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医工融合:液态金属皮肤交互电子助力CT医学影像诊疗

发布时间:2020-05-07 浏览:133

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液态金属是一大类合金材料,通常是指熔点在200摄氏度以下的低熔点合金,在工作状态下为液态,具有液态温度宽、导热率高、导电性好等特点。其中以金属镓为基体的室温液态金属在常温下即可保持液体状态,并且具有生物安全性高、导电性强,流动性好等优点,在热控与能源、印刷电子、生物医学以及柔性机器等领域有着广泛的应用前景。此外,在通常的镓基液态金属合金材料的基础上,将固态金属颗粒与液态金属混合形成的复合液态金属材料可表现出更多的特定功能,如和磁性颗粒混合形成的磁性液态金属、与玻璃微球形成的轻质液态金属等。

室温液态金属

近年来,我国研究人员将液态金属与柔性电子结合,在生物医学领域得到广泛应用,例如基于液态金属的电子纹身、可穿戴柔性传感器以及用于癌症热疗的功能性材料等。不同于传统的柔性导电材料,液态金属不仅具有更高的导电性,而且具有良好的放射成像能力,在医学影像诊断领域有着独特的应用潜质。清华大学医学院刘静教授课题组与首都医科大学宣武医院卢洁教授课题组利用液态金属材料的放射成像能力,开发出一种液态金属纹身贴片,不仅可以贴敷在皮肤表面检测人体生理信号,而且可以帮助医生在CT图像中准确定位病灶位置。

该项研究使用了一种混合金属铜微颗粒的复合液态金属材料(Cu-EGaIn),这种材料具有较高的导电性(6 × 106 S m-1),并且在不同粗糙度的基底表面具有明显的选择粘附性。在该项研究中,实验人员首先将聚丙烯酸甲酯(PMA)和碳粉依次印刷在水转印纸表面,之后将Cu-EGaIn材料滚涂在其表面。由于碳粉的粗糙表面使得液态金属难以粘附在其表面,而PMA对液态金属表现出良好的粘附性,因此液态金属只粘附在PMA表面,并形成特定的电子电路图案。之后结合相关的电子元件,并用柔性硅胶材料(Ecoflex)进行封装。最后在水溶液中去除水转印纸基底,即可直接贴敷在皮肤表面。这种制备方法利用激光打印机打印碳粉涂层以及滚涂方式印刷液态金属材料,可以方便快捷地进行大批量的液态金属贴片制备。本研究利用该方法在人体皮肤和三维物体表面制作出多种柔性电子电路。

此外,该研究将液态金属纹身贴片制作成不同尺寸的圆形CT定位标记物,并贴敷在水模和实验动物的体表。实验表明在不同的扫描模式下(80kV,120Kv),液态金属标记物均能获得较高的CT值。在实验动物头部、胸部以及腹部贴敷的液态金属CT定位标记物均表现出远高于生物组织的CT值,并能够通过图像分割获得多个标记物与生物组织之间的几何位置关系。基于Cu-EGaIn材料的纹身贴片对X射线的阻挡能力远高于人体组织,因此将液态金属纹身贴片贴敷在病灶周围的皮肤表面,结合CT断层扫描,在获得的CT断层图像中,液态金属纹身贴片反映出很强的放射成像效果,可辅助医生或手术机器人确定病灶与体表贴片的几何位置关系以及穿刺引导和手术治疗。研究人员称该技术有望将皮肤电子与医学影像结合,实现医学影像辅助下的生理信号实时监测。

以上成果近期发表在Materials Horizons上,文章题目为Cu-EGaIn Enabled Stretchable E-skin for Interactive Electronics and CT Assistant Localization,清华大学博士生国瑞和首都医科大学博士生崔碧霄为本文的共同第一作者,刘静教授和卢洁教授为共同通讯作者。

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