医学院刘静小组在液态金属仿生器件、人工器官及材料创制研究中取得系列新进展-清华大学医学院

研究成果

医学院刘静小组在液态金属仿生器件、人工器官及材料创制研究中取得系列新进展

2024-01-03

近日，由清华大学医学院生物医学工程系刘静教授带领的研究小组在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202309182）发表了一篇题为“Liquid metal memory”（液态金属存储器）的研究论文，并被期刊选为Editor’ s Choice。此项工作开创性地提出了一种全新原理的液态金属内存器，可在溶液中实现信息存储与擦除（图1），其基于氧化/去氧化机制完成记忆存储的方式，类似于生物神经元借助极化和去极化过程行使大脑功能的行为。新型存储器功耗极低，在低电压下即可实现显著的电阻差异（高达11个数量级且可根据需要加以调控），确保了信息读写稳定可靠。近年来，学术界在类脑智能、软体机器人、柔性电子和植入式医疗等方面取得长足进展，但在实现全柔性、可于溶液环境中工作的智能技术探索上仍面临重大挑战，其中关键的一环在于缺失可组装集成到柔性体系内的信息读写单元。首个液态金属存储器的问世，为制造高度集成的全柔性存储器以及研发更多全液态信息存储单元、神经形态智能器件奠定了基础。文章共同第一作者为清华大学医学院生物医学工程系博士生袁锐治和硕士生曹英杰，论文共同通讯作者为清华大学医学院刘静教授和水木学者博士后陈森。

图1. 可在溶液中实现信息读写与擦除的液态金属存储器原理及其应用情形

在液态金属仿生材料与器件研究领域，刘静小组还首次创制出一种水相液态金属物质(Hydrous Liquid-Metal Agglomerates, HLMAs)，并展示其一系列独特的类生物组织与器官节律行为（图2）。该研究提出利用两类独特的流体（水及自下而上组装成的液态金属物质），构筑节律性仿生组织与器官的策略。通过引入超声原位还原和电化学烧结协同机制，组装成形的水相液态金属集合体在其类“细胞”生长、漂浮、节律性收缩和舒张过程中均可保持结构化特征，如同经典著作中描述过的那种“缸中大脑”的生理学场景。此类物质的核心工作机理在于，利用电场触发的可逆氧化还原“点燃”HLMAs的类生物节律性，在该过程中，HLMAs不仅发生了物质组成与架构、物性节律性变化，同时还伴随着节律性收缩与舒张，类同于生物组织与器官进行的心脏跳动、肺泡呼吸等行为。研究还揭示了HLMAs节律过程物质变化、能量转换和信息传递三者间的协同机制，证实了液态物质因其高时空维度属性以及液相特征在构筑生物节律方面的独特优势。此项研究为开发人工生物组织、器官及智能体提供了全新的物质基础，也为利用非生命物质构筑生物节律行为提供了典型范例。相应工作以“Biotissue like rhythmic hydrous liquid-metal agglomerates”（类生物组织的节律性水相液态金属集合体）为题发表在Matter上(DOI: 10.1016/j.matt.2023.06.042)。文章第一作者为清华大学医学院高建业博士后，通讯作者为刘静教授。

图2. 水相液态金属物质及其展现出的类生物组织与器官的节律性收缩与舒张行为

此前，刘静小组基于液态金属优异的导电性和流动性，首次提出并系统阐述了植物注射电子学新概念（图3），其不仅有助于克服传统方法面临的瓶颈，而且可将广泛的电学功能充分赋予植物界。作为典型示范，研究小组制备出以电阻、电感和电容等为代表的基本电子功能元件，在活体植物中原位制作出了各种电子元件如高稳定性电极、可长期工作传感器、可变形/可重构隐形天线以及更多赛博电子。研究揭示，液态金属注射电极拥有极佳的捕捉植物内部信号的特性，并表现出卓越的抗外部干扰能力；由此构筑的植物内液态金属电阻和电容传感器为实时监测植物摇曳方位和生理信号提供了便捷途径。更重要的是，通过注射获得的电容传感器可获得传统方法不易检测到的植物内部信息。而在活体植物中原位制造天线的试验，则进一步证明了液态金属植物注射电子学的潜力和价值，其有望发展成为植物电生理学、电子植物、智慧农业和植物机器人的基本工具，并催生出更多的新兴技术和颠覆性应用。此项工作以“Liquid metal enabled plant injectable electronics”（液态金属植物注射电子学）为题发表在Materials Today上（DOI: 10.1016/j.mattod.2023.04.007）并被期刊选为Highlighted Paper。中国科学院大学本科生江牧之为论文第一作者，清华大学刘静教授及陈森博士后为论文共同通讯作者。

图3. 液态金属注射电子学赋予植物电阻、电容、电感、电极、传感及天线等各种功能

为推动液态金属生物医学材料学的进步，清华大学医学院刘静教授团队近日联合北航医学科学与工程学院王雪林老师在National Science Review上（DOI: 10.1093/nsr/nwad302/7455907）发表了题为“Liquid metal biomaterials: translational medicines, challenges and perspectives”（液态金属生物材料学：转化医学、挑战和前景）的评述文章，从临床实践中涌现出的各种重大疾病与健康问题紧迫需求出发，在系统总结液态金属于健康监测、医学影像、骨修复、神经连接、肿瘤治疗等方面取得的典型进展的基础上，深入剖析了制约液态金属生物材料通向医学临床转化应用面临的技术挑战，评估了从基础研究、临床前验证到实践落地等方面的路径和瓶颈问题，构画出了对应的转化医学策略与理论框架，最后前瞻性提出了液态金属人工器官新方向以期更好应对极端疾患难题（图4）。论文第一作者为清华大学医学院硕士生徐涵池，通讯作者为刘静教授和王雪林助理教授。液态金属生物材料学这一新兴领域一些年前由刘静教授首次提出，此次系统阐述的转化医学深度融合了材料科学、临床诊治、医学科学和生物学等方面的跨学科知识，相应努力可望加速液态金属诊疗技术的研发落地，为医疗器械升级换代打开新的大门，对于推动临床医学进步、提升人类应对疾患挑战的能力和提高未来生活水平具有重要意义。

图4. 液态金属生物材料临床转化医学及液态金属人工器官研发全景（如液态金属大脑、耳蜗、眼睛、骨骼、神经、肺、心脏、胃、肝、肠、胰腺等）

与此同时，该团队还在液态金属物质科学基础现象发现和新材料创制方面取得系列重要进展。近期，由刘静教授与王倩研究员带领的清华大学与中科院理化所联合小组在研究镓基液态金属与固体金属膜表面的相互作用与反应问题时，首次揭示出一系列液态金属自组织斑图形成现象与演化机制（图5），所构建的液态金属-固体金属非平衡扩散体系，开拓了自组织微观图案产生的新途径。团队提出了在液态金属-固体金属（GaX-Y）非平衡反应-扩散体系中获得迷宫、条带、斑点等稳态图灵图案的普适性机制，并以GaIn-Ag体系为例进行了概念验证和理论探究，揭示了活化子In和阻滞子Ga的协同作用机制，阐明了反应物浓度和外界温度对斑图演化的调控机理。相应工作近日以“Turing instability of liquid-solid metal systems”（液-固相体系中的图灵失稳效应）为题，在线发表于Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202309999）并被期刊选作背封面故事。在稍早一些时候，团队发现液态金属在金膜表面可以自组织形成时空有序分布的微米级Liesegang图案，并对其微观作用机制和调控机理进行了系统的试验揭示和理论探究。在反应扩散、润湿铺展、氧化膜限制的协同作用下，反应产物通过在界面处的竞争形核行为，实现了斑图的自组织。这项工作开启了液态金属与固体金属自组织反应扩散系统的探索，同时对于考察液态金属在印刷电子、柔性机器等领域中应用时所面临的可靠性问题指出了一条崭新的研究策略。相应工作以“Liesegang phenomenon of liquid metals on Au film”（金膜表面上的液态金属Liesegang现象）为题，发表于Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202209392）并被期刊选作内封面故事。就这些金属表面斑图的基础认识有望在未来的材料、光学、电子、半导体、能源及催化等领域促成新的应用。

图5. 液态金属-固体金属体系中出现的Liesegang环及Turing失稳现象

在新材料创制普适性理论探索方面，由刘静教授与饶伟研究员带领的清华大学与中科院理化所联合小组，在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202303533）发表了一篇题为“Liquid metal combinatorics toward materials discovery”（通向材料发现的液态金属组合学）的文章，系统提出了统一性液态金属组合学思想，详解了众多功能材料的发现之道，为发现和研制新一代先进功能材料提出了通用性理论框架。在此篇论文中，研究团队基于过去20余年来在液态金属领域的研究实践和长期积淀，构建并命名了旨在打开材料发现之门的“液态金属组合材料学”（图6），相应思想涵盖了液态金属各种可能的材料创制策略，未来可由此按需设计出种类丰富且功能千变万化的新型材料。可以看到，液态金属组合学具有普遍意义及广泛可拓展性，在这一基本理念的指导下，可望促成大量新材料的研发和问世，由此满足日益增长的紧迫现实需求。