英文原题：Convergence of Liquid Metal Biotechnologies for Our Health

通讯作者：Eijiro Miyako，Japan Advanced Institute of Science and Technology

如果说现实中有一种材料自带科幻的光环，那么一定非液态金属莫属，毕竟电影《终结者》中的全液态金属机器人留给我们的印象太过深刻。如果说有一个话题能够引起所有人的关注，那么一定是健康，毕竟生命可贵！而当液态金属闯入了医疗领域，是否会是科幻照进现实，成就颠覆性的创新？液态金属领域的专家Eijiro Miyako博士近日在Accounts of Materials Research 发表观点文章“Convergence of Liquid Metal Biotechnologies for Our Health”，解读了液态金属如何成为医疗领域的创新者。

所谓液态金属，一般指具有低熔点且在接近室温时保持液态的金属和金属合金。在自然界中，能在环境温度下呈现液态的纯传统金属主要有汞（熔点为-38.87 °C）、铯（熔点28.65 °C）和镓（熔点29.76 °C）。既为液态，那么柔软可变形则是液态金属必不可少的特性。

相比于刚性材料，部分或者完全柔软的纳米级或者结构化的液态金属具有各种非传统优势，尤其在生物技术中的应用。例如，在活细胞中，液态金属可以很容易地改变形状，变形以通过狭小障碍，或流动浸润/贴合到表面。液态金属由于其独特的柔软性和柔韧性，会对细胞、组织和器官等生物界面造成很少的物理损伤，而刚性材料会导致机械摩擦从而对生物体造成损伤。这些特性也有助于液态金属通过表面修饰和纳米微加工变成纳微颗粒。此外，液态金属还具有通过向液态金属本体或表面添加其他功能材料从而实现功能可调的优异性。

而要应用到医疗领域，除了其具有特殊的多功能的可变形且易处理的特性外，生物相容性以及低毒性也是需要考虑的重要方面。目前，镓和汞及其合金的液态金属已被广泛研究，且在这两者中，镓的毒性较小，因此镓或者镓基液态金属，尤其是共晶镓铟（EGaIn）和镓铟锡（Galinstan）被认为是适合且常被用作设计生物战略蓝图的基石。

虽然液态金属的毒性仍然存在争议，但越来越多的证据表明其在体外和体内都具有很高的生物相容性，从而可被用作可植入材料。将镓或者镓基液态金属直接注射进小鼠体内的实验也证实，生物相容性使得液态金属不会对重要器官功能产生严重副作用。此外，Ga3+离子对癌症肿瘤和感染性微生物具有治疗作用。结合镓或者镓基液态金属的原始特性及镓的固态或离子态具有优异的治疗效果，可以推测镓或者镓基液态金属具有巨大的生物医学应用潜力。Eijiro博士在观点文章中重点介绍了镓或镓基液态金属在医疗设备和药物方面的变革型融合。 

图1. 基于液态金属的生物技术融合示意图

医疗设备

诊断和监测设备有望在家庭和医院的医疗保健领域占据最大的市场份额，而柔性和可伸缩的电子设备，如柔性传感器、人造电子皮肤、可伸缩显示器和可穿戴电子设备，在这个市场尤其引人注目。当前的3D打印技术和微流体能够制备所需的基于液态金属的柔性和可穿戴医疗设备结构，并具有自愈能力、形状可维护性、生物相容性、柔性、导电性和压电特性。例如，由于其灵活性和粘附性，基于液态金属的皮肤生物传感器可以动态检测外部物理化学信号，如温度、压力、应变、气体和光。

传统的植入式设备需要手术才能将设备安装在体内，而体内的生物组织和器官可能会将设备视为外来入侵者，导致免疫反应。为了避免不良的免疫反应，必须通过多个步骤用生物相容性材料对设备进行修饰。此外，尽管生物机体是一个柔性3D环境，但目前大多数的植入物，如脑刺激器和胰岛素泵，都是基于2D非柔性的设备。而具有生物相容性的镓或镓基液态金属，可转化为任何形状并浸入任何空间，适用于生物3D环境。事实上，因为具有高度的生物相容性和柔性，基于镓或镓基液态金属已经应用于植入式材料，如光热加热器、人工肌肉、神经连接、植入式传感器和交变磁场驱动的可摄取微设备。其中，交变磁场驱动的可摄取微装置具有独特的时空可控性，可用于移动和药物输送，有望在消化器官中发挥有效作用。

图2. 基于液态金属的医疗设备的潜在应用示意图

基于液态金属的医疗设备有望实现集成检测、监测和治疗等多功能。廉价、多功能且通常很小的设备已经广泛分布在实际场景中。液态金属多功能和其他技术的融合，如脑-机接口、人工智能、高通量筛选和单分子分析，可能为基于液态金属的医疗设备的变革提供一个新方向，该设备可以在单细胞和单分子水平上具有高精度的治疗性能。

药物

纳米技术为液态金属药物的新发展提供技术平台。镓基液态金属纳米颗粒由于其等离子体效应、电磁和电化学特性以及上述高生物相容性，常被用于各种治疗应用，如药物递送、肿瘤消融、X射线计算机断层成像、光声成像、磁共振成像和生物传感。

与其他固体纳米材料相比，镓基液态金属纳米颗粒具有许多主要优点，特别是其流体特性、可用的自由电子和离子以及界面电双层。然而，在保持同时金属和液体状态的情况下，我们仍然缺乏对镓基液态金属纳米颗粒的功能性、可操作性和可控性的全面理解。特别是，展现药用功能的液态金属的流动性尚未得到充分利用。迄今为止，只有少数研究组报告，镓基液态金属纳米颗粒的肿瘤酸性或光诱导转化可在靶点聚集，得益于液态金属的流动性，显著地促进了药物释放和增强X射线信号。特别是，光诱导的液态金属转化在时空上是可控的，因为液态金属具有很强的光热转化效率，可通过简单的激光照射破坏纳米颗粒。这种光物理化学特性将有助于设计针对疾病部位（如生物体内的癌性肿瘤）的主动靶向策略。液态金属的镓氧化层的表面化学和修饰对于调控液态金属的流动性优势非常重要。

此外，许多挑战仍有待探索，特别是关于液态金属纳米颗粒的治疗功能化。目前只有一小部分功能分子（主要是聚乙二醇部分）用于了液态金属纳米颗粒的功能化。将生物相容性和治疗性生物材料（如蛋白质、基因和细胞）用于液态金属纳米颗粒的功能化可能会开辟新的途径并促进临床应用，产生意想不到的效果，如改善细胞内通透性和与靶向受体的强作用。功能分子和生物材料的自组装也可能有助于创造新的基于液态金属的生物技术，以增强液态金属的固有特性。然而，目前的主要挑战是纳米微机器人的生产简易化和高精度远程控制。这些研究的概念和机制可能有助于设计新一代液态金属药物。

未来的道路依然很长，作者设想，未来最先进的技术，如脑机接口、人工智能、高通量筛选、单分子分析以及化学和物理的传统发展，将参与到这一新领域。天然生物材料（如蛋白质、基因和细胞）的独特能力也可用于开发高效药物，并同时保留液态金属的独特性质，即同时具备金属和液体状态。分子自组装和纳米微机器人技术也可以为液态金属在生物技术应用中创造新功能开辟极具吸引力的途径。

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Convergence of Liquid Metal Biotechnologies for Our Health

Eijiro Miyako*

Acc. Mater. Res., 2021, 2, 858–862, DOI: 10.1021/accountsmr.1c00126

Publication Date: September 9, 2021

Copyright © 2021 Accounts of Materials Research. 

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（本稿件来自ACS Publications）

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