基于微流控技术的感温变色磁性Janus微球的制备及性能研究

发布时间：2020-08-28 14:20

　　微流控是处理或操纵微量流体的技术。微流控技术在微纳米材料的制备方面具有众多优势,进而使其逐渐成为制造微纳米球的主要方法。Janus微球由两种或更多种不同的材料组成,由于它的双相特性,使其在许多领域有着一定的应用前景。在利用微流控技术制备Janus颗粒的报道中,具有颜色各向异性的Janus微球由于其优异的光学性能和由磁性材料制成的Janus微球因其磁致驱动特性均引起了广泛的关注。然而,对于感温-磁性双响应Janus微球仍缺乏相关报道,其能在定向驱动和感知外界温度领域有一定的应用前景。此外,其低温响应的彩色可视化显示领域和磁-热变色耦合机制都尚待深入细致地研究。本文利用制备的微流控芯片搭建了制备丙烯酰胺液滴和聚丙烯酰胺微球的实验平台,详细探究了液滴大小与Qc、Qd的关系、液滴和颗粒的大小关系;并制备了聚丙烯酰胺微球、感温、磁性聚丙烯酰胺微球、感温-磁性聚丙烯酰胺Janus微球,并对多功能聚丙烯酰胺微球的性能进行了表征;最后,基于Janus球的磁性和感温特性,设计了一种彩色显示器。本文的主要包含以下研究内容和结果如下:1.搭建了液滴微流控平台。利用软光刻法,制备了一种无喉部的流动聚焦PDMS微流控芯片。建立了易操控、成本低的丙烯酰胺液滴、聚丙烯酰胺颗粒加工平台。制备了不同尺寸的液滴和颗粒,研究了不同情况下液滴、颗粒的尺寸,同时探究了丙烯酰胺液滴的形成机理。Qc/Qd不变时,随着Qd的增加,液滴和颗粒的长度逐渐减小。Qd固定时,它们的长度随着Qc/Qd的增加而逐渐减小。2.制备多功能聚丙烯酰胺颗粒。搭建了多功能聚丙烯酰胺颗粒制备平台。引入热致变色颗粒制备感温聚丙烯酰胺微球;引入Fe3O4颗粒制备磁性聚丙烯酰胺微球。利用永磁铁阵列制备感温-磁性聚丙烯酰胺Janus微球,使其具有磁性和感温变色特性,和两种对应的颜色。这三种微球大小均匀,粒径约为170 μm。3.表征多功能聚丙烯酰胺微球性能并制作一种彩色显示器。观测多功能聚丙烯酰胺微球的性能,主要包括磁学性能和感温变色性能。在5 ℃,15℃,25℃,35 ℃,45 ℃时,混合Janus微球的颜色分别为红色,粉红色,深蓝色,淡蓝色和白色。Janus微球会随着磁场方向的改变而转动。基于Janus微球的磁性和感温特性,通过控制磁场方向和外界温度设计了一种彩色显示器。这种显示器在磁场的控制下可以显示出特定的图案,文中设计为“USTC”。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ317
【部分图文】：

微流控,微流控芯片,芯片

图１．１邋（ａ）微流控Ｆ＞ＤＭＳ芯片ｌ３２］；邋（ｂ）复杂微流控芯片装置ＰＩ逡逑图１．１邋（ａ）所示［３２］的是一个典型的ＰＤＭＳ微流控芯片，它实现了集成波导逡逑功能。图１．１（ｂ）所示的是一个复杂微流控装置１３３］，该芯片大小只有几平方厘米，逡逑由硅胶和玻璃组成，管道较为复杂，包括高密度的气动阀，这是一个用于研究微逡逑生物种群生长的微流体恒化器。除此之外，微流控芯片还可以形成气泡并控制其逡逑大小（图１．２），在流动聚焦装置中，液体流夹住气态螺纹可以产生单分散气泡，逡逑气泡的大小和它们形成的频率由液体的流速和施加到气体上的压力控制［３４］。逡逑（ａ）逦ｐ逦ｆｋ逡逑Ｉｋｊｕｋｈ＾邋逦＊—逡逑ＷｔＷｒＷｆｆｌＷ逡逑图１．２产生气泡的微流控芯片［３４］逡逑微流控技术在医疗和诊断系统的应用越来越受到重视，图１．３所示芯片可以逡逑用于免疫测定，其简单、低廉且易于操作，可以在资源贫瘠的环境中加以应用，逡逑这个芯片装置上的螺钉（虚线处）作为简单的手动操作阀门，绿色水表示通道［３５：１。逡逑１０逡逑

微流控芯片,成本低廉,生物学

逑１邋＿Ｂ＃」逡逑图１．３用于免疫测定的微流控芯片ｌ３５〗逡逑ＰＤＭＳ的生物相容性使得其在细胞生物学领域有很多应用。图１．４邋（ａ）所示逡逑的微流控芯片被用来培养肾上皮细胞［％。利用微流控芯片还可以重建肝脏微结逡逑构（图１．４邋（ｂ）），该微系统的功能单元由中央肝细胞培养室和周围营养物流动通逡逑道组成，营养物流动通道由微制造的屏障结构分隔，且屏障通道宽度约为２邋ｐｍ，逡逑模拟了肝细胞和肝细胞之间的高渗透内皮屏障。这种仿生装置非常接近真实的肝逡逑窦中营养物和废物的运输，并为分化状态下的原代肝细胞维持更为有利的环境。逡逑图１．４邋（ｃ）所示的微流控装置被用来研宄肿瘤细胞和内皮细胞之间的异型相互作逡逑用，其允许细胞在通过填充有３Ｄ原凝胶的支架通道（粉色通道）连接的两个单逡逑独的微通道中培养。可以更好地理解重要的疾病过程，例如癌症进展期间的血管逡逑生成和癌细胞侵袭。逡逑Ｉ逦ｒ：逡逑Ｓ￡ｒ＞ａ0ｔｒ＞６；ｉａ；逦＞Ａｃｆ0１Ｕ＊ｄｋ：逡逑ｃＨ邋ｂａｒ＾邋Ｅ＊３６ＰＩ邋■邋Ｉ邋ＢＬ逦：逡逑｜Q7W一W逡逑图１．４应用于生物学领域的微流控芯片逡逑综上，微流控芯片具有操作简易、加工迅速、精度高、成本低廉等特点，使逡逑其能够广泛使用。更为重要地是，微流控芯片小型化和平面化使得生物、化学过逡逑１１逡逑

免疫测定,微流控芯片

１邋＿Ｂ＃」逡逑图１．３用于免疫测定的微流控芯片ｌ３５〗逡逑ＰＤＭＳ的生物相容性使得其在细胞生物学领域有很多应用。图１．４邋（ａ）所示逡逑的微流控芯片被用来培养肾上皮细胞［％。利用微流控芯片还可以重建肝脏微结逡逑构（图１．４邋（ｂ）），该微系统的功能单元由中央肝细胞培养室和周围营养物流动通逡逑道组成，营养物流动通道由微制造的屏障结构分隔，且屏障通道宽度约为２邋ｐｍ，逡逑模拟了肝细胞和肝细胞之间的高渗透内皮屏障。这种仿生装置非常接近真实的肝逡逑窦中营养物和废物的运输，并为分化状态下的原代肝细胞维持更为有利的环境。逡逑图１．４邋（ｃ）所示的微流控装置被用来研宄肿瘤细胞和内皮细胞之间的异型相互作逡逑用，其允许细胞在通过填充有３Ｄ原凝胶的支架通道（粉色通道）连接的两个单逡逑独的微通道中培养。可以更好地理解重要的疾病过程，例如癌症进展期间的血管逡逑生成和癌细胞侵袭。逡逑Ｉ逦ｒ：逡逑Ｓ￡ｒ＞ａ0ｔｒ＞６；ｉａ；逦＞Ａｃｆ0１Ｕ＊ｄｋ：逡逑ｃＨ邋ｂａｒ＾邋Ｅ＊３６ＰＩ邋■邋Ｉ邋ＢＬ逦：逡逑｜Q7W一W逡逑图１．４应用于生物学领域的微流控芯片逡逑综上，微流控芯片具有操作简易、加工迅速、精度高、成本低廉等特点，使逡逑其能够广泛使用。更为重要地是，微流控芯片小型化和平面化使得生物、化学过逡逑１１逡逑

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