CN109876874A - 一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列及其制备方法和应用，属于功能材料及液体控制技术领域。所述超疏水磁性微纤毛阵列，微纤毛高度1～3.5mm，相邻两个微纤毛尖端之间的间距l为0.6～2.0mm。将本发明制备的磁性微纤毛阵列固定在水平玻璃片上，制备磁驱动装置，可以实现水滴的定向连续输运。本发明制备方法简单，原料易得，成本低并且超疏水，机械性能稳定；只要表面足够大，输运结果不受液滴大小的限制，可用于液滴的定向连续输运，在生产、环保等领域具有广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于功能材料及液体控制技术领域，具体涉及一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列及其制备方法和应用。
背景技术
微流体系统在疾病的快速诊断、生物分析、药物筛选、高精度材料合成等方面具有重要意义。其中，在液体输运的过程中，能够连续的定向输运在医学治疗、微流体/微管道定向输运、仿生学机械研究、药物输送系统等新技术的发展中显得尤为重要。液体的定向输运行为通常需要使用机械泵等推动装置实现，这种方法不仅会增加技术设计难度，也会消耗大量能源，从而限制了液滴输运的应用。
超疏水磁性微纤毛阵列在磁铁作用下会产生微小的形变，并且微纤毛弯曲过程中产生各向异性支持力的特性，使液滴仅通过超疏水磁性微纤毛阵列弯曲产生的凹陷和磁铁运动过程中液滴边界产生的驱动力即可实现液滴的定向连续输运，基于这一原理，通过合理设计和调整器件结构及参数，有望解决以上难题。
发明内容
本发明提供了一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列及其制备方法和应用。将磁性微纤毛阵列固定在水平玻璃片上，然后将水滴滴加到磁性微纤毛阵列表面，并采用磁铁在玻璃片下方施加磁场(≈0.37T)，将磁铁接近磁性微纤毛阵列，水滴会在磁性微纤毛阵列弯曲产生的凹陷和磁铁运动过程中液滴边界产生的驱动力作用下，沿磁铁运动方向运动，实现水滴的定向连续输运。
本发明首先提供一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一，聚氯乙烯(PVC)薄板上制备锥形孔阵列；
在商用的聚氯乙烯(PVC)薄板上利用固定了不锈钢针的机械臂冲击形成规则排列的15×15的锥形孔阵列。
步骤二，将200mg颗粒直径为30nm-2μm的钴粒子粉末均匀地分散到上述锥形孔阵列内。
步骤三，配制前驱体和固化剂质量比为8：1～10:1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物，抽真空除气后浇于具有规则锥形孔且孔内分散有钴粒子粉末的PVC薄板表面，在80℃的烘箱中固化6h。固化过程中在PVC薄板正下方施加外磁场。固化完全后，将PVC薄板放入预先制备好的常温四氢呋喃溶液中24h。将PVC薄板溶解之后，便可得到有序排列的磁性微纤毛表面。
步骤四，将磁性微纤毛表面放入0.042mol/L的超疏水二氧化硅纳米粒子(粒径14nm)/正己烷溶液中浸泡20min～24h后取出，空气中干燥24小时，即可得到超疏水磁性微纤毛阵列。
上述方法制备得到的所述超疏水磁性微纤毛阵列，微纤毛高度1～3.5mm，优选为2.5～3.5mm。
所述磁性微纤毛阵列为超疏水磁性微纤毛阵列，相邻两个微纤毛尖端之间的间距l为0.6～2.0mm，优选间距为0.6～0.75mm。
应用所述的超疏水磁性微纤毛阵列制备定向连续输运液滴微粒的装置，具体为：
将超疏水磁性微纤毛阵列与磁铁组装起来，制得定向连续输运液滴的磁驱动装置，用于定向输运液滴。当液滴的直径d大于3l小于8l时，所述磁驱动装置可以实现定向连续输运。其中，l为相邻两个微纤毛尖端之间的间距。
本发明的优点在于：
1、本发明提出一种可实现定向连续输运液体的超疏水磁性微纤毛阵列表面，制备方法简单，原料易得，成本低并且超疏水，机械性能稳定。
2、本发明提出一种可实现定向连续输运液体的超疏水磁性微纤毛阵列表面，只要表面足够大，输运结果不受液滴大小的限制。
3、本发明提出一种可实现定向连续输运液体的超疏水磁性微纤毛阵列表面，可用于液滴的定向连续输运，在生产、环保等领域具有广泛应用。
4、本发明提出一种可实现定向连续输运液体的超疏水磁性微纤毛阵列表面，在医学治疗、药物输送系统等方面具有很好的应用前景。
附图说明
图1A为本发明实施例1制备的用于定向连续输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列表面的原理示意图；
图1B和1C为本发明实施例1制备的用于定向连续输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的环境扫描电镜照片。
图2A为本发明实施例1中用于定向连续输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的原理示意图。
图2B为本发明中用于定向连续输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的实际过程照片。
图3为本发明实施例1中用于定向连续输运液滴的液滴大小实际输运结果照片。
图4为液滴输运距离示意图。
图5为不同液滴直径对定向连续输运的效果的影响示意图。
图6a为本发明实施例1中用于定向连续输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的实际应用-水滴混合的照片。
图6b为本发明实施例1用于定向连续输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的实际应用-碱-酚酞滴定的照片。
图6c、6d为本发明实施例1中用于定向连续输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的实际应用-倾斜表面控制液滴的照片。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种用于定向连续输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列及其制备方法和应用。所述的磁性微纤毛阵列是由聚二甲基硅氧烷和钴粒子(PDMS and Co MPs)通过简单的机械扎孔，模板溶解法和二氧化硅浸泡法制成的。下面通过实施例进行详细说明。
实施例1
步骤一，PVC薄板上制备锥形孔阵列；
在商用的PVC薄板上利用固定了不锈钢针的机械臂冲击形成规则排列的15×15的锥形孔阵列。
步骤二，将200mg钴粒子粉末均匀地分散到上述15×15的锥形孔阵列内。
所述钴粒子平均直径为30nm。
步骤三，配制前驱体和固化剂质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物，抽真空除气后浇于具有规则锥形孔阵列且锥形孔内分散有钴粒子粉末的PVC薄板表面，在80℃的烘箱中固化6h。固化过程中要将一块具有强磁性的磁铁置于PVC薄板正下方。固化完全后，将PVC薄板放入预先制备好的常温四氢呋喃溶液中24h。将PVC薄板溶解之后，便可得到有序排列的磁性微纤毛表面。
步骤四，将磁性微纤毛表面放入0.042mol/L的超疏水气相二氧化硅纳米粒子(粒径14nm)/正己烷溶液中浸泡20min后取出，空气中干燥24小时，即可得到超输水磁性微纤毛阵列。
如图1A所示，浸泡过程中，由于PDMS在正己烷中溶胀，使二氧化硅纳米粒子能够嵌入到磁性微纤毛阵列表面，如图1b，1c所示，得到更为粗糙的表面结构。
实施例2
步骤一，PVC薄板上制备锥形孔阵列；
在商用的PVC薄板上利用固定了不锈钢针的机械臂冲击形成规则排列的15×15的锥形孔阵列。
步骤二，将200mg钴粒子粉末均匀地分散到上述15×15的锥形孔阵列内。
所述钴粒子平均直径为2μm。
步骤三，配制前驱体和固化剂质量比为8:1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物，抽真空除气后浇于具有规则锥形孔阵列且锥形孔内分散有钴粒子粉末的PVC薄板表面，在80℃的烘箱中固化6h。固化过程中要将一块具有强磁性的磁铁置于PVC薄板正下方。固化完全后，将PVC薄板放入预先制备好的常温四氢呋喃溶液中24h。将PVC薄板溶解之后，便可得到有序排列的磁性微纤毛表面。
步骤四，将磁性微纤毛表面放入0.042mol/L的超疏水气相二氧化硅纳米粒子(粒径14nm)/正己烷溶液中浸泡24h后取出，空气中干燥24小时，即可得到超输水磁性微纤毛阵列。
采用实施例1或实施例2中提供的制备方法，通过改变步骤一中锥形孔阵列中锥形孔的深度，依次制备微纤毛阵列的高度(H)为1mm,1.5mm,2mm,2.5mm,3mm,3.5mm，相邻两个微纤毛尖端之间的间距l为0.6mm,0.7mm,0.75mm,1.0mm,1.5mm,2.0mm的超疏水磁性微纤毛阵列。
将上述实施例1或实施例2制备得到的超疏水磁性微纤毛阵列与磁铁组装起来：把超疏水磁性微纤毛阵列的PDMS一侧表面粘在玻璃片上，磁性微纤毛朝上，并用两个支架架起来，在玻璃片底部放上磁铁，制得定向连续输运液滴的磁驱动装置。将液滴滴在微纤毛表面，如图2A和2B所示，把磁铁放在磁性微纤毛阵列下方时，磁性微纤毛阵列局部区域向磁铁中间弯曲。当磁铁移动时，磁性微纤毛随着外部磁场移动，沿着磁场方向可逆弯曲。液滴随磁铁运动而运动。液滴运动速度由磁场B运动速度控制着。
选取液滴大小为d＝3l＝2.1mm(l＝0.7mm为超疏水磁性微纤毛阵列相邻两个锥体尖端之间的间距)，改变纤毛阵列的高度(如图3所示)和间距(如图4)所示，在同样间距和液滴尺寸下，10s时间内，随着微纤毛高度的增加，液滴的定向输运距离增加，而且直到微纤毛高度增加到2.5mm时，液滴的输运距离采用肉眼可见的明显变化，输运速度可以达到28.3mm/s。此时液滴直径和微纤毛高度之间满足2.1:2.5的关系。同样10s时间内，不断缩小相邻微纤毛之间的间距，由图4可见，在其他条件不变的情况下，液滴输运距离随着间距的减小而增加，当间距为图4d中所示的0.7mm时，输运速度最大可达到28.3mm/s。
保持纤毛阵列表面的高度和间距不变，驱动不同大小的液滴。如图5所示，所述的超疏水磁性微纤毛阵列的高度(H)为3.5mm，超疏水磁性微纤毛阵列相邻两个锥体尖端之间的间距l为0.7mm，液滴大小为l≤d≤8l(l＝0.7mm超疏水磁性微纤毛阵列相邻两个锥体尖端之间的间距)。如图5a所示，当液滴直径3l<d<5l时，随着液滴直径的增加，定向输运距离没有固定规律变化。图5b中，hdroplet为液滴高度，随着液滴体积从4.8μL增加到38.8μL，hdroplet从2.6增加到4.0mm，随着液滴体积继续增加到91.3μL，液滴由于表面张力作用向四周扩散，仍保持液滴高度不变为4.0mm。
选取超疏水磁性微纤毛阵列的高度(H)为3.5mm，超疏水磁性微纤毛阵列相邻两个锥体尖端之间的间距l为0.7mm，液滴大小为d＝3l＝2.1mm(l＝0.7mm为超疏水磁性微纤毛阵列相邻两个锥体尖端之间的间距)。
将两个水滴分别放置在纤毛阵列表面两端，分别从两端驱动液滴到纤毛阵列表面中间融合，如图6a所示。
将碱性液滴放在纤毛阵列表面左端，酚酞液滴放在纤毛阵列表面右端,分别从两端驱动液滴到表面中间融合，如图6b所示。
将液滴滴在倾角为15°的纤毛阵列表面，如图6c所示，液滴滚下；将磁铁放在倾角为15°的纤毛阵列表面，将液滴滴在表面，如图6d所示，液滴不下落。
Claims (5)
1.一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤，
步骤一，聚氯乙烯薄板上制备锥形孔阵列；
在商用的聚氯乙烯薄板上利用固定了不锈钢针的机械臂冲击形成规则排列的15×15的锥形孔阵列；
步骤二，将200mg颗粒直径为30nm-2μm的钴粒子粉末均匀地分散到上述锥形孔阵列内；
步骤三，配制前驱体和固化剂质量比为8：1～10:1的聚二甲基硅氧烷的混合物，抽真空除气后浇于具有规则锥形孔且孔内分散有钴粒子粉末的聚氯乙烯薄板表面，在80℃的烘箱中固化6h；固化过程中在PVC薄板正下方施加外磁场；固化完全后，将聚氯乙烯薄板放入预先制备好的常温四氢呋喃溶液中24h；将聚氯乙烯薄板溶解之后，得到有序排列的磁性微纤毛表面；
步骤四，将磁性微纤毛表面放入0.042mol/L的超疏水二氧化硅纳米粒子/正己烷溶液中浸泡20min～24h后取出，空气中干燥24小时，即可得到超疏水磁性微纤毛阵列。
2.根据权利要求1所述的一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的制备方法，其特征在于：步骤四中所述的超疏水二氧化硅纳米粒子的粒径为14nm。
3.一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列，其特征在于：所述超疏水磁性微纤毛阵列，微纤毛高度1～3.5mm，相邻两个微纤毛尖端之间的间距l为0.6～2.0mm。
4.根据权利要求3所述的一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列，其特征在于：所述超疏水磁性微纤毛阵列，微纤毛高度为2.5～3.5mm，相邻两个微纤毛尖端之间的间距l为0.6～0.75m。
5.一种定向输运液滴的超疏水磁性微纤毛阵列的应用，其特征在于：应用所述的超疏水磁性微纤毛阵列制备定向连续输运液滴微粒的装置，具体为：
将超疏水磁性微纤毛阵列与磁铁组装起来，制得定向连续输运液滴的磁驱动装置，用于定向输运液滴；当液滴的直径d大于3l小于8l时，所述磁驱动装置实现定向连续输运；其中，l为相邻两个微纤毛尖端之间的间距。
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