电磁调控的柔性液滴输运机理与实验研究
发布时间：2021-07-22 11:03
微纳米马达可在狭小空间内完成诸多任务,是小尺度目标精确操控的重要工具。过去十年,微纳米马达已逐步实现了高精度的自动控制功能。同时,通过与材料领域的交叉结合,直接实现了其在材料中的传感、驱动与控制。需要指出的是,与材料学领域结合的微纳米马达已经兼具了形变特性,成为典型的柔性微纳米机器人。目前,柔性微纳米机器人多为片状或线形结构,外界刺激可以使微纳米机器人实现弯曲、转向等灵活的变形操作。但是此类机器人在面对比自身尺寸更为狭小的通道结构时,则无法顺利通过。基于此,本文设计一种磁导向柔性液滴,通过向液滴中加入纳米镍粉颗粒,使其能够在磁场控制下稳定的通过狭缝通道,并结合电控实验,证明其在医疗领域的应用意义。首先,对柔性液滴的生成、变形和电场操纵等行为进行理论推导。结合多相流微流体理论,对滴流模式下液滴成形机理进行分析,并进一步推导出液滴直径的预测公式;对磁导向柔性液滴在磁场作用下,通过狭缝结构时不同情况下的变形受力进行阐述;依据电动流体力学理论,深入研究了双乳液滴内核释放以及液滴融合的电场操纵机理。其次,在理论研究的基础上,建立柔性液滴生成和变形仿真模型。利用相场的方法,构建液滴的生成模型分析液...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多种方法制备微纳米机器人
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5图案，去除牺牲层后，带状图案自动弯曲成螺旋形，最后再与Cr/Ni/Au薄膜制备的软磁头相结合，制备螺旋形机器人，如图1-3a)所示。该装置能够完成六个自由度的操作。2014年，Gao等人[48]通过从植物根茎中提取螺旋形状结构，依次在其表面涂抹Ni层和Ti层，分别获得磁驱动能力和改善粘性阻力特性，如图1-3b)所示。为螺旋形机器人的大量制备提供了新方法。2015年，Kostarelos等人[49]利用旋转磁场，成功实现了在小鼠体内实现了群体螺旋形微纳米机器人的驱动。a)卷成技术制备螺旋结构机器人[47]b)植物根茎制备螺旋结构机器人[48]图1-3螺旋结构微纳米机器人近年来，通过与高分子聚合物材料相联合，微纳米机器人具备了柔软的特性。2016年，Li等人[50]使用光刻技术制作了双层水凝胶结构的柔性微米机器人。PEGDA水凝胶中包裹Fe3O4纳米颗粒用于机器人在磁场下的驱动，另一层为PHEMA水凝胶，该凝胶会随着环境PH值的变化而改变形态。柔性微米机器人在pH值为9.58时表现出完整的捕获运动，在pH值为2.6时表现出展开运动，如图1-4a)所示。该机器人在碱性溶液中抓捕抗癌药物，在磁场驱动下运动到癌细胞环境中，成功实现靶向药物的运输，完成了乳腺癌细胞毒性试验。2018年，Lee等人[51]使用海藻酸钠-NIPAM的水凝胶混合材料制作螺旋结构微米机器人。该混合材料中包含磁性纳米颗粒，用于机器人在旋转磁场下的驱动；该机器人在高温下（45°C），会失水收缩，在低温下（23°C）会从周围环境中吸收水分膨胀，如图1-4b)所示。借此特性实现药物低温下的封装以及高温下的释放。2018年，Etriby等人[52]制作了蝌蚪结构的柔性机器人，体内包含磁性纳米颗粒。该机器人由头部和尾部两部分组成，头部用来导向，尾部在
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文7图1-5电润湿方式操控液滴[54]非接触式操控液滴主要通过电致融合原理。相比于接触式操纵会受到实验芯片以及加工工艺的限制，电致融合方法拥有对连续性大通量液滴操控的优势[56]。根据电致融合现象操纵液滴最早是在石油领域[57,58]。开采的原油中会有水相，因为油水不混溶，水相在原油中往往以液滴的形式存在。在石油的后续处理阶段，需要进行油水分离，就需要将水相进行融合、聚团和沉淀等操作。在原油中插入电极施加高压电，水滴会在电极之间呈现链式排列。随后，离散的液滴逐渐融合沉积在原油底部。液滴微流控技术的提出使液滴融合具有了全新的应用价值。液滴在芯片中常被用作反应器[59-61]，而液滴融合是两种不同反应物接触、混合和反应的重要过程。Chabert等人[62]于2005年利用电致融合技术率先在微通道内实现了水相液滴之间的接触融合。在后续的工作中，学者们向液滴中包含了不同种类的反应物，来实现液滴作为微反应器的应用价值。本课题组的贾延凯博士[63]完成了三核双乳液滴在电场作用下的顺序融合。融合顺序可根据内核的体积来精确控制，如图1-6所示。在电导率相同的条件下，两个体积较大的内核先融合，再与第三个内核融合。融合顺序也可以根据内核的电导率来精确控制。在体积近似相同的条件下，较大电导率的内核先融合再与第三个内核相融。双乳液液滴中进行的微反应由油壳保护，油壳将试剂与外部环境隔离，避免可能的交叉污染。图1-6液滴多个内核顺序融合示意图[63]
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米金属Ni的饱和磁化强度和居里温度的尺寸依赖效应[J]. 李平云,操振华,陆海鸣,孟祥康. 南京大学学报(自然科学版). 2009(02)
硕士论文
[1]基于双乳液滴的导向性微胶囊制备及内核可控释放研究[D]. 赵艳鑫.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3297031
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多种方法制备微纳米机器人
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5图案，去除牺牲层后，带状图案自动弯曲成螺旋形，最后再与Cr/Ni/Au薄膜制备的软磁头相结合，制备螺旋形机器人，如图1-3a)所示。该装置能够完成六个自由度的操作。2014年，Gao等人[48]通过从植物根茎中提取螺旋形状结构，依次在其表面涂抹Ni层和Ti层，分别获得磁驱动能力和改善粘性阻力特性，如图1-3b)所示。为螺旋形机器人的大量制备提供了新方法。2015年，Kostarelos等人[49]利用旋转磁场，成功实现了在小鼠体内实现了群体螺旋形微纳米机器人的驱动。a)卷成技术制备螺旋结构机器人[47]b)植物根茎制备螺旋结构机器人[48]图1-3螺旋结构微纳米机器人近年来，通过与高分子聚合物材料相联合，微纳米机器人具备了柔软的特性。2016年，Li等人[50]使用光刻技术制作了双层水凝胶结构的柔性微米机器人。PEGDA水凝胶中包裹Fe3O4纳米颗粒用于机器人在磁场下的驱动，另一层为PHEMA水凝胶，该凝胶会随着环境PH值的变化而改变形态。柔性微米机器人在pH值为9.58时表现出完整的捕获运动，在pH值为2.6时表现出展开运动，如图1-4a)所示。该机器人在碱性溶液中抓捕抗癌药物，在磁场驱动下运动到癌细胞环境中，成功实现靶向药物的运输，完成了乳腺癌细胞毒性试验。2018年，Lee等人[51]使用海藻酸钠-NIPAM的水凝胶混合材料制作螺旋结构微米机器人。该混合材料中包含磁性纳米颗粒，用于机器人在旋转磁场下的驱动；该机器人在高温下（45°C），会失水收缩，在低温下（23°C）会从周围环境中吸收水分膨胀，如图1-4b)所示。借此特性实现药物低温下的封装以及高温下的释放。2018年，Etriby等人[52]制作了蝌蚪结构的柔性机器人，体内包含磁性纳米颗粒。该机器人由头部和尾部两部分组成，头部用来导向，尾部在
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文7图1-5电润湿方式操控液滴[54]非接触式操控液滴主要通过电致融合原理。相比于接触式操纵会受到实验芯片以及加工工艺的限制，电致融合方法拥有对连续性大通量液滴操控的优势[56]。根据电致融合现象操纵液滴最早是在石油领域[57,58]。开采的原油中会有水相，因为油水不混溶，水相在原油中往往以液滴的形式存在。在石油的后续处理阶段，需要进行油水分离，就需要将水相进行融合、聚团和沉淀等操作。在原油中插入电极施加高压电，水滴会在电极之间呈现链式排列。随后，离散的液滴逐渐融合沉积在原油底部。液滴微流控技术的提出使液滴融合具有了全新的应用价值。液滴在芯片中常被用作反应器[59-61]，而液滴融合是两种不同反应物接触、混合和反应的重要过程。Chabert等人[62]于2005年利用电致融合技术率先在微通道内实现了水相液滴之间的接触融合。在后续的工作中，学者们向液滴中包含了不同种类的反应物，来实现液滴作为微反应器的应用价值。本课题组的贾延凯博士[63]完成了三核双乳液滴在电场作用下的顺序融合。融合顺序可根据内核的体积来精确控制，如图1-6所示。在电导率相同的条件下，两个体积较大的内核先融合，再与第三个内核融合。融合顺序也可以根据内核的电导率来精确控制。在体积近似相同的条件下，较大电导率的内核先融合再与第三个内核相融。双乳液液滴中进行的微反应由油壳保护，油壳将试剂与外部环境隔离，避免可能的交叉污染。图1-6液滴多个内核顺序融合示意图[63]
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米金属Ni的饱和磁化强度和居里温度的尺寸依赖效应[J]. 李平云,操振华,陆海鸣,孟祥康. 南京大学学报(自然科学版). 2009(02)
硕士论文
[1]基于双乳液滴的导向性微胶囊制备及内核可控释放研究[D]. 赵艳鑫.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3297031
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