意义和现实应用价值。