CN115867110B - 一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器、金属电极、操作器驱动引线以及传感器引线；所述压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器均由PZT/SMPU柔性压电复合材料制作；所述金属电极包括双面金属电极、单面指插型金属电极和双面指插型金属电极。本发明采用上述一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成，具有良好的压电性能和机械强度，可以抗化学和油性腐蚀，并且体积小、结构简单，能够在高精度的条件下最大程度的降低操作器对生物样本带来的损伤。

Description

一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法

技术领域

本发明涉及医疗微纳操作技术领域，尤其是涉及一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法。

背景技术

应用于生物医学领域的各种微/纳米操作器已经屡见不鲜，如原子力显微镜、微夹钳或探针式操作器等。各种微/纳米操作器可以用于多种生物医学操作，如细胞操作、生物靶标检测和药物传递等。

传统机械操作通常利用操作器(探针或微夹子)通过机械接触来操纵细胞等生物物体。然而，实际的操作表明，生物物体会容易被由刚性材料制成的操纵器损坏。而传统的各种微/纳米操作器，需要在操作前提前通过荧光标记、红外成像等方式来定位样品，不仅步骤复杂，还会对样品造成一定的损害。并且传统微/纳米操作器普遍存在成本较高、不易操作、难加工的问题。

近年来，柔性材料因能够通过自身形变吸收碰撞能量，从而降低冲击损害，被制作成多种柔性微夹钳，如热生化(温度与生物试剂)驱动的高分子微夹钳、热磁驱动的高分子微夹钳、无线电驱动的离子高分子金属复合材料微夹钳等。

但柔性材料较低的刚度与复杂的分子结构使其的制作工艺有限，制作成的微夹钳也多是简单的二维结构或者庞大的三维结构，柔性微夹钳的分辨率和定位精度有限。但是，微纳操作(特别是纳米操作)要求操作器具有十几纳米乃至几纳米的分辨率和定位精度。

也正因如此，能够满足微纳操作要求的柔性操作器或执行器，到目前为止都鲜有报道。因此，面对生物医疗操作，我们需要一种具有高分辨率、高定位精度且低损伤、易加工、易操作、成本低的柔性微纳操作器。

发明内容

本发明的目的是提供一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法，由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成，具有良好的压电性能和机械强度，可以抗化学和油性腐蚀，并且体积小、结构简单，能够在高精度的条件下最大程度的降低操作器对生物样本带来的损伤。

为实现上述目的，本发明提供了一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器和金属电极；所述压电自弯曲夹持结构主体与所述压电伸长功能结构垂直连接，所述压电功能微型结构传感器设置于所述压电自弯曲夹持结构主体远离所述压电伸长功能结构一侧表面及所述压电自弯曲夹持结构主体下端；

所述金属电极包括双面金属电极、单面指插型金属电极和双面指插型金属电极，所述压电自弯曲夹持结构主体下端的压电功能微型结构传感器设置所述双面金属电极，所述压电自弯曲夹持结构主体表面和其表面的所述压电功能微型结构传感器均设置单面指插型金属电极、所述压电伸长功能结构表面设置双面指插型金属电极；

所述压电自弯曲夹持结构主体表面的单面指插型金属电极、所述压电伸长功能结构表面的双面指插型金属电极分别连接操作器驱动引线，传感器引线与所述压电功能微型结构传感器上的所述单面指插型金属电极和所述双面金属电极相连接。

优选的，所述压电自弯曲夹持结构主体、所述压电伸长功能结构、所述压电功能微型结构传感器均由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成；所述PZT/SMPU柔性压电复合材料由PZT粒子与形状记忆高分子材料制成；所述形状记忆高分子为形状记忆聚氨酯SMPU，其形状记忆温度为35℃，形变恢复率超过95％。

一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，包括如下步骤：

S1、使用三维制图软件实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；

S2、制备用于制作自主寻找式柔性压电微纳操作器的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜；

S3、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电功能微型结构传感器；

S4、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电自弯曲夹持结构主体；

S5、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电伸长功能结构的原始结构；

S6、利用加热塑形工艺，将所述步骤S3-S5制作的压电功能微型结构传感器、压电自弯曲夹持结构主体和压电伸长功能结构原始结构塑形成所述步骤S1中所设计操作器的形态；同时利用高压极化技术，将步骤S3-S5制作的各部分结构极化使其具有压电性能，完成自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备。

优选的，所述步骤S1还包括以下步骤：

S1-1、所述自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器；设置所述功能结构的尺寸参数并将其输入所述三维制图软件中，实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；

S1-2、对设计的所述自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构的可实现性以及形状结构的加工可实施性进行分析，完善优化所述自主寻找式柔性压电微纳操作器主体结构以及加工流程。

优选的，所述步骤S2还包括以下步骤：

S2-1、称取一定质量的四氢呋喃THF作为有机溶剂、压电陶瓷粒子PZT作为添加物、形状记忆聚氨酯SMPU作为基底，形状记忆聚氨酯与四氢呋喃的质量比为1:10，压电陶瓷粒子占压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯总质量的80％；

S2-2、将所述压电陶瓷粒子与所述四氢呋喃混合，并通过超声分散混合溶液避免其中的电陶瓷粒子团聚，得到所述电陶瓷粒子与四氢呋喃的混合悬浊液，并放入转子以1200r/min的转速对所述混合悬浊液进行高速搅拌，防止分散后的电陶瓷粒子沉降团聚；

S2-3、将所述形状记忆聚氨酯加入到所述步骤S2-2中的混合悬浊液中溶解48-60小时，并对所述形状记忆聚氨酯完全溶解后的混合物进行挥发，挥发后得到SMPU:THF＝1:7、SMPU:THF＝1:9两种不同粘度的压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯的混合溶液；将所述混合溶液置于磁力搅拌器中搅拌，转速为700-1000r/min，混合均匀后静置36-60小时；

S2-4、将所述SMPU:THF＝1:7的混合溶液倾倒在铺膜机上，利用铺膜机进行铺膜操作，得到基于PZT/SMPU的柔性压电复合材料薄膜，室温定型时间6小时，待薄膜定型后依次在室温下干燥3天、在65℃烘箱下干燥3天，挥发多余有机溶剂，得到PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜，所述PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜的厚度为100-150μm。

优选的，所述步骤S3还包括以下步骤：

S3-1、将所述步骤S2中制备的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜放入热压机中，以8MPa的压力、80℃的热压温度，热压10次，每次热压持续30min，增强内部结构的紧密性；

S3-2、根据所述步骤S1中的结构设计，将热压后的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜裁剪成T字型；

S3-3、选取刻有微型结构的硅片作为制作压电功能微型结构的模具，选取步骤S2-3中SMPU:THF＝1:9的混合溶液缓慢倒入倾斜的培养皿内，直至溶液全部覆盖硅片模具，将培养皿反复摇晃3-5次，每次5-8min，使溶液进入硅片模具中；

S3-4、根据所述步骤S1中的结构设计，将所述步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置固定在步骤S3-3中充满溶液的压电功能微型结构硅片模具正上方；将培养皿放置倾斜放置1-2小时，而后水平静置12小时；

S3-5、将所述步骤S3-4中静置定型后的压电功能微型结构先以40℃烘干36小时，再以60℃烘干7天，向烘干后的培养皿中倒入酒精脱模，并裁剪多余部分，完成所述PZT/SMPU压电功能微型结构的制作；

S3-6、将所述步骤S3-5中的压电功能微型结构根据所述步骤S1中的结构设计、利用离子溅射仪在相应的位置分别镀上双面金属电极和单面指插型金属电极，之后分别连接所述传感器引线，完成PZT/SMPU压电功能微型结构传感器的制作；所述单面指插型金属电极的电极宽度50μm、电极间距50μm，所述离子溅射仪电流大小为8mA、溅射时长为150s。

优选的，所述步骤S4还包括以下步骤：

S4-1、根据所述步骤S1中的结构设计，将所述步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置采用离子溅射仪以8mA电流、溅射150s，镀上所述单面指插型金属电极并用所述操作器驱动引线连接引出，完成PZT/SMPU压电自弯曲夹持结构主体的制作；所述单面指插型金属电极的宽度为50μm，电极间距为50μm。

优选的，所述步骤S5还包括以下步骤：

S5-1、根据所述步骤S1中的结构设计，将所述步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置采用离子溅射仪以8mA电流、溅射150s，镀上所述双面指插型金属电极并用所述操作器驱动引线连接引出，完成PZT/SMPU压电伸长功能原始结构的制作；所述双面指插型金属电极宽度为50μm、电极间距50μm。

优选的，所述步骤S6还包括以下步骤：

S6-1、利用加热台将所述步骤S3-S5制作的压电功能微型结构传感器、压电自弯曲夹持结构主体和压电伸长功能结构的原始结构进行加热并塑形，塑型完成后用模具进行固定，得到自主寻找式柔性压电微纳操作器的原始件；

S6-2、将所述操作器驱动引线和所述传感器引线分类连接高压电源，将所述步骤S6-1中得到的所述原始件置于80℃油浴锅中并接通电源进行高压极化2小时，所述压电功能微型结构传感器与所述压电伸长功能结构处采用20kv/mm，所述压电自弯曲夹持结构主体处采用2.5kv/mm，高压极化完成后得到自主寻找式柔性压电微纳操作器。

一种自主寻找式柔性压电微纳操作器在生物医疗领域的应用。

因此，本发明采用上述一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法，具有如下技术效果：

1、本发明采用在柔性高分子聚合物SMPU中添加无机压电材料PZT的方法，制作PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜，其中PZT颗粒的质量分数为80％；PZT颗粒在高分子材料中分布均匀，界面结合性较好，具有良好的机械性能，在很大程度上也提高了柔性压电微纳操作器的性能，从而使该柔性压电复合材料薄膜传感器制备的柔性压电微纳操作器能够用于医疗领域之中；

2、本发明中的PZT/SMPU夹持结构采用自弯曲变形的一种柔性微纳操作新方法，降低机械式微纳操作中的机械损伤，不同于现有的采用超高精密力传感器控制输出力的方法降低机械式微纳操作中的机械损伤；本发明通过开发具有纳米级定位精度的柔性压电微纳操作器，利用纳米级定位与柔性形变吸收碰撞能量相结合的方法，降低机械损伤，同时提高分辨率和定位精度；

3、本发明采用一体化的方式将传感功能与夹持功能结合在柔性压电微纳操作器上，通过硅片模具将压电功能微型结构制作于薄膜自弯曲执行器之上，从而达到定位夹持一体的目的；不同于传统的孤立物体组装制造方式，本发明采用这种新方法能够通过折叠和弯曲实现连续、直接的二维到三维的转换，有效增加了操作器的功能，简化了工艺流程；

4、本发明中的PZT/SMPU压电功能微型结构传感器压电性能良好，具有较大的电压输出信号，电压信号幅值为200mV～300mV，可以高效寻找操作样品位置；同时，本发明通过开发具有夹持与传感一体化功能的柔性压电微纳操作器，利用具有微米/纳米级功能微结构阵列结构的薄膜传感器设计，对接触生物样品时的低频微弱信号回收，实现操作器自主寻找目标，简化微纳操作流程，提高分辨率和定位精度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种自主寻找式柔性压电微纳操作器二维电极拆分图；

图2为本发明一种自主寻找式柔性压电微纳操作器二维俯视图；

图3为本发明一种自主寻找式柔性压电微纳操作器二维顶视图；

图4为本发明一种自主寻找式柔性压电微纳操作器三维示意图；

图5为本发明一种自主寻找式柔性压电微纳操作器夹取样品俯视图；

图6为本发明一种自主寻找式柔性压电微纳操作器放置状态示意图。

附图标记

1、PZT/SMPU柔性压电复合材料；2、单面指插型金属电极；3、双面指插型金属电极；4、双面金属电极；5、压电伸长功能结构；6、压电自弯曲夹持结构主体；7、压电功能微型结构传感器；8、生物样品。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例一

一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，包括压电自弯曲夹持结构主体6、压电伸长功能结构5、压电功能微型结构传感器7和金属电极。压电自弯曲夹持结构主体6与压电伸长功能结构5垂直连接，压电功能微型结构传感器7设置于压电自弯曲夹持结构主体6远离压电伸长功能结构5一侧表面及压电自弯曲夹持结构主体6下端；

金属电极包括双面金属电极4、单面指插型金属电极2和双面指插型金属电极3，压电自弯曲夹持结构主体6下端的压电功能微型结构传感器7设置双面金属电极4，压电自弯曲夹持结构主体6表面和其表面的压电功能微型结构传感器7均设置单面指插型金属电极2、压电伸长功能结构5表面设置双面指插型金属电极3；

压电自弯曲夹持结构主体6表面的单面指插型金属电极2、压电伸长功能结构5表面的双面指插型金属电极3分别连接操作器驱动引线，传感器引线与压电功能微型结构传感器7上的单面指插型金属电极2和双面金属电极4相连接。

压电自弯曲夹持结构主体6、压电伸长功能结构5、压电功能微型结构传感器7均由PZT/SMPU柔性压电复合材料1制成。PZT/SMPU柔性压电复合材料1由PZT粒子与形状记忆高分子材料制成；形状记忆高分子为形状记忆聚氨酯SMPU，其形状记忆温度为35℃，形变恢复率超过95％。SMPU基质具有良好的生物相容性，PZT质量占PZT与SMPU总质量的80％。

实施例二

实施例一中的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，包括如下步骤：

S1、使用三维制图软件实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；

S1-1、自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构包括压电自弯曲夹持结构主体6、压电伸长功能结构5、压电功能微型结构传感器7；设置功能结构的尺寸参数，确定自主寻找式柔性压电微纳操作器的大小，并将尺寸参数输入三维制图软件中，实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；

S1-2、对设计的自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构的可实现性以及形状结构的加工可实施性进行分析，完善优化自主寻找式柔性压电微纳操作器主体结构以及加工流程。

S2、制备用于制作自主寻找式柔性压电微纳操作器的PZT/SMPU柔性压电复合材料1薄膜；

S2-1、称取20g四氢呋喃THF作为有机溶剂，8g、400nm粒径的压电陶瓷粒子PZT作为添加物，2g形状记忆聚氨酯SMPU作为基底；

S2-2、将压电陶瓷粒子与四氢呋喃混合，并以120W功率超声分散混合溶液20min，避免其中的电陶瓷粒子团聚，得到电陶瓷粒子与四氢呋喃的混合悬浊液，并放入转子以1200r/min的转速对混合悬浊液进行高速搅拌，防止分散后的电陶瓷粒子沉降团聚；

S2-3、将形状记忆聚氨酯加入到步骤S2-2中的混合悬浊液中溶解48小时，并对形状记忆聚氨酯完全溶解后的混合物进行挥发，挥发后得到粘度为SMPU:THF＝1:7、SMPU：THF＝1:9两种不同粘度的压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯的混合溶液；将混合溶液置于磁力搅拌器中搅拌，转速为1000r/min，混合均匀后静置48小时；

S2-4将粘度为SMPU:THF＝1:7的混合溶液倾倒在铺膜机上，利用铺膜机设定1500mm铺膜厚度，1200mm/s的铺膜速度进行铺膜操作，得到基于PZT/SMPU的柔性压电复合材料薄膜，在室温下定型时间6小时，待薄膜定型后依次在室温下干燥3天、在65℃烘箱下干燥3天，挥发多余有机溶剂，得到PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜，PZT/SMPU柔性压电复合材料1薄膜的厚度为150μm。

S3、利用步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料1薄膜制作PZT/SMPU压电功能微型结构传感器7；

S3-1、将步骤S2中制备的PZT/SMPU柔性压电复合材料1薄膜放入热压机中，以8MPa的压力、80℃的热压温度，热压10次，每次热压持续30min，增强内部结构的紧密性；

S3-2、根据步骤S1中的结构设计，将热压后的PZT/SMPU柔性压电复合材料1薄膜裁剪成T字型；

S3-3、选取刻有单体柱长宽高为80×80×140μm的微型结构硅片作为制作压电功能微型结构的模具，选取步骤S2-3中SMPU：THF＝1:9的混合溶液缓慢倒入倾斜的培养皿内，直至溶液全部覆盖硅片模具，将培养皿反复摇晃3到5次，每次6min，使溶液进入硅片模具中；

S3-4、根据步骤S1中的结构设计，将步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置固定在步骤S3-3中充满溶液的压电功能微型结构硅片模具正上方；将培养皿放置倾斜15°，倾斜静置时间为1小时，而后水平静置12小时；

S3-5、将步骤S3-4中静置定型后的压电功能微型结构先以40℃烘干36小时，再以60℃烘干7天，向烘干后的培养皿中倒入酒精脱模，并裁剪多余部分，完成PZT/SMPU压电功能微型结构的制作；

S3-6、将步骤S3-5中的压电功能微型结构根据步骤S1中的结构设计、利用离子溅射仪在相应的位置分别镀上双面金属电极4和单面指插型金属电极2，之后分别连接传感器引线，完成PZT/SMPU压电功能微型结构传感器的制作；单面指插型金属电极2的电极宽度50μm、电极间距50μm，离子溅射仪电流大小为8mA、溅射时长为150s。

S4、利用步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料1薄膜制作PZT/SMPU压电自弯曲夹持结构主体6；

S4-1、根据步骤S1中的结构设计，将步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置采用离子溅射仪以8mA电流、溅射150s，镀上单面指插型金属电极2并用操作器驱动引线连接引出，完成PZT/SMPU压电自弯曲夹持结构主体6的制作；单面指插型金属电极2的宽度为50μm，电极间距为50μm。

S5、利用步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料1薄膜制作PZT/SMPU压电伸长功能结构5的原始结构；

S5-1、根据步骤S1中的结构设计，将步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置采用离子溅射仪以8mA电流、溅射150s，镀上双面指插型金属电极3并用操作器驱动引线连接引出，完成PZT/SMPU压电伸长功能结构5原始结构的制作；双面指插型金属电极3宽度为50μm、电极间距50μm。

S6、利用加热塑形工艺，将步骤S3-S5制作的压电功能微型结构传感器7、压电自弯曲夹持结构主体6和压电伸长功能结构5原始结构塑形成步骤S1中所设计操作器的形态；同时利用高压极化技术，将步骤S3-S5制作的各部分结构极化使其具有压电性能，完成自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备。

S6-1、利用加热台将步骤S3-S5制作的压电功能微型结构传感器7、压电自弯曲夹持结构主体6和压电伸长功能结构5原始结构进行加热并塑形，塑型完成后用模具进行固定，得到自主寻找式柔性压电微纳操作器的原始件；

S6-2、将操作器驱动引线和传感器引线分类连接高压电源，将步骤S6-1中得到的原始件置于80℃油浴锅中并接通电源进行高压极化2小时，压电功能微型结构传感器7与压电伸长功能结构5处采用20kv/mm，压电自弯曲夹持结构主体6处采用2.5kv/mm，高压极化完成后得到自主寻找式柔性压电微纳操作器。

本实施例中，PZT/SMPU自主寻找式柔性压电微纳操作器弹性模量为1.9GPa，在不控制任何环境参数的情况下实现自弯曲，PZT/SMPU自主寻找式柔性压电微纳操作器的压电自弯曲夹持结构主体6单边在极化为2.5kV/mm，响应阶跃电压为300V时，自弯曲位移可达952nm；最大位移误差为±8nm，分辨率为2nm，本实施例中，PZT/SMPU压电功能微型结构传感器7可接收产生200-300mV大小的电信号。

实施例三

本发明一种自主寻找式柔性压电微纳操作器在生物医疗领域中的应用，夹持生物样品8状态如图5所示。以定位夹取活体细胞为例：输入信号调节柔性压电微纳操作器的压电伸长功能结构5，通过压电功能微型结构传感器7定位检测，使柔性压电微纳操作器位于合适的高度。移动柔性压电微纳操作器，当柔性压电微纳操作器前段的功能压电功能微型结构传感器7触碰到活体细胞的时候，柔性压电微纳操作器的压电功能微型结构传感器7产生变形。

由压电效应可知，PZT/SMPU压电功能微型结构传感器7会产生微弱电信号，形成电压输出信号。PZT/SMPU压电功能微型结构传感器7上产生的电信号可以通过布置在柔性压电微纳操作器上的传感器引线将其传输到终端。当信号被接收的同时，控制终端对柔性压电微纳操作器的压电自弯曲夹持结构主体6发出指定激励，进而使柔性压电微纳操作器的压电自弯曲夹持结构主体6发生自弯曲变形达到夹持抓取活体细胞的目的。

本发明一种自主寻找式柔性压电微纳操作器信号输出与采集流程如下所示：压电自弯曲夹持结构主体6下端的压电功能微型结构传感器7→检测终端→计算机→输出终端→压电伸长功能结构5；压电自弯曲夹持结构主体6表面的压电功能微型结构传感器7→检测终端→输出终端→压电自弯曲夹持结构主体6。

如图6所示，柔性压电微纳操作器底部与载样台接触，通过压电效应可由压电自弯曲夹持结构主体6下端的压电功能微型结构传感器7感知，通过传感器引线将产生的电压信号传输到检测终端，再传输给计算机进行处理和分析，计算机判断结果后发出指令给输出终端，再由输出终端发出信号控制压电伸长功能结构5的运行与终止，从而实现调节操作器至至最适合的高度位置。

同理，柔性压电微纳操作器前端与活体细胞接触，利用压电效应可由压电自弯曲夹持结构主体6表面的压电功能微型结构传感器7感知，通过传感器引线将产生的电压信号传输到检测终端，再传输给计算机进行处理和分析，计算机判断结果后发出指令给输出终端，再由输出终端发出信号控制压电自弯曲夹持结构主体6的弯曲变形，从而实现夹持抓取固定活体细胞的操作。

因此，本发明采用上述一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法，柔性压电微纳操作器利用压电功能微型结构传感器的压电效应，将机械能转化为电能，将生物样本的位置信息反馈给柔性压电微纳操作器；利用压电自弯曲夹持结构主体与压电伸长功能结构的逆压电效应，将电能转化为机械能；柔性压电微纳操作器由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成，具有良好的压电性能和机械强度，可以抗化学和油性腐蚀，并且体积小、结构简单，能够在高精度的条件下最大程度的降低操作器对生物样本带来的损伤，极大的方便了医疗科研人员对生物医疗的研究。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，其特征在于：包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器和金属电极；所述压电自弯曲夹持结构主体与所述压电伸长功能结构垂直连接，所述压电功能微型结构传感器设置于所述压电自弯曲夹持结构主体远离所述压电伸长功能结构一侧表面及所述压电自弯曲夹持结构主体下端；

所述金属电极包括双面金属电极、单面指插型金属电极和双面指插型金属电极，所述压电自弯曲夹持结构主体下端的压电功能微型结构传感器设置所述双面金属电极，所述压电自弯曲夹持结构主体表面和其表面的所述压电功能微型结构传感器均设置单面指插型金属电极、所述压电伸长功能结构表面设置双面指插型金属电极；

所述压电自弯曲夹持结构主体表面的单面指插型金属电极、所述压电伸长功能结构表面的双面指插型金属电极分别连接操作器驱动引线，传感器引线与所述压电功能微型结构传感器上的所述单面指插型金属电极和所述双面金属电极相连接；

所述压电自弯曲夹持结构主体、所述压电伸长功能结构、所述压电功能微型结构传感器均由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成；所述PZT/SMPU柔性压电复合材料由PZT粒子与形状记忆高分子材料制成；所述形状记忆高分子为形状记忆聚氨酯SMPU，其形状记忆温度为35℃，形变恢复率超过95％。

2.一种如权利要求1所述的自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、使用三维制图软件实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；

S2、制备用于制作自主寻找式柔性压电微纳操作器的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜；

S3、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电功能微型结构传感器；

S4、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电自弯曲夹持结构主体；

S5、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电伸长功能结构的原始结构；

S6、利用加热塑形工艺，将所述步骤S3-S5制作的压电功能微型结构传感器、压电自弯曲夹持结构主体和压电伸长功能结构原始结构塑形成所述步骤S1中所设计操作器的形态；同时利用高压极化技术，将步骤S3-S5制作的各部分结构极化使其具有压电性能，完成自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备。

3.根据权利要求2所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1还包括以下步骤：

S1-1、所述自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器；设置所述功能结构的尺寸参数并将其输入所述三维制图软件中，实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；

S1-2、对设计的所述自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构的可实现性以及形状结构的加工可实施性进行分析，完善优化所述自主寻找式柔性压电微纳操作器主体结构以及加工流程。

4.根据权利要求3所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：

S2-1、称取一定质量的四氢呋喃THF作为有机溶剂、压电陶瓷粒子PZT作为添加物、形状记忆聚氨酯SMPU作为基底，形状记忆聚氨酯与四氢呋喃的质量比为1:10，压电陶瓷粒子占压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯总质量的80％；

S2-2、将所述压电陶瓷粒子与所述四氢呋喃混合，并通过超声分散混合溶液避免其中的电陶瓷粒子团聚，得到所述电陶瓷粒子与四氢呋喃的混合悬浊液，并放入转子以1200r/min的转速对所述混合悬浊液进行高速搅拌，防止分散后的电陶瓷粒子沉降团聚；

S2-3、将所述形状记忆聚氨酯加入到所述步骤S2-2中的混合悬浊液中溶解48-60小时，并对所述形状记忆聚氨酯完全溶解后的混合物进行挥发，挥发后得到SMPU:THF＝1:7、SMPU:THF＝1:9两种不同粘度的压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯的混合溶液；将所述混合溶液置于磁力搅拌器中搅拌，转速为700-1000r/min，混合均匀后静置36-60小时；

S2-4、将所述SMPU:THF＝1:7的混合溶液倾倒在铺膜机上，利用铺膜机进行铺膜操作，得到基于PZT/SMPU的柔性压电复合材料薄膜，室温定型时间6小时，待薄膜定型后依次在室温下干燥3天、在65℃烘箱下干燥3天，挥发多余有机溶剂，得到PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜，所述PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜的厚度为100-150μm。

5.根据权利要求4所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3还包括以下步骤：

S3-1、将所述步骤S2中制备的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜放入热压机中，以8MPa的压力、80℃的热压温度，热压10次，每次热压持续30min，增强内部结构的紧密性；

S3-2、根据所述步骤S1中的结构设计，将热压后的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜裁剪成T字型；

S3-3、选取刻有微型结构的硅片作为制作压电功能微型结构的模具，选取步骤S2-3中SMPU:THF＝1:9的混合溶液缓慢倒入倾斜的培养皿内，直至溶液全部覆盖硅片模具，将培养皿反复摇晃3-5次，每次5-8min，使溶液进入硅片模具中；

S3-4、根据所述步骤S1中的结构设计，将所述步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置固定在步骤S3-3中充满溶液的压电功能微型结构硅片模具正上方；将培养皿放置倾斜放置1-2小时，而后水平静置12小时；

S3-5、将所述步骤S3-4中静置定型后的压电功能微型结构先以40℃烘干36小时，再以60℃烘干7天，向烘干后的培养皿中倒入酒精脱模，并裁剪多余部分，完成所述PZT/SMPU压电功能微型结构的制作；

S3-6、将所述步骤S3-5中的压电功能微型结构根据所述步骤S1中的结构设计、利用离子溅射仪在相应的位置分别镀上双面金属电极和单面指插型金属电极，之后分别连接所述传感器引线，完成PZT/SMPU压电功能微型结构传感器的制作；所述单面指插型金属电极的电极宽度50μm、电极间距50μm，所述离子溅射仪电流大小为8mA、溅射时长为150s。

6.根据权利要求5所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4还包括以下步骤：

S4-1、根据所述步骤S1中的结构设计，将所述步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置采用离子溅射仪以8mA电流、溅射150s，镀上所述单面指插型金属电极并用所述操作器驱动引线连接引出，完成PZT/SMPU压电自弯曲夹持结构主体的制作；所述单面指插型金属电极的宽度为50μm，电极间距为50μm。

7.根据权利要求6所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5还包括以下步骤：

S5-1、根据所述步骤S1中的结构设计，将所述步骤S3-2中T字型柔性压电复合材料薄膜指定位置采用离子溅射仪以8mA电流、溅射150s，镀上所述双面指插型金属电极并用所述操作器驱动引线连接引出，完成PZT/SMPU压电伸长功能结构原始结构的制作；所述双面指插型金属电极宽度为50μm、电极间距50μm。

8.根据权利要求7所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，所述步骤S6还包括以下步骤：

S6-1、利用加热台将所述步骤S3-S5制作的压电功能微型结构传感器、压电自弯曲夹持结构主体和压电伸长功能结构的原始结构进行加热并塑形，塑型完成后用模具进行固定，得到自主寻找式柔性压电微纳操作器的原始件；

S6-2、将所述操作器驱动引线和所述传感器引线分类连接高压电源，将所述步骤S6-1中得到的所述原始件置于80℃油浴锅中并接通电源进行高压极化2小时，所述压电功能微型结构传感器与所述压电伸长功能结构处采用20kv/mm，所述压电自弯曲夹持结构主体处采用2.5kv/mm，高压极化完成后得到自主寻找式柔性压电微纳操作器。

9.一种如权利要求1所述的自主寻找式柔性压电微纳操作器在生物医疗领域的应用。

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