清華大學劉靜課題組Adv.?Funct. Mater.: 電磁場助力液態金屬印刷皮膚電子實現多位點腫瘤治療

研究背景：

電磁場（Electromagnetic field）在人們的日常生活中無處不在，它既能傳遞能量又能傳遞信息。自從法拉第電磁感應定律被發現以及麥克斯韋方程組得以建立以來，電與磁之間的神秘面紗慢慢地被人類揭開，繼而，電磁場的應用逐漸滲透到現實社會的方方面面。由法拉第電磁感應定律可知，導體在交變的電磁場下能夠產生感應電流，隨之可引起該導體發熱。這其中的感應電流又稱為渦流，很多大型設備為了減少能量的損耗，需要采取相應措施防止渦流產生。與此不同的是，最新研究發現，可以將渦流能根據導體表面形狀分布實現適形化加熱的規律應用到生物體的腫瘤治療領域。

由于磁場沒有組織穿透深度限制并且對人體無害，很多研究者開始利用磁熱治療（Magnetic-mediated hyperthermia, MMH）的方法來實現疾病的治療。相較于如電化學法等需要直接將刺激電極插入到治療區域的電技術治療措施，MMH法能夠使實驗設備在不接觸病灶部位的情況下實現精準的信號通路的控制，即使是體內深層部位的病灶也是如此。MMH法能夠治療任何種類的腫瘤，包括實體的、彌散的、淺表的以及深層的，注射低劑量的磁性介質納米顆粒于腫瘤部位后，MMH可以通過電磁場直接快速地殺死腫瘤細胞。液態金屬作為一種高導電高導熱材料，將其置于交變電磁場下能迅速產熱升溫，因此可將其引入作為磁熱轉換介質材料進行腫瘤治療。

成果簡介：

近日，清華大學醫學院生物醫學工程系聯合中科院理化技術研究所，報道了將鎵基液態金屬（本文中主要使用GaIn合金）導電材料與電磁感應相結合，以實現對電子皮膚（electronic skin, e-skin）電路的適行化大面積加熱并將其與疾病治療相結合，以擴展e-skin和生物電極的應用范疇。氧化過程能增加GaIn對基底表面的粘附性能，使得液態金屬可被直接印刷到皮膚表面形成皮膚電子電極網絡體系。由于GaIn合金良好的導電性和導熱性，此類材料在交變電磁場作用下能夠迅速產生熱量以加熱電路及電極所覆蓋的區域。將液態金屬與電磁場結合實現可控加熱，使用過程中突出的優點在于，只要是在電磁場區域內的液態金屬均能夠被加熱，可實現多點同時選擇性升溫。基于液態金屬電子皮膚電磁熱效應，研究小組建立了基于空間電磁場控制的多位點腫瘤無線治療技術。這種結合了液態金屬打印電子與電磁感應的治療技術，有望成為便捷式全身性熱療及多位點腫瘤治療領域的一項突破性治療手段。研究成果以題為“Printed Conformable Liquid Metal e-Skin-Enabled Spatiotemporally Controlled Bioelectromagnetics for Wireless Multisite Tumor Therapy”發表于國際知名期刊Adv. Funct. Mater.上，清華大學博士生王雪林為本文第一作者，清華大學教授、中科院理化所雙聘研究員劉靜為本文通訊作者。

圖文導讀：

圖一、GaIn和O-GaIn（Oxidized?GaIn，氧化的GaIn）的結構和性質

(a) 冷凍電鏡下GaIn的內部結構；

(b) 冷凍電鏡下O-GaIn的內部結構；

(c) GaIn掃描電鏡(SEM)圖片和能譜(Energy dispersive spectrometer, EDS)分析，插圖為GaIn表面形貌；

(d) O-GaIn-30 SEM圖片和EDS分析，插圖為O-GaIn-30 表面形貌；

(e) O-GaIn-60 SEM圖片和EDS分析，插圖為O-GaIn-60表面形貌；

(f) 制備O-GaIn過程中不同攪拌時間下O-GaIn中氧的質量比；

(g) O-GaIn-60的X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)分析結果，存在的相應氧化物為Ga₂O₃和Ga₂O；

(h) Ga、In、O能譜。

圖二、O-GaIn液態金屬在皮膚上粘附性測試

(a) GaIn液滴在皮膚表面滑落實驗；

(b) O-GaIn液滴在皮膚表面滑落實驗；

(c) 將皮膚浸沒在液態金屬池中推拉測試示意；

(d) 不同浸沒深度時，皮膚上的受力大小；

(e) 不同浸沒深度時，皮膚上的最大受力；

(f) 毛筆蘸取液態金屬測試黏附性能；

(g) 涂刷O-GaIn前后皮膚、布料、紙的表面輪廓。

圖三、O-GaIn皮膚電子性能測試

(a) 直接印刷到皮膚上的液態金屬圖案；

(b) 液態金屬皮膚電路邊界輪廓；

(c) 液態金屬皮膚電子展現出良好的柔性；

(d) 印刷到不同基底上的液態金屬導線的電阻；

(e) 液態金屬導線在彎曲不同角度時的電阻變化；

(f) 液態金屬導線在彎曲不同次數時電阻變化；

(g) 液態金屬導線的電壓電流特性曲線。

圖四、O-GaIn適形化生物電極的磁熱效應

(a) O-GaIn電極在治療體腫瘤示意；

(b) O-GaIn電極電磁加熱過程；

(c) (d) 有無O-GaIn電極，在電磁場加熱下皮膚表面的升溫過程，及溫度升高曲線；

(e) O-GaIn電極在電磁場連續開關下的溫度變化過程；

(f) O-GaIn電極距離電磁場不同距離時的溫度變化；

(g) (h) (i) COMSOL物理場仿真O-GaIn電極對腫瘤的加熱過程，及所對應的溫度曲線；

(j) 不同形狀不同大小O-GaIn電極的溫度變化；

(k) 攪拌不同時間下O-GaIn熱導率變化；

(l) 紅外相機拍攝不同形狀O-GaIn圖案在電磁場下均能被加熱。

圖五、O-GaIn適形化電極在體腫瘤治療

(a) 治療中腫瘤表面溫度升高過程；

(b) (c) 在磁場加熱下包裹DOX的水凝膠釋放DOX示意，及對應的藥物釋放曲線；

(d) 治療過程中小鼠腫瘤體積變化；

(e) 治療過程中小鼠生存曲線；

(f) (g) 治療第7天和第14天小鼠腫瘤成像；

(h) 三次治療結束后腫瘤部位的組織切片。

圖六、在體多位點腫瘤治療

(a) 電磁場同時加熱2×2，3×3O-GaIn電極陣列；

(b) 小鼠左右兩側腫瘤在同時治療中表面溫度變化；

(c) 治療過程中小鼠左側腫瘤體積變化；

(d) 治療過程中小鼠右側腫瘤體積變化；

(e) 治療過程中小鼠生存曲線；

(f) 治療過程中小鼠體重變化；

(g) (h) 治療第7天和第14天小鼠腫瘤成像；

圖七、液態金屬細胞毒性和生物安全性評估

(a) 實驗中所用到的幾種材料的細胞毒性測試；

(b) (c) 血液生化檢測液態金屬對小鼠肝功和腎功毒性。

小結：

研究制備和表征了一系列O-GaIn液態金屬材料，將其直接印刷于皮膚表面制作液態金屬皮膚電子，并實現在電磁場作用下對多病灶腫瘤的同時加熱治療。相較于常用的非氧化GaIn材料，O-GaIn中存在空氣空隙和Ga_xO_y金屬顆粒，并且其對于皮膚的粘附性能顯著提高。此材料優異的粘附性能，使得可將其直接印刷到皮膚上進行各式皮膚電路的制備。并且，由于顯著的導電性和導熱性，該材料還展現了突出的電磁加熱效果，該工作不僅實現了將其與溫敏性水凝膠藥物釋放結合進行聯合腫瘤治療，還實現了在體多位點腫瘤的同時治療，效果顯著。這種物理場與液態金屬皮膚電子的腫瘤治療方法避免了復雜的治療過程，能夠實現時空控制、操作靈活，并且還能避免額外的納米材料直接注射到體內所帶來的免疫反應或者代謝問題。此項研究拓展了皮膚電子的一個全新的應用——多位點腫瘤治療，之后可以將其與皮膚電子的生物傳感、健康監護和疾病診斷等功能相結合，并且還能與生物組織打印、神經網絡等學科相結合，使皮膚電子能更好地服務人類生活。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907063

本文由清華大學劉靜課題組供稿。

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