CN115651451B - 一种具有生物相容性的磁控微纳机器人及其制作方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微纳机器人技术领域，特别涉及一种具有生物相容性的磁控微纳机器人及其制作方法和应用。该磁控微纳机器人包括层叠设置的磁性层和光敏层，所述磁性层为组成包括磁性纳米粒子与天然高分子的磁性分散液干燥形成的涂层。本发明采用磁性纳米粒子与天然高分子的分散液直接干燥形成磁控微纳机器人的磁性层，由于磁性纳米粒子难以分散，本发明利用天然高分子作为分散剂，能够很好地实现对磁性纳米粒子的分散，形成均匀稳定的分散液，经干燥可形成均匀的磁性层，使得磁控微纳机器人能够在磁场作用下实现运动。同时，利用交联后的天然高分子作为构建磁控微纳机器人的材料，使得磁控微纳机器人表现出良好的生物友好及相容性。
Description
技术领域
本发明属于微纳机器人技术领域，特别涉及一种具有生物相容性的磁控微纳机器人及其制作方法和应用。
背景技术
磁控微纳机器人是指尺寸在微纳米级别，在外加磁场作用下可实现对其运动进行智能操控的一类机器人，在微小空间作业、精准医疗、实时监测等领域具有巨大的发展和应用前景。目前，磁控微纳机器人的研究因受到自身特点及制造材料的限制而面临着巨大挑战。
当前最常用的微纳机器人磁控驱动设备为亥姆霍兹三维线圈系统，可提供均匀的旋转磁场。若要实现在旋转磁场中的运动，通常需要微纳机器人具有复杂的三维螺旋结构。而U Kei Cheang教授研究制造出的L形微纳机器人不仅具有简单的二维平面结构且可实现在旋转磁场中的运动，因此可采用具有L形特点的微纳机器人实现简单快速制造。
在制造材料方面，可利用光刻胶通过光刻设备实现微纳机器人的制造，然而光刻胶通常存在极大的生物毒性、相容性差、碳排放等问题，导致其发展和应用受到极大的限制，而天然高分子因其具有良好的生物友好及相容性可作为微纳机器人的材料，从而实现并拓展微纳机器人在生物医学和低碳环保等领域的应用。但是，天然高分子多数不具有可光刻性能，且没有磁性，因此鲜见将具有良好的生物友好及相容性的天然高分子应用于微纳机器人的相关报道。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的第一方面是提出一种磁控微纳机器人，该磁控微纳机器人的主体原料取自自然，使得磁控微纳机器人具有良好的生物友好和相容性。
本发明的第二方面是提出所述磁控微纳机器人的制作方法。
本发明还提出所述磁控微纳机器人的应用。
具体地，本发明采取如下的技术方案：
本发明的第一方面是提供一种磁控微纳机器人，所述磁控微纳机器人包括层叠设置的磁性层和光敏层，所述磁性层为组成包括磁性纳米粒子与天然高分子的磁性分散液干燥形成的涂层；所述磁性分散液中，天然高分子的浓度大于1wt％，小于5wt％，磁性纳米粒子与天然高分子的质量比为(1-20):1。
根据本发明第一方面的磁控微纳机器人，至少具有如下有益效果：
本发明采用磁性纳米粒子与天然高分子的分散液直接干燥形成磁控微纳机器人的磁性层，由于磁性纳米粒子难以分散，本发明利用天然高分子作为分散剂，能够很好地实现对磁性纳米粒子的分散，形成均匀稳定的分散液，经干燥可形成均匀的磁性层，使得磁控微纳机器人能够在磁场作用下实现快速运动。同时，天然高分子是一类生物友好型可再生循环的天然高分子，储量丰富、取之不尽用之不竭，在生产生活各方面都具有重要的应用价值。本发明利用天然高分子作为构建磁控微纳机器人的材料，使得磁控微纳机器人表现出良好的生物友好及相容性。在本发明的一些实例中，所述天然高分子包括壳聚糖及其衍生物、水溶性纤维素及其衍生物、海藻酸钠及其衍生物、透明质酸及其衍生物等中的任意一种或多种，优选壳聚糖及其衍生物。壳聚糖及其衍生物能够很好地实现对磁性纳米粒子的分散，形成均匀稳定的分散液，该分散液可经涂覆干燥形成磁性层，且涂敷过程顺畅，无颗粒感。除了壳聚糖及其衍生物外，其他天然高分子也可用于磁性纳米粒子的分散，形成磁性层。
在本发明的一些实例中，所述磁性纳米粒子包括铁磁性纳米粒子，例如包括Fe3O4、铁酸钴、铁酸镍、铁铬钴合金、铝镍钴合金、钕铁硼合金中的任意一种或多种，优选Fe3O4。
在本发明的一些实例中，所述磁性纳米粒子的粒径为10-100nm，优选10-80nm，包括但不限于10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。
在本发明的一些实例中，所述磁性分散液中，天然高分子的浓度优选2-4wt％。例如，天然高分子的浓度可以为1.5wt％、2wt％、3wt％、4wt％或4.5wt％，优选3wt％。
在本发明的一些实例中，所述磁性分散液中，磁性纳米粒子与天然高分子的质量比优选(5-15)：1。例如，磁性纳米粒子与天然高分子的质量比可以为1:1、5:1、10:1或20:1，优选10:1。
在本发明的一些实例中，所述磁性分散液的溶剂包括水、乙酸水溶液、乙醇中的任意一种，优选乙酸水溶液。所述乙酸水溶液的浓度为0.5-5wt％，如0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％等，优选2wt％。
在本发明的一些实例中，所述壳聚糖在20℃下的粘度为0-400mPa·s，如<100mPa·s、100-200mPa·s或200-400mPa·s，优选100-200mPa·s。
在本发明的一些实例中，所述壳聚糖的脱乙酰度为80-95％，如80％、90％或98％，优选95％。
在本发明的一些实例中，所述干燥的温度为40-100℃，如40℃、50℃、65℃、75℃、80℃、95℃或100℃，优选65℃。
在本发明的一些实例中，所述干燥的时间为20-900s，如20s、100s、300s、600s、800s或900s，优选600s。
在本发明的一些实例中，所述光敏层的原料包括光敏交联剂、丙烯酸类单体和/或丙烯酰胺类单体、引发剂。各原料经过交联形成光敏层。
在本发明的一些实例中，所述光敏层的原料还包括天然高分子。天然高分子由于不具有光敏性，受限于不能利用光刻技术制造形状规则的微纳米尺寸水平的材料，本发明通过将天然高分子与光敏交联剂及单体共同制成光敏层，结合磁性层，使得天然高分子成为磁控微纳机器人的主体材料，又能够保证其可以通过光刻形成所需形状。
在本发明的一些实例中，所述光敏交联剂、丙烯酸类单体和/或丙烯酰胺类单体的质量比为(0.1-1)：1，优选(0.2-0.5)：1，如0.1：1，0.2：1，0.3：1，0.4：1，0.5：1，0.6：1，0.7：1，0.8：1，0.9：1，1：1。
在本发明的一些实例中，当所述光敏层的原料还包括天然高分子时，所述丙烯酸类单体和/或丙烯酰胺类单体、天然高分子的质量比为1：(0.1-2)，优选1：(0.2-1)，如1：0.2，1：0.3，1：0.4，1：0.5，1：0.6，1：0.7，1：0.8，1：0.9，1
在本发明的一些实例中，所述光敏交联剂包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和/或其水溶性类似物。
在本发明的一些实例中，所述丙烯酸类单体包括丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、乙基丙烯酸、乙基丙烯酸甲酯中的任意一种或多种。
在本发明的一些实例中，所述丙烯酰胺类单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙基丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺等丙烯酰胺类衍生物单体中的任意一种或多种。
在本发明的一些实例中，所述引发剂包括过硫酸钾、过硫酸铵等过硫化物、过氧化物、亚硫酸氢盐、偶氮类化合物中的任意一种或多种。
在本发明的一些实例中，所述光敏层中的天然高分子包括但不限于壳聚糖及其衍生物、水溶性纤维素及其衍生物、海藻酸钠及其衍生物、透明质酸及其衍生物等中的任意一种或多种。所述光敏层中的天然高分子与磁性层中的天然高分子种类可以相同，也可以不相同。
在本发明的一些实例中，所述磁控微纳机器人(或所述磁性层)具有非手性结构，例如“L”形或近似“L”形的结构，该“L”形或近似“L”形结构的夹角≥90°且小于180°，例如为90-179°，如90°、98°、100°、110°、179°等，优选120°。
在本发明的一些实例中，所述磁性层的平均厚度为2-12μm，例如4μm、5μm、6μm、8μm、9μm、10μm、11μm或12μm，但不局限于上述尺寸。
在本发明的一些实例中，所述磁控微纳机器人的整体平均厚度为10-50μm，例如10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm或50μm等，但不局限于上述尺寸。
本发明的第二方面是提供一种磁控微纳机器人的制作方法，包括如下步骤：
在基板表面涂覆组成包括磁性纳米粒子与天然高分子的磁性分散液，形成磁性层；
在所述磁性层表面涂覆光敏前驱液，进行光刻，得到磁控微纳机器人。
在本发明的一些实例中，所述磁性分散液中，天然高分子的浓度优选2-4wt％。例如，天然高分子的浓度可以为1.5wt％、2wt％、3wt％、4wt％或4.5wt％，优选3wt％。
在本发明的一些实例中，所述磁性分散液中，磁性纳米粒子与天然高分子的质量比优选(5-15)：1。例如，磁性纳米粒子与天然高分子的质量比可以为1:1、5:1、10:1或20:1，优选10:1。
在本发明的一些实例中，所述涂覆磁性分散液的方法包括旋涂、喷涂、辊涂、涂刷中的任意一种或多种，优选旋涂。所述旋涂的速度为100-2000rpm，如100rpm、400rpm、500rpm、800rpm、1000rpm、1500rpm或2000rpm，优选1500rpm。
在本发明的一些实例中，涂覆磁性分散液后，还包括对所述磁性层烘烤(即干燥)的步骤。对所述磁性层烘烤的温度为40-100℃，如40℃、50℃、65℃、75℃、80℃、95℃或100℃，优选65℃。通过对磁性层进行烘烤，便于后期涂覆光敏前驱液。磁性层烘烤完成后需冷却至室温后再进行光敏前驱液的涂覆。
在本发明的一些实例中，对所述磁性层烘烤(即干燥)的时间为20-900s，如20s、100s、300s、600s、800s或900s，优选600s。
在本发明的一些实例中，所述光敏前驱液包括如下组分：光敏交联剂、丙烯酸类单体和/或丙烯酰胺类单体、引发剂及溶剂。
在本发明的一些实例中，所述光敏前驱液的组分还包括天然高分子。
在本发明的一些实例中，所述光敏前驱液的溶剂包括水、乙酸水溶液、乙醇中的任意一种，优选乙酸水溶液。所述乙酸水溶液的浓度为0.5-5wt％，如0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％等，优选2wt％。
在本发明的一些实例中，所述光敏交联剂在光敏前驱液中的浓度为0.5-5wt％，如0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％等。
在本发明的一些实例中，所述丙烯酸类单体和/或丙烯酰胺类单体在光敏前驱液中的浓度为1-15wt％，如1wt％、2wt％、4wt％、6wt％、8wt％、10wt％、12wt％、14wt％、15wt％等。
在本发明的一些实例中，光敏前驱液中，所述天然高分子的浓度为1-10wt％，如1wt％、2wt％、4wt％、6wt％、8wt％、10wt％等，优选6wt％。
在本发明的一些实例中，所述引发剂占光敏交联剂、丙烯酸类单体和/或丙烯酰胺类单体总质量，或占光敏交联剂、丙烯酸类单体和/或丙烯酰胺类单体、以及天然高分子总质量的0.5-6wt％，如0.5wt％、1wt％、2wt％、4wt％、6wt％等。
在本发明的一些实例中，所述光刻的步骤具体为：在所述磁性层表面涂覆光敏前驱液，对所述光敏前驱液进行曝光、显影，完成光刻。
在本发明的一些实例中，所述光敏前驱液的涂覆方法包括旋涂、喷涂、辊涂、涂刷中的任意一种或多种，优选旋涂。所述光敏前驱液旋涂的速度为500-5000rpm，如500rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm、3000rpm、4000rpm或5000rpm，优选3000rpm。
在本发明的一些实例中，所述曝光在紫外线下进行；所述曝光时间为30-120s，如30s、40s、50s、60s、70s、80s、19s、100s、110s、120s。
在本发明的一些实例中，所述显影过程是采用水或乙酸水溶液对曝光后的样品进行显影。所述乙酸水溶液的浓度为0.5-5wt％，如0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％等，优选2wt％。
在本发明的一些实例中，所述基板包括硅片、玻璃片、金属片、陶瓷片中的任意一种或多种，优选硅片。
在本发明的一些实例中，在涂覆磁性分散液前还包括对所述基板进行表面处理使其形成亲水表面的步骤。所述表面处理的方法包括Plasma处理。
本发明的第三方面是提供一种应用，所述应用为控制磁控微纳机器人在磁场中运动。
在本发明的一些实例中，所述磁场为三维均匀旋转磁场。
在本发明的一些实例中，所述三维均匀旋转磁场的场强为2-12mT，如2mT、3mT、4mT、5mT、7mT、9mT、10mT、12mT。本发明的磁控微纳机器人可在大小为2-12mT的三维均匀旋转磁场中实现定向运动。
本发明的第四方面是提供所述磁控微纳机器人在制备生物医疗产品、非疾病诊断和治疗目的的实时监测或非疾病诊断和治疗目的的智能化驱动中的应用。本发明的磁控微纳机器人可实现在特定磁场条件下的定向运动，具有良好的生物相容性，在生物医疗、实时监测、智能化驱动等领域具有潜在的应用价值。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明采用天然高分子，例如壳聚糖作为制备微纳机器人的主要材料，相对于现有大多数光刻胶等材料，所得的微纳机器人具有良好的生物相容性，在生物医疗、环保等领域具有巨大的价值。
本发明利用壳聚糖溶液作为分散剂，能够很好地实现对Fe3O4等磁性纳米粒子的分散，形成均匀稳定的分散液，并通过简单的涂覆方法即可制得均匀的磁性层，使得磁控微纳机器人能够在三维均匀旋转磁场作用下实现运动。
本发明通过简单的涂覆技术，层层叠加后利用光刻技术手段制备双层结构的微纳机器人，相对于现有技术，不需要复杂高端的设备，操作简单快捷，成本低廉。
附图说明
图1为实施例1中磁控微纳机器人的结构示意图。
图2为实施例1中磁控微纳机器人的显微镜图。
图3为实施例2中磁控微纳机器人的显微镜图。
图4为实施例1中磁控微纳机器人的运动速度和运动轨迹截图。
图5为实施例2中磁控微纳机器人的生物毒性测试结果。
图6为对比例1中微纳机器人的显微镜图。
图7为不同Fe3O4与壳聚糖的质量比下磁性层的显微镜图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。以下实施例中所用的原料，如无特殊说明，均可从常规商业途径得到；所采用的工艺，如无特殊说明，均采用本领域的常规工艺。
实施例1
本实施例制备一种磁控微纳机器人，包括如下步骤：
1)配制光敏前驱液
将0.6g壳聚糖(20℃粘度100-200mPa·s，脱乙酰度为95％)溶于9.4g乙酸水溶液中，乙酸水溶液的浓度为2wt％，溶解完全后加入1g丙烯酰胺、0.22g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺并搅拌均匀，待其溶解完全后加入1.6mL浓度为0.05mg/mL的过硫酸钾水溶液，混合均匀后得到光敏前驱液。
2)涂覆磁性层
将洁净的硅片进行Plasma处理，得到亲水表面，然后旋涂Fe3O4的壳聚糖乙酸溶液。Fe3O4的壳聚糖乙酸溶液的配制：先利用浓度为2wt％的乙酸溶液配置浓度为3wt％的壳聚糖溶液，然后加入Fe3O4(平均粒径20nm)后搅拌均匀，其中Fe3O4与壳聚糖的质量比为10:1。旋涂角速度1500rpm，时长60s。旋涂后置于65℃的热板上烘烤10min直至烘干，得到磁性层。
3)光刻
在步骤2)烘干后的磁性层表面涂覆步骤1)中得到的光敏前驱液，旋涂角速度3000rpm，时长60s。将光敏前驱液晾干置于载物台上，上方搭载掩膜版，置于紫外线下曝光60s。将曝光完毕的样本在浓度为2wt％的乙酸溶液中显影后剥离，经过滤分离后得到近似L形的磁控微纳机器人。
该磁控微纳机器人的结构示意图和显微镜图分别如图1和图2所示，图1所示本实施例中的L型微纳机器人所设计的结构参数为：长(a)200μm，宽(b)100μm，夹角(α)120°。图2所示制备得到的微纳机器人包括层叠设置的磁性层和光敏层，光敏层表面负载有均匀的黑色Fe3O4涂层。微纳机器人整体厚度(c)由台阶仪测定为21.8μm。
实施例2
本实施例制备一种磁控微纳机器人，包括如下步骤：
1)配制光敏前驱液
将0.6g壳聚糖(20℃粘度100-200mPa·s，脱乙酰度为95％)溶于9.4g乙酸水溶液中，乙酸水溶液的浓度为2wt％，溶解完全后加入1g丙烯酰胺、0.22g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺并搅拌均匀，待其溶解完全后加入1.6mL浓度为0.05mg/mL的过硫酸钾水溶液，混合均匀后得到光敏前驱液。
2)涂覆磁性层
将洁净的硅片进行Plasma处理，得到亲水表面，然后旋涂Fe3O4的壳聚糖乙酸溶液。Fe3O4的壳聚糖乙酸溶液的配制：先利用浓度为2wt％的乙酸溶液配置浓度为3wt％的壳聚糖溶液，然后加入Fe3O4(平均粒径20nm)后搅拌均匀，其中Fe3O4与壳聚糖的质量比为10:1。旋涂角速度1000rpm，时长60s。旋涂后置于65℃的热板上烘烤12min直至烘干。
3)光刻
在步骤2)烘干后的磁性层表面涂覆步骤1)中得到的光敏前驱液，旋涂角速度2000rpm，时长60s。将光敏前驱液晾干置于载物台上，上方搭载掩膜版，置于紫外线下曝光70s。将曝光完毕的样本在浓度为2wt％的乙酸溶液中显影后剥离，经过滤分离后得到近似L形的磁控微纳机器人。
该磁控微纳机器人的显微镜图如图3所示，该图显示微纳机器人包括层叠设置的磁性层和光敏层，光敏层表面负载有均匀的黑色Fe3O4涂层，且较实施例1更深，其整体厚度经台阶仪测定为27.1μm，其长、宽、夹角与实施例1相同。
测试例1
本测试例中，对实施例1所制备的L形磁控微纳机器人进行运动性能测试，具体性能测试步骤如下：
(1)运动性能测试
将实施例1所得到的磁控微纳机器人置于去离子水中，施加三维均匀旋转磁场，进行运动性能测试，具体包括两个方面：
a)固定磁场大小，改变运动频率，运动频率通过改变旋转磁场的旋转频率实现。具体地，磁场大小固定为8mT，运动频率在1-16Hz范围。
b)固定运动频率，改变磁场大小。具体地，运动频率固定为2Hz.，磁场大小在2-12mT范围。
实施例1的磁控微纳机器人在a)和b)两种情形下的运动情况如下：在磁场大小固定为8mT，运动频率在1-16Hz范围时，其运动的平均速度随着频率的增大先增大后减小，从1Hz时的93.8414μm/s逐渐提高到6Hz时的325.2954μm/s，然后逐渐降低至16Hz时的19.5497μm/s；在运动频率固定为2Hz时，磁场大小在2 -12mT.范围时，其运动的平均速度呈现先增大后降低的趋势，从2mT时的142.8148μm/s逐渐增大至10mT的191.1428μm/s，后降低至12mT的183.4215μm/s。
本测试证明磁控微纳机器人在去离子水中具有良好的运动性能，进一步表明在施加磁场后，磁控微纳机器人可实现在流体中的运动。
(2)流道模拟测试
将实施例1中的磁控微纳机器人置于不同种类的流道中，施加大小为8mT的三维均匀旋转磁场，调节其运动频率为4Hz并控制其运动到指定位置，观察其运动稳定性。
测试结果如图4所示，其运动平均速度为244.7682μm/s，运动过程中的瞬时速度如图4中a所示，图4的b中红线表示其运动轨迹，呈现均匀的直线运动。这些结果表明机器人运动性能稳定。本测试证明微纳机器人可通过磁场进行定向运动的操控，进一步证明所制备的机器人具有磁控性能。
测试结果显示，按照本发明的方法制得的磁控微纳机器人在磁场中快速定向运动，能够实现在微小空间尺度上对其进行智能化驱动，因此在精准生物医疗、实时传感监测、微纳加工制造、污染防护治理或环境修复等领域具有潜在的应用价值。
测试例2
本测试例中，对实施例2中所制备的L形磁控微纳机器人进行生物毒性测试，具体步骤为：
以4×105/mL的密度接种L929细胞于培养皿中，细胞贴壁后加入不同浓度的粉碎后的磁控微纳机器人，并置于37℃和5％ CO2条件下培养，继续培养并在第1、3和7天时利用细胞计数试剂盒(CCK8)测定细胞的存活率。
测试结果见图5，其中a为其细胞存活率结果，a中每组数据中按照箭头方向磁控微纳机器人的浓度逐渐增大，由图可知磁控微纳机器人无明显的细胞毒性；b为磁控微纳机器人加入后共培养24小时后的显微镜照片，由图显示，细胞生长状态良好，磁控微纳机器人无明显细胞毒性。
对比例1
本对比例制备一种微纳机器人，与实施例1的区别在于没有旋涂Fe3O4的壳聚糖乙酸溶液，即没有磁性层，具体步骤如下：
1)配置光敏前驱液
将0.6g壳聚糖(粘度100-200mPa·s，脱乙酰度为95％)溶于9.4g乙酸水溶液中，乙酸水溶液的浓度为2wt％，溶解完全后加入1g丙烯酰胺、0.22g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺并搅拌均匀，待其溶解完全后加入1.6mL浓度为0.05mg/mL的过硫酸钾水溶液，混合均匀后得到光敏前驱液。
2)光刻
将洁净的硅片进行Plasma处理，得到亲水表面，然后旋涂步骤1)中得到的光敏前驱液，旋涂角速度3000rpm，时长60s。将光敏前驱液晾干置于载物台上，上方搭载掩膜版，置于紫外线下曝光60s。将曝光完毕的样本在浓度为2wt％的乙酸溶液中显影后剥离，经过滤分离后得到近似L形的微纳机器人。
所得微纳机器人如图6所示，由图得知该微纳机器人表面没有黑色Fe3O4磁性涂层，仅为主体前驱液组成的透明结构，其厚度为11.6μm，其长、宽及夹角与实施例1相同。
同时，经测试，该微纳机器人在磁场作用下不能运动。
对比例2
在本对比例中，以不同浓度壳聚糖溶液分散Fe3O4，然后制备磁控微纳机器人。具体步骤如下：
利用浓度为2wt％的乙酸溶液配置浓度为1wt％、2wt％、3wt％和5wt％的壳聚糖溶液，分别加入同等质量的Fe3O4(平均粒径20nm)，其中Fe3O4与壳聚糖的质量比为10:1，混合均匀得到Fe3O4的壳聚糖乙酸溶液。然后按照与实施例1相同的方法制备磁控微纳机器人。
结果显示，在同等条件下，采用1wt％的壳聚糖溶液配制成Fe3O4的壳聚糖乙酸溶液，并进行旋涂后，由于壳聚糖量少而容易导致Fe3O4聚沉而分层，不能够被有效分散；5wt％时由于壳聚糖溶液浓度太高则会形成团状，不利于旋涂均匀，不利于制备磁控微纳机器人。因此，壳聚糖溶液浓度应当设置在大于1wt％，小于5wt％的范围，例如2wt％、3wt％。
对比例3
在本对比例中，与对比例2不同之处在于固定壳聚糖溶液的浓度为3wt％，改变加入Fe3O4的质量，配制均匀的分散液进行磁性层的旋涂，具体步骤如下：
将洁净的硅片进行Plasma处理，得到亲水表面。配置浓度为3wt％的壳聚糖溶液，分别加入与壳聚糖质量比分别为1:1、5:1、10:1和20：1的Fe3O4(平均粒径20nm)，混合均匀后进行旋涂，旋涂角速度为1000rpm，时长60s，旋涂后置于65℃热板上烘烤12min直至烘干，得到不同的磁性层，并置于显微镜下观察。
所得到的磁性层的显微镜图如图7所示，图中a-d对应的Fe3O4与壳聚糖质量比依次为1:1、5:1、10:1和20：1。图7显示，在同等条件下，采用Fe3O4与壳聚糖质量比为1：1的分散液进行旋涂后，由于Fe3O4含量少而导致所制备的机器人磁性不足而运动性能差(在磁场中几乎无法运动)；以Fe3O4与壳聚糖质量比为20:1的分散液进行旋涂后，由于浓度太高而出现肉眼可见的聚集现象，不适合后期机器人的制备，为使机器人获得优异的运动性能，优选其中的5:1、10:1，最优选10：1。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种磁控微纳机器人，其特征在于：所述磁控微纳机器人包括层叠设置的磁性层和光敏层，所述磁性层为组成包括磁性纳米粒子与天然高分子的磁性分散液干燥形成的涂层；所述磁性分散液中，天然高分子的浓度大于1 wt%，小于5 wt%，磁性纳米粒子与天然高分子的质量比为（1-20）:1；所述光敏层的原料包括天然高分子；所述光敏层中的天然高分子与磁性层中的天然高分子种类相同或不相同。
2.根据权利要求1所述磁控微纳机器人，其特征在于：所述天然高分子包括壳聚糖及其衍生物、水溶性纤维素及其衍生物、海藻酸钠及其衍生物、透明质酸及其衍生物中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述磁控微纳机器人，其特征在于：所述光敏层的原料包括光敏交联剂、丙烯酸类单体和/或丙烯酰胺类单体、引发剂。
4.权利要求1-3任一项所述磁控微纳机器人的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
在基板表面涂覆组成包括磁性纳米粒子与天然高分子的磁性分散液，形成磁性层；
在所述磁性层表面涂覆光敏前驱液，进行光刻，得到磁控微纳机器人。
5.根据权利要求4所述制作方法，其特征在于：所述磁性分散液中，天然高分子的浓度为2-4 wt%。
6.根据权利要求4所述制作方法，其特征在于：所述磁性分散液中，磁性纳米粒子与天然高分子的质量比为（5-15）:1。
7.根据权利要求4所述制作方法，其特征在于：所述涂覆磁性分散液的方法包括旋涂、喷涂、辊涂、涂刷中的任意一种或多种。
8.一种应用，其特征在于：所述应用为控制权利要求1-3任一项所述磁控微纳机器人在磁场中运动。
9.权利要求1-3任一项所述磁控微纳机器人在制备生物医疗产品、非疾病诊断和治疗目的的实时监测或非疾病诊断和治疗目的的智能化驱动中的应用。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Fabrication of Bilayer Magnetically Actuated L-Shaped Microrobot Based on Chitosan via Photolithography;Wang, HY等;POLYMERS;第14卷(第24期);全文 * |
| Soft actuators built from cellulose paper: A review on actuation, material, fabrication, and applications;Liu, Y等;JOURNAL OF SCIENCE-ADVANCED MATERIALS AND DEVICES;第6卷(第3期);321-337 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115651451A (zh) | 2023-01-31 |
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