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  中国科学院理化技术研究所低温生物与医学实验室(暨低温生物医学工程学北京市重点实验室),于1999年8月由中国科学院百人计划引进学者刘静研究员创立。实验室主要从事液态金属、热科学与医学生物技术、信息技术及微/纳米技术等领域的交叉科学问题探索,力求基础与应用研究并重。近年来先进芯片冷却技术、增材制造技术、柔性机器操纵技术、高端肿瘤微创治疗装备等方面取得了一批国内外领先的原创性成果,并培养出一批优秀的青年科技人才。实验室现有正式职工10名(研究员5名,副研究员2名,助理研究员3名),在读研究生十余名。

  近年取得的科研成果如下:

  1、先进热管理技术

  实验室首次提出了有领域突破性意义的液态金属芯片冷却方法,通过多年努力系统建立了相应的理论与技术体系,被誉为第四代先进热管理技术。目前该领域已成世界范围学科热点。典型贡献如:室温液态金属强化传热、相变与流动理论,电磁、热电或虹吸驱动式液态金属芯片冷却技术与热量捕获技术,微流道液态金属散热技术、刀片散热技术,低熔点金属相变吸热技术等,提出自然界导热率最高液态物质-纳米金属流体及热界面材料技术,倡导全球无水换热器工业,将液态金属冷却推进到广阔领域如CPU、LED、移动电子、太阳能聚集光伏发电、低品位热量捕获、大功率变压器、激光、微小卫星等高效热管理上,部分成果已获规模化应用。研究获著名刊物ASME会刊《电子封装学报》年度唯一最佳论文奖(中国大陆学者首获该奖)、中国国际工业博览会创新奖、北京市技术市场金桥奖项目一等奖等。

  

液态金属散热器

 

 

  

  2、普适电子打印与增材制造技术

  实验室创建有重大工业意义的液态金属印刷电子学新领域,提出系列快速制造电子电路及功能器件的学术理念、技术发明以及旨在发现新型电子墨水的液态金属材料基因组思想,被认为有望改变传统电子及集成电路制造规则;研发出世界首台液态金属电子电路打印机,以及首台能适应不同表面从而使“树叶也可变身电路板”的液态金属喷墨打印机,打破了个人电子制造技术瓶颈和壁垒,使得在低成本下快速、随意地制作电子电路特别是柔性电子器件成为现实;所建立低熔点金属直接或液相3D打印方法开辟了室温金属打印新途径。液态金属电子增材制造技术入选2015中关村十大科技创新成果,还获得「2014两院院士评选中国十大科技进展新闻」提名,入围素有全球科技界创新奥斯卡奖之称的「2015 R&D 100 Awards Finalists」,荣获2015年中国国际高新技术成果交易会“优秀产品奖”等。

  

增材制造设备及产品

 

 

  3、液态金属生物材料学

  实验室首创的液态金属神经连接与修复技术,被认为是“令人震惊的医学突破”;创建的液态金属血管造影术、可注射固液相转换型低熔点金属骨水泥、植入式医疗电子在体3D打印,以及人体皮表电子液态金属直接打印成型技术等,也因崭新学术理念和技术突破性,引起业界广泛重视。

  

 

液态金属生物材料学应用

 

 

  

  4、液态金属基本效应及现象

  实验室首次发现电场控制下液态金属可在不同形态和运动模式之间发生转换的普适变形现象,改变了人们对传统材料学、流体力学及刚体机器的既有认识,为变革传统机器人技术乃至研制未来全新概念的柔性智能机器人奠定了理论与技术基础,被认为是观念性突破和重大发现,“预示着柔性机器人新时代”;特别是,带领团队首次发现了一种异常独特的现象和机制,即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动,实现了无需外部电力的自主运动,从而为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。其他更多液态金属基础发现还包括:液态金属流体折叠图案现象、磁陷阱效应、电场加速液态金属马达效应、宏观布朗运动现象、过渡态机器效应、电场诱导液态金属射流现象等;发现的液态金属自分散效应为规模化、低成本化制备金属微滴及颗粒提供了崭新途径。

  

部分液态金属基础效应

 

 

  

  5、重大疾病的大型医疗设备

  1)肿瘤微创高低温复式消融治疗系统

  该系统是国内外首创的集深低温冷冻治疗与高温消融功能于一体的高端肿瘤微创治疗系统。系统先借助极端低温对整个肿瘤瘤体的包围杀伤,再通过高强度靶向加热完成对冰球内包裹的瘤体的彻底消融。外围低温冷冻层可防止肿瘤细胞在高强热疗中扩散,同时还保留了低温冷冻治疗无痛感的优点。该技术具有独创性与原创性,在降温/升温性能、治疗成本、操作安全性、适用面乃至低噪音等方面均显著优于国外高端设备。

  

世界首台兼具深低温冷冻治疗与高温消融功能的肿瘤微创治疗装备

 

 

  2)血管介入式全身热疗肿瘤微创治疗系统

  全身热疗是一类极具应用前景的肿瘤治疗方法,它通过升高体温至40~42℃来治疗已扩散全身的恶性肿瘤,该治疗原理具有坚实的临床医学基础,全球已有不同种类全身热疗设备上市,但使用现有设备机体达到理想治疗温度所需时间很长,且不易维持温度和控制加热时间。实验室于国内外首创的血管介入式全身热疗肿瘤微创治疗系统在加热效率上明显优于现有全身热疗设备;采用微创技术,可减轻病人痛苦,从而降低传统全身热疗手术的复杂程度和风险性。

 

  6、健康管理的普惠型医疗技术

  基于蓝牙及手机平台的普适性体温无线监测及报警装置,可用于临床及日常生活中人体温度的长期监测及温度异常报警,在医学实践与日常生活中具有重要意义。基于手机的人体心电信号无线检测装置,可应用于运动状态下心电监测、睡眠心电记录、不同生活习惯及心理状态下的心电信号捕捉,由此引申出广阔的普适医疗前景,并代表未来低成本医疗的一种重大发展方向。

  

 

基于手机的无线体温和心电信号检测装置

 

 

  7、植入式医疗技术

  1)基于液态金属的可植入式生物医学电子器件体内3D打印成型技术

  实验室首次提出了一种以微创方式直接在生物体内目标组织处喷墨注射成型的医疗电子器件在体制造方法,首先将生物相容的封装材料注射于体内固化形成特定结构,在此区域内进一步将导电性金属墨水、绝缘型墨水乃至配套的微/纳尺度器件等顺次注射后形成目标电子装置,通过控制微注射器的进针方向、注射部位、注射量、针头移位及速度这样的3D打印步骤,可在目标组织处按预定形状及功能构建出终端器械。由于全部器件及单元均采用基于微针的液相注射方式实现,因而整个手术过程达到了高度的微创性。

 

  2)植入式眼压调节液态金属电渗流微泵

  该泵是一种以灌注充满室温液态金属的微流道作微电极的电渗流微泵驱动装置,制作方便、成本低廉、性能稳定。在该微泵装置中,液态金属微电极与泵流道保持非接触,二者由PDMS微间隙隔开,由此可消除电解、电极腐蚀、气泡、焦耳热等现象,这些现象在常规Pt薄膜微电极电渗流微泵中是无法避免的。该微泵能够驱动去离子水、生理盐水、乙醇等流体,也可泵送输运细胞、生物大分子等悬浮液。液态金属微电极电渗流微泵结构紧凑、尺寸微小(泵区100μm×100μm)、驱动电压低(1.6V),是目前同类型电渗流微泵中尺寸最小的。

  

 

液态金属植入式眼压调控微泵装置

 

 

  8、微/纳米生物热学及流体技术

  实验室提出了基于生物可降解镁基纳米材料的肿瘤冷热治疗方法,可生物降解镁基纳米材料在药物搭载、病灶定位、影像增敏、电磁吸收乃至传热强化等方面具有独特的优势,正逐步应用于医学成像、靶向化疗及肿瘤高低温治疗等领域,可作为传统非生物降解材料(如金、碳纳米管等)的良好替代物。

  

 

基于生物可降解镁基纳米材料的肿瘤冷热治疗方法

 

 

 

 

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