清华大学液态金属肿瘤与神经生物医疗电子学

发布时间:2021-11-19

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近日,清华大学医学院生物医学工程系刘静教授小组联合中国科学院理化技术研究所,在《生物材料》(Biomaterials)上发表了题为“无定形液态金属电极促成的适形化电化学肿瘤治疗”(Amorphousliquidmetalelectrodesenabledconformableelectrochemicaltherapyoftumors,vol.,pp.-,)的学术论文。此项研究首次报道了基于液态金属电极的适形化电化学肿瘤治疗方法。文章第一作者为生医系四年级博士生孙旭阳,通讯作者为刘静教授。

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”(LiquidmetalbathasconformablesoftelectrodesfortargettissueablationinRFAtherapy,Sunetal.,MinimallyInvasiveTherapyAlliedTechnologies,inpress,)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》(JournalofMicromechanicsandMicroengineering)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”(Implantableliquidmetal-basedflexibleneuralmicroelectrodearrayanditsapplicationinrecoveringanimallo

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