中科院理化所在液態金屬3D打印領域全面突破
近日，由劉靜研究員帶領的中科院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組，首次提出了一種全新概念的低熔點液態合金骨水泥，用以加固和修復受損骨骼，這種可注射型金屬骨骼技術打破了傳統非金屬骨水泥的范疇。相應研究在線發表于Biomaterials，論文題為“用于可逆及快速成型的液-固相轉換合金骨水泥”(Liquid-Solid Phase Transition Alloy as Reversible and Rapid Molding Bone Cement)。
低熔點合金骨水泥的可塑性和流動性特點
骨水泥是臨床上實施骨科手術的重要生物醫學材料，主要用于人工關節置換、骨缺損修復及替代等，旨在改善骨類疾病患者生活質量。迄今，醫學界發展出的骨水泥全部為非金屬類材料，主要包括丙烯酸和磷酸鈣兩大類，通常由粉末和液體兩相物質組成，使用前需預先混合，通過化學反應實現固化。以丙烯酸骨水泥為例，其聚合反應放出的高熱量會對周圍骨組織造成損傷，而未反應的單體一旦釋放到體內，會導致組織出現化學壞死。此外，傳統材料因自身并不具備放射顯影性，往往需要添加硫酸鋇類造影劑來提升圖像對比度。
在多年研究中，劉靜小組注意到，電子工業上常采用某些合金作為焊料來連接母材和焊件，這與骨水泥充填于假體和骨腔之間的功能相似，而熔點更低一些的合金材料在有關屬性上與骨水泥的要求相匹配，于是創造性地將這種材料引入到骨修復領域。
經過近1年半時間的系統研究和持續測評，研究小組揭示了所選定低熔點金屬骨骼材料的力學性質、熱學性質、腐蝕性質、生物相容性及放射顯影等諸多特性，初步證實了這一技術在應用上的巨大潛力和綜合優勢。比如：金屬骨水泥免去了傳統材料需要預混以完成化學反應的繁瑣過程，而其低熔點特性避免了對周圍骨組織的熱損傷；操作方面，液態金屬由于流動性好，采用醫用注射器即可完成骨腔灌注，并能快速固化；而且，合金骨水泥在體內甚至是骨內具有優異的放射顯影性，便于術中、術后監控。
值得指出的是，臨床上的骨水泥在使用多年后會發生一定比例的翻修率，翻修過程涉及器械多，對醫生技能要求較高，且翻修手術會對患處殘留骨造成再次損傷；合金骨水泥的固液相靈活轉換特點在此方面發揮了優勢，使翻修過程僅通過加熱、吸出即能實現可逆操作。
此外，雖然金屬假體在臨床上應用已有數十年，但由于傳統金屬材料熔點極高，只能在體外加工后植入，此次類似于好萊塢科幻影片《金剛狼》那樣的可注射型液態金屬骨骼的提出打破了這一限制，實現了原位固化模式的適形修復；而基于這種合金的導電性，還可將其用于某些骨組織的電刺激生長和病灶治療。這些獨特性質表明，綜合了金屬及非金屬材料優勢的液態金屬骨水泥，有望成為一種重要的生物醫用骨科材料。
液態合金骨水泥填充于豬骨和小鼠皮下的X射線影像
液態金屬人體外骨骼技術——剛柔并濟的超級戰甲
與此同時，基于液態金屬的液-固相轉換機制，該小組還在國際上首次提出并證實了一種“液態金屬人體外骨骼技術”，相應論文發表于ASME Journal of Medical Devices（Flexible Mechanical Joint as Human Exoskeleton Using Low-Melting-Point Alloy, 8: 044506, 2014）。這種新概念型機械關節存在柔性和剛性兩種工作狀態。
平時工作狀態下，低熔點金屬吸熱熔化并處于液態，柔性程度高，在體穿戴舒適感好，整個機械關節因此可在柔性關節處靈活彎折或扭轉，以作為人體外骨骼執行搬運重物動作；一旦需要執行高強度任務如上肢關節運動至需要承重的位置時（人體外骨骼保持搬運動作），關節內的液態金屬會在半導體制冷器作用下快速固化變硬，機械關節于是切換至剛性固體狀態，整個機械關節裝置從而可承受巨大的拉伸或扭轉應力，這就有效地緩解了肘關節需要承受的重物拉力。
整個工作過程無驅動部件，響應迅速，靈活性好。新技術好比科幻影片《鋼鐵俠》中所展示的那種盔甲，預計在高柔性、高強度人體外骨骼領域具有廣闊的發展前景。
用于人體上肢的液態金屬外骨骼(左)及其力學承重能力(右)
此外，基于實驗室近年來提出的液態金屬印刷電子學概念，該小組還建立了一種獨特的人體皮膚電子電路成型方法——室溫液態金屬模板噴印技術，研究成果以封底文章形式發表于Journal of Materials Chemistry B （材料化學雜志）上，論文題為“在皮膚上基于液態金屬模板噴印方法快速構建用以檢測生理信號的導電元件”(Rapidly Patterning Conductive Components on Skin Substrates as Physiological Testing Devices via Liquid Metal Spraying and Pre-designed Mask, 2, 5739-5745, 2014)。
皮膚電子技術——皮膚上也能制作電子器件
皮膚電子又俗稱電子紋身，是近期興起的熱門研究領域，主要用于通過皮膚無創檢測生理信號，是柔性電子技術的集中體現。
然而，迄今為止，幾乎所有的皮膚電子器件均不能直接制作在皮膚上，這會造成大的接觸電阻從而降低測試靈敏度。而且，傳統的電子導聯技術往往需要復雜的加工條件，比較經典者如光刻、刻蝕、濺射等雖有較高精度，但設備相當復雜，且常常必須在高溫、高輻射環境下操作，無法直接于皮膚上制作電子器件。已有的柔性電子通常的制造溫度也在100℃以上，一些室溫技術則要用到諸如紫外光或者化學技術，若直接在皮膚上制造會對人體造成大的傷害。
劉靜小組的上述工作成功避免了這些不利，他們還深入研究了液態金屬在皮膚上的粘附性、導電性和傳感應用等相關問題。結果表明，液態金屬通過噴印途徑可實現理想的粘附性，并且還具備較好的可拉伸電子特性。依據于印制模板的精度，所實現的皮膚電子器件可以達到微米量級。
去年，該小組曾在一項液態金屬普適打印技術研究論文中展示了在布料、玻璃、塑料、紙張乃至樹葉等多種介質上的電路打印，立即被MIT Technology Review予以專題報道，并一度入選知名網站Week’s Top IT Stories，國際上對此配發的評論是：“圍繞不同表面打印電路的追逐可以終結了”。本項研究正是前期方法在皮膚電子上的重要推進，開啟了在體生物醫學電子學的新方向。
以上工作已形成系列核心技術并申請了相關專利�？偟恼f來，液態金屬作為一大類有別于傳統的功能材料，正逐步展露其獨特魅力。劉靜小組通過多年持續不懈的開拓努力，先后建立了諸如植入式醫療電子在體3D打印技術、液態金屬血管造影術、液態金屬神經連接與修復技術、可變形液態金屬柔性機器等突破性生物醫學技術，這些首創性發現或發明在國內外引起重大反響。此次取得的一系列進展再次彰顯了液態金屬在發展人類健康技術上的核心價值，可望促成一個新興生物醫學材料技術領域的形成。
(責任編輯：admin)
美國3D打印上市公司股價繼
海外3D打印概念股ETF-ARK
奔馳被大貨車雨中頂推行駛
創想三維精彩亮相美國RAPI
2019年中國技能競賽“創想
創想三維：解析3D打印機制
如何撬動消費升級
深圳長朗科技將在
數字經濟×千億產
大西洋大學開發用
Ashley Furniture
