Advanced NanoBiomed Research:液态金属颗粒及其纳米生物医学应用

液态金属的生物医学应用由来已久。早在两个世纪前,利用汞与其他金属结合形成汞齐就被用作牙科填充剂,没有任何直接不良反应发生;异常活泼的钠钾合金作为肿瘤治疗的靶向热源,能够产生微炸弹爆破的疗效,反应后的碱性溶液还可起到增强肿瘤消融的效果。另外,阳离子反应产物,包括钠离子和钾离子,是体液的关键离子,也不会对人体产生副作用。

近年来,宏观状态的镓基液态金属合金在生物医学健康监测、组织修复、疾病治疗等领域展现出巨大前景。前期的许多开创性工作主要利用液态金属生物材料作为可注射多功能流体材料,实现多样的在体应用,包括利用相变行为作为骨水泥支撑材料,高分辨率的柔性血管可显影栓塞剂以及可注射无定型式电化学电极,为各种生物医学疾病治疗提供原创性方法。

微纳米尺度的液态金属材料的生物医学应用尚处于起步阶段。从材料制备方法到与生物体相互作用模式、治疗方式等,液态金属表现出不同于传统材料的非凡特性与效果。液态金属微纳米材料的优势可总结为四个方面:1)自发形成的氧化膜,液态金属在空气中易于氧化,液态金属纳米材料制备过程中会被自发形成的氧化物包裹而构成核壳结构,为纳米材料提供一定的稳定性;2)生物安全性,镓基纳米材料的毒性较低,适于作为生物材料实现生物医学应用;3)可降解性,材料在生物体环境中可变现为缓慢降解的特性;4)刺激响应特性,在外部的多种刺激,包括电场、磁场、热、光、pH等刺激下,材料可表现出响应变形特性等。

液态金属自身具有良好的流动性,可以利用自上而下的方式方便快捷制备出大量微纳米样品。在超声下,小分子、高分子聚合物以及蛋白等能够利用静电吸附、聚合反应等方式装载于材料表面,实现功能化。由于具有柔性,材料可制备成不同尺寸、形态的纳米材料,包括球状、棒状、长椭圆状等。液态金属材料丰富的表面还可以进一步通过化学或生物修饰以增加材料的功能性。目前,液态金属生物医学纳米材料的代表性应用很多,包括生物医学检测、药物递送、强化传热与能量递送、肿瘤治疗、成像、抗菌、纳米机器等。其中,材料在低温下可产生类似微爆破的奇异现象,能通过强化机械力杀伤的形式强化肿瘤低温消融。另外,液态金属材料还可应用于多种类生物医学成像中,包括X射线成像,光声成像,CT成像与MRI成像,有望进一步拓展成为诊疗一体化的生物医学应用平台。

论文信息:

Nano-Biomedicine based on Liquid Metal Particles and Allied Materials

Xuyang Sun, Bo Yuan, Hongzhang Wang, Linlin Fan, Minghui Duan, Xuelin Wang, Rui Guo, Jing Liu

Advanced NanoBiomed Research

DOI:10.1002/anbr.202000086