面向药物输送的磁液弹珠特性研究

发布时间：2020-08-10 08:03

【摘要】：液体弹珠(Liquid marbles)是由少许的微米或纳米疏水颗粒包裹的液滴,可以将其看做软固体。液体弹珠具有不润湿性,为一种不黏连体系,与固体壁面的接触角接近180°,具有很小的移动阻力。这种不润湿性的产生无需改变其接触基底的亲疏水特性。表面颗粒层的存在阻碍了液滴与基底直接接触,颗粒与固体壁面或液面之间存在空气垫,因此液体弹珠能静置于固体表面或漂浮于液面之上,并且在移动的过程中不会发生泄漏。液体弹珠具有储存微量液体的功能,类似于微小容器,相关文献中已经报道了液体弹珠的几种应用,比如作为水污染和气体检验器、微型反应器等。但是最近科研人员发现了液体弹珠在生物医学上的应用前景,它可以用作微生物或细胞培养、血型检验、药物筛选以及哺乳动物细胞的低温保存等。磁场、电场、重力场、紫外线和红外线的辐射均可诱导液体弹珠自身运动,施加这些外力场可以实现对液体弹珠的操控。由于磁场无需与液体弹珠直接接触,也无需加热影响性能等优点,即可实现非接触式磁操控,从而可以进行微量液体的定向输送。鉴于液体弹珠的特性,本文提出了利用磁液弹珠作为药物载体,并利用磁场对其进行操控,实现对药物的输送。本文对面向药物输送的磁液弹珠特性进行了研究。通过电磁场理论推导磁液弹珠在磁场下受到的磁体积力计算公式,磁液弹珠的磁体积力与体积、磁化强度和磁场梯度成正比。建立液体弹珠的静态模型,分析讨论液体弹珠不润湿性产生的原因。表面张力的存在使得液体弹珠的内外压力差与重力相平衡,使液体弹珠能够静置在固体或液体表面,分析液体弹珠半径、接触半径以及高度等形状相关参数之间的关系,通过扁平球形模型计算静态液体弹珠的接触角和表面张力。同时制备了不同工质不同体积的液体弹珠并使用微距相机拍摄其在固体壁面上的形态,最后测量其形状、接触角和表面张力等相关参数。磁液弹珠受磁场的操控在固体和液体表面上运动,实现对药物的输送。本文分别建立了固体壁面上和液体表面上的磁液弹珠的动力模型。讨论磁液弹珠在固体壁面上滚动机理,分析黏性耗散存在对磁液弹珠的速度的影响。得出磁场强度、磁性液体的磁化系数、磁液弹珠表面张力与速度成正比关系。通过实验测量了平面上的不同体积的磁液弹珠在不同强度和梯度磁场下的运动速度,通过测量滞后接触角和接触半径,得到其相关系数,分析在运动过程中形状的变化。使用高斯计对不同磁场的实际值进行了测量,并通过COMSOL进行了磁场的数值模拟,将实际测量值与理论值进行了分析对比。尝试了磁液弹珠“爬坡”操控实验,测量了在不同永磁铁下的爬坡速度,并分析了爬坡时磁液弹珠受到的磁体积力与重力之间的关系。从力学角度出发,分析液体液体弹珠浮动机理,液体弹珠的重力与浮力和表面张力相平衡并求解液面对液体弹珠的阻力公式,测量了漂浮在液面上的磁液弹珠在不同大小磁场下的速度。本文通过实验验证了利用磁场可以对固体平面上、斜面上以及漂浮在液面上的磁液弹珠进行非接触式磁操控,实现药物的定向输送,为今后使用磁液弹珠作为载体定向输送药物提供了相应的理论和实验基础。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441.6
【图文】：

磁性液体,微观物理

图 1-1 磁性液体微观物理结构通过电化学反应，磁性液体被第一次制备出来，并且多世纪，科学家们制备出了一些具有磁性能的胶体，界面活性剂选择不当等原因，磁性胶体极不稳定，故上个世纪 60 年代，磁性液体成功研制后，人们才对磁讨和研究。磁性液体的特殊性质，使得它的研究覆盖学科。随着对磁性液体研究的深入，它逐渐被应用到军工、冶金、航空、仪表等领域。目前，磁性液体因广泛应用于磁性密封。磁性密封系统由永磁铁、磁极和合磁场可以使磁性液体在环形磁极和旋转轴之间的间，同时磁性液体还可以起到润滑的作用。磁性液体密封需预紧力、低温密封等优点，因此它在动密封方面取[1]

示意图,磁性,示意图,抗癌药物

于生物以及医学临床成为可能。Widder 等提出磁性药用于肿瘤的治疗。该疗法使用磁性流体作为抗癌药物磁性液体、抗癌药物，通过改变磁场强度，磁性药物域，在该区域聚集后再进行释放，由此可以提高病灶药物成分对正常组织和细胞的毒副作用。磁性药物靶[18]通过调节微通道底部的电极电流大小生成交变磁场性流体中分离非磁性微球和活细胞的平台。在磁斥力动，最后聚集在两电极之间或者沿着通道长度方向滚时实现了对红细胞、镰状细胞以及大肠杆菌细胞精确mme 等[19]利用颗粒直径不同则磁化率也不同的这一特离。随后，Pamme 等[20]实现了将磁性微粒标记的老鼠的分离。

聚合酶链式反应,操控,液滴,磁性

控液滴是一个有前景的发展方向。同时，磁场还具有其他物理场不具备磁性液滴的磁体积力大小不受温度、表面电荷、离子强度和 PH 值的影响，磁场还可以实现对磁性液滴的非接触式操控，这在很大程度上避免了接触对液滴造成的污染。磁性物质在磁体积力的作用下会向磁场梯度密运动，这一性质意味着通过改变磁场强度和磁场方向可以精准的控制磁运动速度以及轨迹。磁场不仅可以对磁性物质产生作用，由于磁力的存以对磁性液体中的非磁性物质进行操控，这是一种理想的非接触式操控流控技术的发展，尺寸越来越小的磁体的加工成为可能，这使得磁场控微流控技术、芯片实验室及生物医学工程方面展现出广阔的研究前景。Pipper 与 Zhang 等人[25]制作了如图 1-3 所示的微磁性液滴操控装置，该永磁铁产生的磁场操控磁性液滴，实现了快速的聚合酶链式反应。首先场实现对液滴内部的目标物的提取和洗涤，随后在 H1~H4 这四个不同域内循环运动，直到完成聚合酶链式反应。他们还用该平台实现病毒检裂解、RNA 的提取和纯化。

【参考文献】