CN114193428A - 基于气泡推进型的微纳超声机器人、制备方法、驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

基于气泡推进型的微纳超声机器人、制备方法、驱动装置及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气泡推进型的微纳超声机器人；利用超声激励气泡共振的原理，气泡在声流场中的振动产生推力，使微纳超声机器人在流场中进行大行程运动以捕获分散的目标物质。本发明通过电化学沉积支撑外层和内层然后通过疏水处理方式或者其他表面处理等方式，从而达到微纳超声机器人携带稳定气泡的效果。将携带稳定气泡微纳超声机器人释放在超声场中，不涉及化学反应的前提下，在某个特征频率下，微纳超声机器人内气泡达到共振，推动微纳超声机器人运动，使其在流场中进行大行程运动以捕获分散的目标物质。

Description

基于气泡推进型的微纳超声机器人、制备方法、驱动装置及其 驱动方法
技术领域
本发明属于微纳技术领域，涉及微纳超声机器人。
背景技术
自2004年合成微纳机器人的首次报道出现在人们视野中以来，国内外学者先后研究设计不同形式的微纳机器人。微纳机器人又被称为微纳马达，是一种在低雷诺数环境下具有自驱动特性的微纳功能器件，可以通过能量转换实现直线、圆周以及螺旋等特定运动。微纳机器人合成方法有电化学沉积法、3D激光直写法、物理气相沉积法、卷曲法等技术。现有的微纳机器人可以由不同的外部能源提供动力，如光、电、磁和声场，或以环境中的化学物质为燃料。在这些驱动场中，基于声场的驱动方法由于其深入组织和高能量密度的能力及其可以提供强大的推进力，在生物医学领域最为普遍。随着微纳技术的发展，微纳机器人能够实现在微纳米乃至宏观尺寸下保持高速运动，在靶向药物输送、非侵入性手术和环境治理等方面具有极大的潜力，逐渐成为微纳米领域的研究热点之一。
目前围绕电化学沉积管状微纳机器人和气泡推动型微结构已分别展开诸多研究。刘文娟等人研究的一种由鱼鳞状插层表面结构和含有Fe2O3纳米颗粒的MnO2活性层组成的双锥形管状微纳马达，利用H2O2的催化反应，通过调整活性MnO2的表面结构，从而提高其推动性能和催化性能。公开号为CN108773831A的中国专利申请中公开的L-精氨酸纳米粒子和一氧化氮为动力源的可降解型纳米马达，以L-精氨酸纳米粒子为燃料，利用L-精氨酸和过氧化氢的氧化还原反应释放一氧化氮气泡由此推动纳米运动。申请号为201911336355.7的中国专利申请中公开的一种生物兼容型铁-二氧化锰体系微纳米马达及其制备方法，通过电化学沉积支撑外层聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)层和中间Fe层，然后再电化学沉积内层MnO2层的同时引入超声场，得到的微纳米马达为三层中空管状结构，加入过氧化氢产生气泡推动马达运动，运动速度可达300-700μm/s；申请号为202010452078.2的中国专利申请中公开的一种形貌可控的多面异向气驱动微球及其制备方法，所述微球由海藻酸钠和过氧化氢酶组成，当微球置于过氧化氢中，过氧化氢分解产生气泡驱动微球运动。同时，国外研究团队Metin Sitti等人为了实现马达单向运动利用3D打印技术，制作出一种子弹形状的微型机器人包含一个被困在其内部腔内的球形气泡，利用超声激励气泡共振驱动马达向前推进运动。
以上所马达体系通过气泡推进马达进行无规则高速运动，但利用过氧化氢反应产生的气泡做为推动动力引入过氧化氢等化学试剂限制了微纳机器人的应用范围；如在某些不可使用这些化学试剂产生气泡的环境中，上述微纳机器人则无法使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于气泡推进型的微纳超声机器人，解决如何在不引入化学试剂产生气泡的情况下，在微纳超声机器人中形成气泡。
本发明同时提供了上述微纳超声机器人的制备方法，该制备方法制备的微纳超声机器人可在不采用化学试剂产生气泡的情况下形成气泡。
本发明同时提供了上述微纳超声机器人的驱动装置及对应的驱动方法，能够提高微纳超声机器人的运动速度。
为达到上述目的，本发明微纳超声机器人采用的技术方案如下：
一种基于气泡推进型的微纳超声机器人，包括中空的管状主体；所述中空管状主体包括支撑外层及位于支撑外层内部的内层，所述内层形成中空的空间，内层为超疏水性材料；微纳超声机器人释放在溶液中时，由于内层的超疏水性，内层的空间中形成一个或多个气泡。
进一步的，所述内层附着一层纳米级尺度的超疏水试剂。
有益效果：本发明中提供的微纳超声机器人采用中空的管状主体，且管状主体内层具有超疏水性而能够在溶液中自行包含被困气泡。其原理是由于管状主体内层的超疏水性使原本干燥的内层中的气体不能逃离，管状主体放置于溶液中时，原本位于管状主体内的气体在溶液中由于不能从管状主体中逃离而自行形成气泡。管状主体的两端虽然为贯穿的，但是由于该微纳超声机器人属于纳米级尺寸，气泡仍然不能从贯穿的两端中逃离或溶于溶液中，使得气泡可以一直存在于管状主体内。相较于需要化学试剂催化产生气泡的微纳超声机器人，在不影响其运动速度的前提下，具有更高的生物相容性；并且通过控制微纳超声机器人的尺寸和形状可以控制被困气泡的大小形状，从而控制微纳超声机器人的运动速度。
本发明提供的上述基于气泡推进型的微纳超声机器人的制备方法可采用以下技术方案，包括以下步骤，
步骤一：进行支撑外层的电化学沉积；
步骤二：在步骤一沉积的支撑外层的基础上，进行内层材料的沉积；
步骤三：在步骤二中沉积的内层的基础上，通过疏水方式，使内层具有超疏水性；得到多层微纳超声机器人；
步骤四：将步骤三得到的多层微纳超声机器人的进行抛光溶解、离心以及干燥处理，得到单分散的微纳超声机器人。
进一步的，步骤一中所述的支撑层采用PEDOT层；所述电化学沉积采用恒电压法；
步骤二所述的内层电化学沉积采用恒电压法；
步骤三所述疏水方式，包括抽滤疏水试剂、电子束蒸发或等离子清洗方式；其中抽滤疏水试剂的步骤为：将聚碳酸酯薄膜置入抽滤漏斗中，漏斗下端连接真空泵，往聚碳酸酯薄膜上使用移液枪滴上超疏水试剂，待超疏水试剂从薄膜多孔结构中抽滤过去，使内层附着一层纳米级尺度的超疏水试剂；
步骤四所述抛光溶解以及离心处理步骤为：用氧化铝浆料进行抛光，去除聚碳酸酯薄膜一侧的金层；然后将聚碳酸酯膜溶解在二氯甲烷中得到单分散的微纳超声机器人；将得到的微纳超声机器人置入离心机中，调节离心机转速5000-6000r/min，时间为2-3min，以上步骤重复三次；然后在离心机内加入无水乙醇，调节离心机转速7000-8000r/min，时间为2-3min；最后将得到的上层的无水乙醇吸出，下层的含高浓度的微纳超声机器人的无水乙醇吸出滴在载玻片上干燥，将干燥后的微纳超声机器人释放在溶液中，其内部包含一个被困的微纳气泡，即得到基于气泡推进型的微纳超声机器人。
步骤一、步骤二中，通过化学沉积平台进行电化学沉积作业；化学沉积平台包括电解池、底板、底板支撑结构、工作电极、辅助电极、参比电极；底部支撑结构作为支撑结构放置在底板下方，工作电极、辅助电极、参比电极置于电解池内；所述工作电极为溅射Au层的聚碳酸酯薄膜，辅助电极丝或不锈钢片，参比电极为Ag/AgCl电极。
有益效果：本发明提供的上述制备方法能够得到内层具有超疏水性的微纳超声机器人，使该微纳超声机器人放置于溶液中后即自行在内部产生气泡。
本发明提供的微纳超声机器人的驱动装置可采用以下技术方案：
一种微纳超声机器人的驱动装置，包括信号发生器、功率放大器以及压电换能器；信号发生器的输出端与功率放大器的输入端相连接、功率放大器输出端与压电换能器连接用以产生超声频率。
而上述微纳超声机器人的驱动装置的驱动方法可采用以下技术方案：
一种使用上述微纳超声机器人的驱动装置的驱动方法，产生超声频率激励微纳超声机器人内部气泡发生共振，从而推动微纳超声机器人产生直线运动、环绕圆周运动以及螺旋运动或以上运动方式叠加而成的运动。
进一步的，所述信号发生器能产生10kHz-10MHz正弦波，将正弦电信号转化为高频率机械振动，激励微纳超声机器人内气泡共振。
进一步的，所述微纳超声机器人内气泡共振特征频率范围为100kHz-5MHz，其中气泡尺寸越小，共振特征频率越大。
进一步的，所述微纳超声机器人对高频超声信号响应，在管内气泡的某一个特定频率下，气泡发生共振，推动微纳超声机器人进行大行程运动，在待测溶液中快速运动捕获溶液中的待测物质。
有益效果：上述驱动装置及驱动方法通过特定频率的激励可以同时激发微纳超声机器人的多种运动模式，一次改变多个微纳超声机器人的运动轨迹，该发明优势在于，无需加入化学试剂的情况下，可以实现微纳超声机器人的集群快速分散与捕捉。
附图说明
图1为微纳超声机器人电化学沉积装置示意图；
图2为微纳超声机器人制备流程示意图；
图3为SiO2管状微纳超声机器人中形成气泡的视图；
图4为SiO2管状微纳超声机器人结构视图；
图5为微纳超声机器人超声驱动信号产生模块示意图；
图6为微纳超声机器人运动模式示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员的理解，以下结合实例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图3及图4所示，本发明提供了一种基于气泡推进型的微纳超声机器人1。该微纳超声机器人包括中空的管状主体。所述中空管状主体包括支撑外层13及位于支撑外层13内部的内层14，所述内层14形成中空的空间。内层为超疏水性材料。在本实施方式中，内层14内表面附着超疏水试剂15而具有超疏水性。管状主体的两端为贯穿的。微纳超声机器人释放在溶液中时，由于内层的超疏水性，内层的空间中形成一个或多个气泡4。通过超声换能器将信号发生器和功率放大器产生的高频正弦电信号转化为高频率的机械振动，激发微纳超声机器人体内的气泡发生共振，推动微纳超声机器人在溶液中高速无规则大行程运动。
上述微纳超声机器人的制备方法采用以下实施例。
如图1所示，提供该基于气泡推进型的微纳超声机器人的制备装置，包括计算机5、电化学工作站6、电解池9、底板12、底部支撑结构11、工作电极10、参比电极8和辅助电极7；工作电极10为聚碳酸酯膜置于底板12上方，电解池9底部，其中电解池9底部与底板12上表面通过螺栓连接，辅助电极7与参比电极8插入电解池溶液中；值得注意的是，辅助电极7与参比电极8不得与电解池底部的工作电极接触。
如图2及图4所示，为具体的制备流程：
步骤一：将工作电极10(聚碳酸酯膜)贴于电解池底部，置于底板上，用螺栓将电解池9与底板12连接；
步骤二：溶液配制：
使用聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)作为微纳超声机器人支撑外层材料，其电化学沉积的电解液制备方法为:表面活性剂0.288g与KNO30.0075g混合加入10ml水摇晃使其全部溶解，然后加入32μl 3，4-乙烯二氧噻吩摇晃至看不见黄色油状物质，得到所需的电解液；
微纳超声机器人内层采用SiO2；其电化学沉积的电解液制备方法为：取十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)25mg加入去离子水8ml，30℃恒温条件下，磁力搅拌0.5h；在搅拌好的溶液中加入6ml乙醇和80μl四甲氧基硅烷(APTES)，30℃恒温条件下，磁力搅拌2h；
步骤三：恒电压法电化学沉积：
1、将步骤二中支撑层13所需的配置溶液倒入电解池中，将参比电极和辅助电极插入电解池中，打开电化学工作站和计算机，选择沉积电压-0.8V，沉积电荷量为0.4C，沉积时间2min；
2、将步骤二中内层14所需的配置溶液倒入电解池中，将参比电极和辅助电极插入电解池中，打开电化学工作站和计算机，沉积电压-1V,沉积电荷量为0.2C，沉积时间30min；
步骤四：抽滤疏水，其中抽滤疏水试剂15的步骤为：将聚碳酸酯薄膜置入抽滤漏斗中，漏斗下端连接真空泵，往聚碳酸酯薄膜上使用移液枪滴上超疏水试剂15全氟癸基三乙氧基硅烷(AC-FAS)，待超疏水试剂15从薄膜多孔结构中抽滤过去，使微纳超声机器人内壁附着一层纳米级尺度的超疏水试剂15；
步骤五：抛光溶解以及离心处理，其具体过程为：取10ml氧化铝浆料进行抛光，去除聚碳酸酯薄膜一侧的金层；然后将聚碳酸酯膜溶解在二氯甲烷中，静置0.5h，得到单分散的微纳超声机器人；将得到的二氯甲烷中的微纳超声机器人置入离心机中，调节转速6000r/min，时间为3min，以上步骤重复三次；后加入无水乙醇，调节转速8000r/min，时间为3min；最后将得到的上层的无水乙醇使用移液枪移出，下层的含高浓度的微纳超声机器人的无水乙醇用移液枪吸出滴在载玻片上干燥，将干燥后的微纳超声机器人释放在溶液中，其内部包含一个被困的微纳气泡4，即得到如图3所示的基于气泡推进型的PEDOT-SiO2微纳超声机器人1。
如图5所示，对于上述微纳超声机器人进行驱动的装置包括信号发生器、功率放大器和超声换能器；信号发生器输出端连接功率放大器输入端，功率放大器输出端与超声换能器连接；利用超声换能器将信号发生器输出的正弦电信号转化为高频率的机械振动，经放大后的电压约为5-30V、频率取决于所制备的微纳超声机器人内被困气泡4的尺寸，微纳超声机器人中被困气泡尺寸越小，其共振频率越大；例如长度为10μm，外径为5μm的PEDOT-SiO2微纳超声机器人信号发生器输入的频率为4600kHz，在此频率下微纳超声机器人内气泡4达到达共振，推动微纳超声机器人快速运动，速度可达30mm/s。
如图6所示，微纳超声机器人的几种运动模式包括直线运动16、螺旋运动18、xy平面内的环绕圆周运动19和z轴方向上的环绕圆周运动20或以上运动叠加的运动方式。特定频率的激励可以同时激发微纳超声机器人的多种运动模式，一次改变多个微纳超声机器人的运动轨迹，该发明优势在于，无需加入化学试剂的情况下，可以实现微纳超声机器人的集群快速分散与捕捉。
同已有技术相比，本发明提供了一种基于气泡推进型的微纳超声机器人制备及其驱动方法，在现有微纳超声机器人的基础上提出一种利用超声激励微纳超声机器人内被困气泡共振的驱动方式，由于气泡对频率响应的高灵敏度使得对于微纳超声机器人的操控更加灵敏，且运动速度相较其他驱动方式有较大提升，可达1000倍体长/s。本发明中微纳超声机器人自身包含被困气泡，相较于需要化学试剂催化产生气泡的微纳超声机器人，在不影响其运动速度的前提下，具有更高的生物相容性；并且通过控制微纳超声机器人的尺寸和形状可以控制被困气泡的大小形状，从而控制微纳超声机器人的运动速度。本发明有助于解决微流体环境中的微尺度气泡产生、维持和共振机理以及超声场激励下的气泡诱发局部增强型流场对微纳机器人的推进动力学特性等关键科学问题。
在具体的应用中，例如，微纳超声机器人外层可修饰特异性蛋白，捕捉并检测待测物质的浓度，特定的蛋白具有高选择性，进行特异性捕捉，可用于电化学检测设备，使得检测结果不容易被其他物质干扰。
上述实施方式仅作为示例展现了所述发明专利的一种可能的使用方式。任何针对本专利所作的简单修改，或者合成试剂的简单替换以及制备步骤的修订，都属于本专利保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种基于气泡推进型的微纳超声机器人，其特征在于，包括中空的管状主体；所述中空管状主体包括支撑外层及位于支撑外层内部的内层，所述内层形成中空的空间，内层为超疏水性材料；微纳超声机器人释放在溶液中时，由于内层的超疏水性，内层的空间中形成一个或多个气泡。
2.根据权利要求1所述的基于气泡推进型的微纳超声机器人，其特征在于，所述内层附着一层纳米级尺度的超疏水试剂。
3.一种根据权利要求1或2所述的基于气泡推进型的微纳超声机器人的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一：进行支撑外层的电化学沉积；
步骤二：在步骤一沉积的支撑外层的基础上，进行内层材料的沉积；
步骤三：在步骤二中沉积的内层的基础上，通过疏水方式，使内层具有超疏水性；得到多层微纳超声机器人；
步骤四：将步骤三得到的多层微纳超声机器人的进行抛光溶解、离心以及干燥处理，得到单分散的微纳超声机器人。
4.根据权利要求3所述的微纳超声机器人制备方法，其特征在于：步骤一中所述的支撑层采用PEDOT层；所述电化学沉积采用恒电压法；
步骤二所述的内层电化学沉积采用恒电压法；
步骤三所述疏水方式，包括抽滤疏水试剂、电子束蒸发或等离子清洗方式；其中抽滤疏水试剂的步骤为：将聚碳酸酯薄膜置入抽滤漏斗中，漏斗下端连接真空泵，往聚碳酸酯薄膜上使用移液枪滴上超疏水试剂，待超疏水试剂从薄膜多孔结构中抽滤过去，使内层附着一层纳米级尺度的超疏水试剂；
步骤四所述抛光溶解以及离心处理步骤为：用氧化铝浆料进行抛光，去除聚碳酸酯薄膜一侧的金层；然后将聚碳酸酯膜溶解在二氯甲烷中得到单分散的微纳超声机器人；将得到的微纳超声机器人置入离心机中，调节离心机转速5000-6000r/min，时间为2-3min，以上步骤重复三次；然后在离心机内加入无水乙醇，调节离心机转速7000-8000r/min，时间为2-3min；最后将得到的上层的无水乙醇吸出，下层的含高浓度的微纳超声机器人的无水乙醇吸出滴在载玻片上干燥，将干燥后的微纳超声机器人释放在溶液中，其内部包含一个被困的微纳气泡，即得到基于气泡推进型的微纳超声机器人。
5.根据权利要求3所述的微纳超声机器人的制备方法，其特征在于，步骤一、步骤二中，通过化学沉积平台进行电化学沉积作业；化学沉积平台包括电解池、底板、底板支撑结构、工作电极、辅助电极、参比电极；底部支撑结构作为支撑结构放置在底板下方，工作电极、辅助电极、参比电极置于电解池内；所述工作电极为溅射Au层的聚碳酸酯薄膜，辅助电极为铂丝或不锈钢片，参比电极为Ag/AgCl电极。
6.一种具有根据权利要求1或2所述的微纳超声机器人的驱动装置，其特征在于，包括信号发生器、功率放大器以及压电换能器；信号发生器的输出端与功率放大器的输入端相连接、功率放大器输出端与压电换能器连接用以产生超声频率。
7.一种使用根据权利要求6所述微纳超声机器人的驱动装置的驱动方法，其特征在于，产生超声频率激励微纳超声机器人内部气泡发生共振，从而推动微纳超声机器人产生直线运动、环绕圆周运动以及螺旋运动或以上运动方式叠加而成的运动。
8.根据权利要求7所述的一种基于气泡推进型的微纳超声机器人的驱动方法，其特征在于，所述信号发生器能产生10kHz-10MHz正弦波，将正弦电信号转化为高频率机械振动，激励微纳超声机器人内气泡共振。
9.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，所述微纳超声机器人内气泡共振特征频率范围为100kHz-5MHz，其中气泡尺寸越小，共振特征频率越大。
10.根据权利要求9所述的驱动方法，其特征在于，所述微纳超声机器人对高频超声信号响应，在管内气泡的某一个特定频率下，气泡发生共振，推动微纳超声机器人进行大行程运动，在待测溶液中快速运动捕获溶液中的待测物质。
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