來源 | 上?！犊茖W(xué)》雜志2022年第74卷第2期

　　題目 | 液態(tài)金屬3D打印技術(shù)

　　作者 | 孫旭陽 袁 博

　　在科技快速發(fā)展的今天，借助材料、技術(shù)的突破讓人類享受更優(yōu)的生物醫(yī)療體驗，免遭疾病與自身壽命極限的困擾，甚至獲得突破自身極限的能力是人類一直追求的目標(biāo)。對液態(tài)金屬的認知與充分開發(fā)有助于我們更接近這一目標(biāo)。

　　賽博格(cyborg)是一種帶有強烈的科幻氣息和未來科技色彩，似乎只存在于科幻小說和電影里的經(jīng)典形象，比如《機械戰(zhàn)警》中將人類頭腦與機械身體結(jié)合的墨菲，《銀翼殺手》中塑造的具有超能力身體的羅伊殺手形象，以及《攻殼機動隊》中由人工精心組裝構(gòu)成的機械與人類組織互融的仿生人女主草薙素子。

　　賽博格：生物與電子機械的高度融合

　　人類對人與機械關(guān)系的描述可以追溯到300多年前。法國著名哲學(xué)家笛卡兒試圖將人比作機器，將人所有生理活動與行為理解為機械運動，據(jù)此試圖探尋肉體與靈魂的關(guān)系。然而，人的血肉之軀終究不是機械，無法抵御各種外部刀槍利炮的機械傷害，所以人類對機械的身體一直存在著某種向往。1960年代，兩位科學(xué)家克萊恩斯(M. Clynes)與克萊恩(N. Kline)首次提出了賽博格一詞，當(dāng)時被用來描述在太空中的人需要借助生物化學(xué)活性物質(zhì)與機械裝備來應(yīng)對外部環(huán)境的挑戰(zhàn) [1]。賽博格是控制論(cybernetic)與有機體(organism)的縮寫結(jié)合，意指有機體與外部機械、電子等組合而形成一個半人半機械的系統(tǒng)。1980年代，女性主義學(xué)者哈拉維(D. Haraway)發(fā)表了具有突破性的《賽博格宣言》，對賽博格的理解打破了物種、生命體與非生命體、物質(zhì)與想象的界限。21世紀(jì)初，一位來自英國的天生色盲的藝術(shù)家哈比森(N. Harbisson)通過安裝一枚“機械眼”，成為首位半機械人?？茖W(xué)家為他定制的“眼睛”可以識別外部的顏色，將顏色信息轉(zhuǎn)化為聲波信息，再通過植入的方式連接到頭骨，轉(zhuǎn)為可被識別的聽覺信號。對他而言，繽紛的色彩世界轉(zhuǎn)變成了一連串的音符，科技的輔助彌補了人類的缺陷，同時又創(chuàng)造性地顛覆了人類對世界的認知。

　　新時代的賽博格不是一成不變的，需要可剛可柔，可硬可軟、可感知可鈍化、可仿生可擬物，放大了能變成外骨骼等保護裝置，縮小了可以進血管清除血栓、入細胞成為智能藥物，還可替換人類損壞的組織器官，與人體形成協(xié)作統(tǒng)一的有機/無機的雜化體，這為新一代的賽博格系統(tǒng)提出了更高的要求。液態(tài)金屬由于獨特的流動性、良好的生物相容性、優(yōu)異的電學(xué)與熱學(xué)性質(zhì)受到了熱管理、柔性機器、智能電子等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。液體金屬具有硬度可調(diào)、熔點可調(diào)、可智能響應(yīng)周圍環(huán)境、可打印、可印刷等諸多神奇特質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)賽博格系統(tǒng)中有望催生出顛覆性變革應(yīng)用。

　　液態(tài)金屬血管機器

　　21世紀(jì)初，達·芬奇手術(shù)機器人橫空出世，成為外科醫(yī)生的“得力助手”。但針對發(fā)病率逐年攀升的心血管疾病治療，需要引入介入治療的方式。比如，將細微的導(dǎo)管、導(dǎo)絲等直達患處，醫(yī)生通過個人經(jīng)驗或檢測前方力學(xué)反饋進行手術(shù)，手術(shù)質(zhì)量主要依靠醫(yī)生的專業(yè)水平。微型機器的研發(fā)有望脫離人為因素解決此種困境。微電子機械系統(tǒng)在微型化與智能化上不斷取得進展，將成像與生物傳感器結(jié)合，能夠自主探測周圍生理指標(biāo)，完成取樣、藥物遞送等操作，在生物體微管道內(nèi)發(fā)揮重要作用。

　　液態(tài)金屬柔性機器的研發(fā)與由此構(gòu)建的機器體系，為微型機器人的眾多挑戰(zhàn)，如驅(qū)動、能耗、可視化、功能化等提出全新的突破性方案。尤其是材料柔性的特質(zhì)，可打破物理形狀的束縛，穿過比自身更為狹小的狹縫;由一變多，機器集群協(xié)同合作，再重塑成新的形狀個體完成任務(wù)。液態(tài)金屬是常溫下表面張力最高的液體，為水的10倍左右，電場刺激可通過表面氧化物的去除與合成調(diào)控完成表面積的數(shù)百倍變化。在室溫環(huán)境下，液態(tài)金屬表面可自發(fā)生成納米級別的自限性氧化膜。通過氧化反應(yīng)，于材料表面積累大量的氧化物，可降低表面張力，形成不對稱變形與分型結(jié)構(gòu)。對周圍溶液pH的主動感知，反過來可溶解表面的氧化物，恢復(fù)變形。通過外加電場還可誘導(dǎo)液態(tài)金屬機器的定向運動與定向變形，可實現(xiàn)在生物體內(nèi)各腔道、管道內(nèi)自由穿梭變形。

　　最為神奇的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)屬液態(tài)金屬的許多類生物行為：吞噬一些“食物鋁片”就可像人補充能量一樣開啟定向運動模式;與金屬銅顆粒接觸，可在液態(tài)金屬與顆粒的潤濕作用影響下對顆粒進行胞吞;將一個自驅(qū)動機器分散為若干小機器，每個機器都可維持自運動行為，在彼此相遇時又可碰撞結(jié)合而成為一個靈活自由運動的個體 。在吞噬了磁性顆?；蛘咴诒砻嫘揎棿判圆牧虾笥挚少x予液態(tài)金屬機器非接觸操控的能力，可實現(xiàn)機器的定向運動，穿梭狹縫，甚至可逆重力攀爬，擺脫三維空間的束縛。通過磁場控制，還可調(diào)節(jié)材料硬度，有望完成各種介入性治療。

　　自驅(qū)動液態(tài)金屬機器 (a)液態(tài)金屬自驅(qū)動機器 [4];(b)可碰撞、聚合的液態(tài)金屬瞬態(tài)機器 。

　　能源供給在微型機器領(lǐng)域是重要的研究方向，由于體系微小，供能方式和能效都面臨巨大挑戰(zhàn)。吞噬食物的液態(tài)金屬微機器可以在不外加任何能源供給情況下維持1小時以上的運動狀態(tài)，可實現(xiàn)機器在體內(nèi)的長時間工作。另外，由于液態(tài)金屬的彈性模量極低，在生物體血管等微管道內(nèi)穿梭時不會像剛性機器一樣產(chǎn)生摩擦和較大生物阻力。液態(tài)金屬表面還分布有氧化膜、雙電層、離子與電子等，可作為化學(xué)反應(yīng)的催化劑，通過電學(xué)調(diào)控可影響體內(nèi)細胞的組織電活動，對疾病治療起積極作用。液態(tài)金屬血管機器人的研發(fā)尚處于起步階段，但此類材料的諸多神奇性質(zhì)為新型微型機器的開發(fā)打開了新思路。

　　液態(tài)金屬可注射生物材料

　　現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療常常需要借助于復(fù)雜、昂貴又體積龐大的醫(yī)療設(shè)備，未來醫(yī)學(xué)應(yīng)該是向著更精準(zhǔn)化、個性化又簡單方便的方向發(fā)展?？梢韵胂笪磥砘颊邿o需開刀手術(shù)，吃些口服藥物或者打些生物活性分子、材料、微電子芯片就可以藥到病除，延緩衰老，甚至提高智力。

　　通過注射的方式將具有功能活性的生物材料、藥物、器件送達體內(nèi)可顯著降低手術(shù)成本，避免潛在的感染風(fēng)險，是未來的發(fā)展趨勢。很特別的是，可注射電子被選為2015年改變世界的十大創(chuàng)意之一。美國哈佛大學(xué)教授利伯(C. Lieber)團隊報道了可記錄穩(wěn)定的電生理信號的由聚合物和金屬組成的大型多孔網(wǎng)狀導(dǎo)電材料。

　　得益于材料本身的流動性和良好的電學(xué)特性，液態(tài)金屬可以直接通過注射的操作，應(yīng)對生物醫(yī)學(xué)中許多具有挑戰(zhàn)性的難題。比如，2013年清華大學(xué)劉靜教授團隊提出液態(tài)金屬注射式植入電子概念，首次實現(xiàn)了在體邊注射邊封裝的全液態(tài)電極及其各種復(fù)雜組合，利用同心套管將熔點在10℃左右的液態(tài)金屬與外部封裝層同時在動物組織內(nèi)打出，實現(xiàn)原位塑型 [4]。根據(jù)特性需要，還可實現(xiàn)柔性電子的三維打印，在目標(biāo)組織構(gòu)筑出三維立體的如射頻識別(RFID)、電刺激器等功能電子電路，這一措施可為賽博格發(fā)展奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。進一步地，該團隊還首次提出了具有觀念突破性意義的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)，可借助液態(tài)電極實現(xiàn)神經(jīng)電信號連接并允許導(dǎo)管內(nèi)神經(jīng)生長，從而輔助神經(jīng)修復(fù) [5]。該項研究在全球范圍被爭相報道，可望為神經(jīng)損傷、神經(jīng)退行性疾病、生物機能修復(fù)等經(jīng)典醫(yī)學(xué)難題的解決提供全新思路 。

　　液態(tài)金屬神經(jīng)連接(a) [5]及生物機能修復(fù)(b)

　　利用材料低熔點相變優(yōu)勢，液態(tài)金屬還可實現(xiàn)快速的固液相轉(zhuǎn)變，將材料原位注射到骨缺損部位，作為可注射金屬骨骼，既可填充不規(guī)則骨缺損，加熱還可以將材料融化取出。在低溫誘發(fā)的材料相變中還有神奇發(fā)現(xiàn)。在液態(tài)金屬液滴與生理溶液組成的雙流體相變體中，液滴于固態(tài)冰晶的受限空間可產(chǎn)生劇烈的“微爆破”現(xiàn)象，能夠在毫秒時間內(nèi)穿透周圍堅硬的固態(tài)冰晶，于腫瘤低溫治療中可極大強化對腫瘤的機械性殺傷。此方面正在衍生出一系列液態(tài)金屬注射生物醫(yī)學(xué)技術(shù)。

　　腫瘤的生長主要靠供給營養(yǎng)物質(zhì)與氧氣的腫瘤大血管。液態(tài)金屬注射體內(nèi)可滯留甚至堵塞腫瘤血管，實現(xiàn)腫瘤的饑餓療法。另外，液態(tài)金屬是一種天然造影劑，能用于X線、CT、磁共振成像與光聲成像等多種檢查。由于其高密度的特點，注入組織血管，可以清晰看到微米級終末血管，在X線下具有極高分辨率。結(jié)合材料本身的多功能特性，能夠響應(yīng)外部電、磁、聲、光、熱等多場調(diào)控實現(xiàn)治療目的，多尺度的液態(tài)金屬生物醫(yī)學(xué)材料、電子可作為新一代的診療一體化平臺。

　　液態(tài)金屬可穿戴智能電子

　　人體皮膚柔軟且富有彈性，未來賽博格的發(fā)展中所有與皮膚接觸的生物醫(yī)療產(chǎn)品都應(yīng)該是柔性又具有生物安全性的。目前，這些已有的產(chǎn)品功能檢測器件還都是剛性的，不與人體相兼容。未來醫(yī)學(xué)中，有望在皮膚上貼附一片小小的柔性貼片就能檢測人體的各種生理、電生理，甚至是諸如血糖濃度的生化指標(biāo)。液態(tài)金屬具有良好的機械強度與出色的電學(xué)性能。目前，液態(tài)金屬傳感器已經(jīng)可以檢測諸如心電、肌電與腦電信號，檢測血壓、呼吸、溫度以及人體的運動狀態(tài)等。還有研究者利用液態(tài)金屬制備出仿生眼與具有傳感功能的隱形眼鏡等。

　　液態(tài)金屬可穿戴電子用于健康監(jiān)測 (a)打印于皮膚上的液態(tài)金屬傳感器 [9];(b)身體各部位的液態(tài)金屬電子紋身 [8];(c)可穿戴液態(tài)金屬柔性電子用于生理信號檢測。

　　液態(tài)金屬通過多種激光燒結(jié)、直接印刷、卷對卷印刷、磁控印刷、轉(zhuǎn)印、選擇黏附印刷等方式可實現(xiàn)柔性電路的制備。柔性功能電路可以印制在纖維或織物上制成可穿戴智能衣物。當(dāng)物體靠近衣物時，服飾上的電路可以通過電容改變而顯示出特定的電路圖案。另外，科學(xué)家將液態(tài)金屬功能器件直接印刷到皮膚各種部位，包括手臂、手腕、手掌、手指、膝蓋和背部等作為電子紋身 [8]，進行腫瘤治療 [9]、電刺激與信號監(jiān)測等，研發(fā)的液態(tài)金屬紋身貼片，不僅能夠檢測生理信號，還可以輔助醫(yī)生進行病灶的精準(zhǔn)CT定位。

　　液態(tài)金屬外骨骼

　　骨骼是生物體不可或缺的組成部分。對于節(jié)肢動物，諸如昆蟲、蝦蟹類等，骨骼生長于身體外部，既能起到形態(tài)支持作用，又可以有效保護身體內(nèi)部的柔軟組織，這類骨的存在形式被稱為外骨骼。

　　人類很早就懂得利用外骨骼的原理對易受傷的柔軟肉體進行強化，最典型的例子就是盔甲。美國、中國、日本等國家均已有商品化的機械外骨骼產(chǎn)品，但這類外骨骼仍然有較為笨重、穿戴困難、耗電高、舒適感差等缺點。為解決這一問題，科學(xué)家們提出了柔性外骨骼這一新概念，即平時可像衣物一般柔軟方便穿脫與活動，需要時又可像傳統(tǒng)外骨骼一樣提供極高的支持力。

　　液態(tài)金屬便是實現(xiàn)剛?cè)嵯酀凸趋姥b備最為理想的材料之一。得益于接近于室溫的熔點，液態(tài)金屬可以輕松地實現(xiàn)流體與固體間的切換?；诖死砟钤O(shè)計的液態(tài)金屬外骨骼夾具已在云南省曲靖市第一人民醫(yī)院得到了臨床應(yīng)用。這種夾具在平時就像一塊普通的布料，使用時加熱即可軟化，可以方便地包裹在待應(yīng)用的肢體處，冷卻后即可定型，起到強力支撐的作用。此外，可附著于常見的絲網(wǎng)材料上，在溫度的控制下實現(xiàn)可逆的大范圍剛度切換。這都完美符合柔性外骨骼的要求。微微加熱融化，外骨骼又可以變?yōu)榕c人體兼容性極好的柔性材料，可真正實現(xiàn)可硬可軟的未來需求?；谝簯B(tài)金屬的柔性外骨骼裝備必將成為未來柔性外骨骼的主流存在形式之一。

　　液態(tài)金屬基賽博格時代

　　人體是一個復(fù)雜的生化與電子系統(tǒng)，更高級的語言、記憶、情緒甚至意識都是構(gòu)筑于這個復(fù)雜系統(tǒng)之上。限于目前人類對自身作為一個生物個體的理解還十分有限，通過外部機械、電子設(shè)備等與人體構(gòu)筑一個和諧統(tǒng)一的新個體，并實現(xiàn)定向調(diào)控功能還有很長的路要走。但在生物醫(yī)學(xué)疾病治療與健康檢測等領(lǐng)域，人類已經(jīng)享受到了科技進步所帶來的益處。

　　基于液態(tài)金屬的諸多類生物、智能與多功能特性，可以設(shè)想未來人類的疾病監(jiān)測與診斷通過一片小小的皮膚電子紋身芯片就可以實現(xiàn);體內(nèi)疾病的治療通過注射復(fù)合藥劑、微電子產(chǎn)品就可以實現(xiàn);面對器官衰竭，我們是不是可以制造出一個機械的“永動式”器官替代?人與人溝通交流是否無需通過語言，一片植入的電子芯片也可以讓大家云溝通，不受語言的限制，反而可以實現(xiàn)更高效、快捷的交流?……相信未來可真正構(gòu)建出一個與人類更加相近(機械性能匹配)、更加智能的賽博格系統(tǒng)是極其有可能的。