清华大学刘静课题组Adv. Funct. Mater.: 电磁场助力液态金属印刷皮肤电子实现多位点肿瘤治疗

研究背景：

电磁场（Electromagnetic field）在人们的日常生活中无处不在，它既能传递能量又能传递信息。自从法拉第电磁感应定律被发现以及麦克斯韦方程组得以建立以来，电与磁之间的神秘面纱慢慢地被人类揭开，继而，电磁场的应用逐渐渗透到现实社会的方方面面。由法拉第电磁感应定律可知，导体在交变的电磁场下能够产生感应电流，随之可引起该导体发热。这其中的感应电流又称为涡流，很多大型设备为了减少能量的损耗，需要采取相应措施防止涡流产生。与此不同的是，最新研究发现，可以将涡流能根据导体表面形状分布实现适形化加热的规律应用到生物体的肿瘤治疗领域。

由于磁场没有组织穿透深度限制并且对人体无害，很多研究者开始利用磁热治疗（Magnetic-mediated hyperthermia, MMH）的方法来实现疾病的治疗。相较于如电化学法等需要直接将刺激电极插入到治疗区域的电技术治疗措施，MMH法能够使实验设备在不接触病灶部位的情况下实现精准的信号通路的控制，即使是体内深层部位的病灶也是如此。MMH法能够治疗任何种类的肿瘤，包括实体的、弥散的、浅表的以及深层的，注射低剂量的磁性介质纳米颗粒于肿瘤部位后，MMH可以通过电磁场直接快速地杀死肿瘤细胞。液态金属作为一种高导电高导热材料，将其置于交变电磁场下能迅速产热升温，因此可将其引入作为磁热转换介质材料进行肿瘤治疗。

成果简介：

近日，清华大学医学院生物医学工程系联合中科院理化技术研究所，报道了将镓基液态金属（本文中主要使用GaIn合金）导电材料与电磁感应相结合，以实现对电子皮肤（electronic skin, e-skin）电路的适行化大面积加热并将其与疾病治疗相结合，以扩展e-skin和生物电极的应用范畴。氧化过程能增加GaIn对基底表面的粘附性能，使得液态金属可被直接印刷到皮肤表面形成皮肤电子电极网络体系。由于GaIn合金良好的导电性和导热性，此类材料在交变电磁场作用下能够迅速产生热量以加热电路及电极所覆盖的区域。将液态金属与电磁场结合实现可控加热，使用过程中突出的优点在于，只要是在电磁场区域内的液态金属均能够被加热，可实现多点同时选择性升温。基于液态金属电子皮肤电磁热效应，研究小组建立了基于空间电磁场控制的多位点肿瘤无线治疗技术。这种结合了液态金属打印电子与电磁感应的治疗技术，有望成为便捷式全身性热疗及多位点肿瘤治疗领域的一项突破性治疗手段。研究成果以题为“Printed Conformable Liquid Metal e-Skin-Enabled Spatiotemporally Controlled Bioelectromagnetics for Wireless Multisite Tumor Therapy”发表于国际知名期刊Adv. Funct. Mater.上，清华大学博士生王雪林为本文第一作者，清华大学教授、中科院理化所双聘研究员刘静为本文通讯作者。

图文导读：

图一、GaIn和O-GaIn（Oxidized GaIn，氧化的GaIn）的结构和性质

(a) 冷冻电镜下GaIn的内部结构；

(b) 冷冻电镜下O-GaIn的内部结构；

(c) GaIn扫描电镜(SEM)图片和能谱(Energy dispersive spectrometer, EDS)分析，插图为GaIn表面形貌；

(d) O-GaIn-30 SEM图片和EDS分析，插图为O-GaIn-30 表面形貌；

(e) O-GaIn-60 SEM图片和EDS分析，插图为O-GaIn-60表面形貌；

(f) 制备O-GaIn过程中不同搅拌时间下O-GaIn中氧的质量比；

(g) O-GaIn-60的X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)分析结果，存在的相应氧化物为Ga₂O₃和Ga₂O；

(h) Ga、In、O能谱。

图二、O-GaIn液态金属在皮肤上粘附性测试

(a) GaIn液滴在皮肤表面滑落实验；

(b) O-GaIn液滴在皮肤表面滑落实验；

(c) 将皮肤浸没在液态金属池中推拉测试示意；

(d) 不同浸没深度时，皮肤上的受力大小；

(e) 不同浸没深度时，皮肤上的最大受力；

(f) 毛笔蘸取液态金属测试黏附性能；

(g) 涂刷O-GaIn前后皮肤、布料、纸的表面轮廓。

图三、O-GaIn皮肤电子性能测试

(a) 直接印刷到皮肤上的液态金属图案；

(b) 液态金属皮肤电路边界轮廓；

(c) 液态金属皮肤电子展现出良好的柔性；

(d) 印刷到不同基底上的液态金属导线的电阻；

(e) 液态金属导线在弯曲不同角度时的电阻变化；

(f) 液态金属导线在弯曲不同次数时电阻变化；

(g) 液态金属导线的电压电流特性曲线。

图四、O-GaIn适形化生物电极的磁热效应

(a) O-GaIn电极在治疗体肿瘤示意；

(b) O-GaIn电极电磁加热过程；

(c) (d) 有无O-GaIn电极，在电磁场加热下皮肤表面的升温过程，及温度升高曲线；

(e) O-GaIn电极在电磁场连续开关下的温度变化过程；

(f) O-GaIn电极距离电磁场不同距离时的温度变化；

(g) (h) (i) COMSOL物理场仿真O-GaIn电极对肿瘤的加热过程，及所对应的温度曲线；

(j) 不同形状不同大小O-GaIn电极的温度变化；

(k) 搅拌不同时间下O-GaIn热导率变化；

(l) 红外相机拍摄不同形状O-GaIn图案在电磁场下均能被加热。

图五、O-GaIn适形化电极在体肿瘤治疗

(a) 治疗中肿瘤表面温度升高过程；

(b) (c) 在磁场加热下包裹DOX的水凝胶释放DOX示意，及对应的药物释放曲线；

(d) 治疗过程中小鼠肿瘤体积变化；

(e) 治疗过程中小鼠生存曲线；

(f) (g) 治疗第7天和第14天小鼠肿瘤成像；

(h) 三次治疗结束后肿瘤部位的组织切片。

图六、在体多位点肿瘤治疗

(a) 电磁场同时加热2×2，3×3O-GaIn电极阵列；

(b) 小鼠左右两侧肿瘤在同时治疗中表面温度变化；

(c) 治疗过程中小鼠左侧肿瘤体积变化；

(d) 治疗过程中小鼠右侧肿瘤体积变化；

(e) 治疗过程中小鼠生存曲线；

(f) 治疗过程中小鼠体重变化；

(g) (h) 治疗第7天和第14天小鼠肿瘤成像；

图七、液态金属细胞毒性和生物安全性评估

(a) 实验中所用到的几种材料的细胞毒性测试；

(b) (c) 血液生化检测液态金属对小鼠肝功和肾功毒性。

小结：

研究制备和表征了一系列O-GaIn液态金属材料，将其直接印刷于皮肤表面制作液态金属皮肤电子，并实现在电磁场作用下对多病灶肿瘤的同时加热治疗。相较于常用的非氧化GaIn材料，O-GaIn中存在空气空隙和Ga_xO_y金属颗粒，并且其对于皮肤的粘附性能显著提高。此材料优异的粘附性能，使得可将其直接印刷到皮肤上进行各式皮肤电路的制备。并且，由于显著的导电性和导热性，该材料还展现了突出的电磁加热效果，该工作不仅实现了将其与温敏性水凝胶药物释放结合进行联合肿瘤治疗，还实现了在体多位点肿瘤的同时治疗，效果显著。这种物理场与液态金属皮肤电子的肿瘤治疗方法避免了复杂的治疗过程，能够实现时空控制、操作灵活，并且还能避免额外的纳米材料直接注射到体内所带来的免疫反应或者代谢问题。此项研究拓展了皮肤电子的一个全新的应用——多位点肿瘤治疗，之后可以将其与皮肤电子的生物传感、健康监护和疾病诊断等功能相结合，并且还能与生物组织打印、神经网络等学科相结合，使皮肤电子能更好地外围是什么意思 人类生活。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907063

本文由清华大学刘静课题组供稿。

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