有何不可：利用液態金屬移除醫療裝置

By Helen Wong 王思齊

 

如果將數滴液態金屬鎵（gallium）加入一個鋁罐會發生甚麼事呢？高中化學課告訴我們甚麼都不會發生，但在片刻之後，你會驚訝地發現只需輕輕一碰，鋁罐就會化為碎片。

 

難道我們的化學老師弄錯了嗎？非也。鋁罐接觸鎵後會碎裂確實不是由化學反應引起，而是由一種名為液態金屬脆化（liquid metal embrittlement / LME）的物理現象導致。

 

雖然金屬物體（例如鋁罐）看起來是一個整體，但實際上是由許多叫晶粒（grains）的細小晶體組成。如圖一所示，當鋁罐與例如鎵等特定的液態金屬接觸時，後者可以穿透晶粒之間的空隙，亦即是晶粒邊界 [1]，晶體之間的內聚力因而會被顯著削弱，導致鋁罐的強度下降，變得容易碎裂。

 

圖一  液態金屬脆化（LME）的過程 [2]

 

雖然LME一直是航空、航天和建築等業界中導致金屬結構失效的常見原因，但麻省理工學院的研究人員最近卻「以具建設性的方式利用了這種失效機制 [2, 3]」。

 

金屬是製造生物醫學裝置的理想材料：它們堅固、耐用，並擁有出色的導電性和導熱性。然而，使用金屬裝置的主要難題是當不再需要它們時該如何將其移除。我們固然可以通過手術或內窺鏡來移除它們（註一），但這些入侵性程序可能會導致額外的組織損傷。有見及此，研究人員著手研究可以於使用後在患者體內分解的裝置。

 

研究團隊從LME汲取靈感，使用了一種名為共晶鎵銦合金（eutectic gallium-indium / EGaIn）的鎵合金嘗試溶解不同的鋁製裝置；也有其他液態金屬能引發LME，但鎵之所以能脫穎而出有兩個原因。首先，在加上鎵後它可以防止鋁製裝置表面形成氧化層，這能通過容許鋁與水發生反應，使裝置的溶解得以加速。更重要的是，鎵具有生物相容性（biocompatible），急性毒性研究表明即使在高劑量下，EGaIn也對囓齒動物（rodents）無害。

 

下一步便是將EGaIn直接或間接地輸送到鋁製裝置。前者涉及將EGaIn塗料塗在鋁製裝置上，例如用作縫合皮膚的金屬釘（圖二）。這看似輕而易舉，但事實上並非如此。與水一樣，EGaIn具有高表面張力，會阻礙其附著到金屬表面和在表面上散開的能力。研究人員知道氧化鎵的表面張力低得多，因此他們採用了一個簡單的技巧：預先攪拌EGaIn以增加合金與空氣的接觸，藉此提高塗料中氧化鎵的比例。間接輸送則是指將EGaIn的納米和微米顆粒運送到患者體內以觸發遠程溶解。研究團隊利用EGaIn懸浮液處理不同鋁製生物醫學裝置（例如皮膚縫合釘和植入食道的支架），然後發現這些金屬結構很快就被分解。

 

圖二  把EGaIn塗料塗在金屬釘上以移除裝置

 

雖然鎵對引起鋁製裝置脆化效果顯著，但其他金屬製成的裝置又如何呢？例如食道支架通常由鎳鈦合金製成，而不是鋁。為了擴大LME在移除生物醫學裝置方面的應用，研究人員還一直在探索用鎳鈦合金和醫療界常用的其他金屬來製成可溶解裝置的可能。

 

即使這些可溶解金屬裝置還需要一段時間才能投入臨床使用，但這項研究所展現的真正創造力仍是顯而易見的。當大多數人都認為LME是一種負面現象時，研究團隊卻能跳出框框，為它找出具建設性的應用。有時候，一個出色的研究並不需要使用非常複雜的方法，一點點創意就能讓一切變得不同。

 

1 編按：內窺鏡末端不但能連接用於觀察身體內部的攝錄鏡頭，亦可以安裝各種工具，例如用於取出異物的抓取鉗和切除組織作檢查用的活體取樣鉗等。

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參考資料：

[1] Norkett JE, Dickey MD, Miller VM. A review of liquid metal embrittlement: Cracking open the disparate mechanisms. Metallurgical and Materials Transactions A. 2021;52:2158-2172. doi:10.1007/s11661-021-06256-y

[2] Feig VR, Remlova E, Muller B, et al. Actively triggerable metals via liquid metal embrittlement for biomedical applications. Advanced Materials. 2022;35(11). doi:10.1002/adma.202208227

[3] Trafton A. An easier way to remove medical devices. MIT News. https://news.mit.edu/2022/medical-devices-aluminum-1108.