Pt自驱动微纳米机器人动力学研究

摘要

微纳米机器人在医疗、生物工程、环境保护等领域有广泛的潜在应用，受到社会各界的广泛关注。其中最具研究价值的是基于微纳米机器人作为给药载体的癌细胞靶向治疗。目前靶向治疗和放、化疗杀死癌细胞对正常细胞也有损害。基于具有生物相容性的微纳米机器人的靶向治疗能够在人体内自发、定向、可控、准确地运动到癌细胞处靶向给药。因为微纳米机器人尺寸微小（小于100μm）而形成尺度效应，有些传统理论将无法应用在微纳米机器人上。
　　微纳米机器人按照驱动方式与控制方法可划分为两类：外场驱动和化学自驱动。其中外场驱动控制一般基于磁场、近红外场等，不仅对于外部设备、仪器要求较高，通常还需要CT等观测设备，对正常细胞具有一定的破坏性。化学自驱动微纳米机器人因无需外场、加工简单、成本低等优势，越来越受到世界各国研究者的关注。
　　本论文面向癌症靶向治疗，基于化学自驱动原理，研究铂金（Pt）自驱动微纳米机器人在过氧化氢（H2O2）溶液中的运动机理。基于微观力学、尺度效应理论对微纳米机器人进行受力分析。微纳米机器人重力数量级远小于粘滞力数量级而忽略不计，并且布朗力方向是随机的，在微纳米机器人运动中主要改变运动方向，运动阻力主要是粘滞力。基于微纳米机器人驱动原理、运动学定律和以上理论分析，建立Pt双金属和单金属自驱动微纳米机器人运动模型，有双金属（Pt/Au）自电泳驱动棒状微纳米机器人直线运动、Z型微纳米机器人自旋转运动；单铂金化学自驱动△型微纳米机器人受力平衡和V型微纳米机器人圆周运动。
　　为制备上述四种不同形状与材质的微纳米机器人，本论文开发了结合聚焦离子束（FIB）技术和等离子溅射技术的Pt自驱动微纳米机器人制备方法。利用扫描电子显微镜（SEM）能量弥散X射线散射方法（EDX）对双金属微纳米机器人金属层纯度进行检测：Pt层纯度94.28wt％，Au层纯度82.75wt%。针对微纳米机器人操作难、释放难、跟踪难等问题，建立了基于微纳操作器、钨探针的实验操作模块和光学倒置显微镜、高速CCD的视觉跟踪反馈系统的实验操作平台，应用双操作器合作剥离与振动释放微纳米机器人的方法，实现了微纳米机器人的可靠操作、释放与跟踪。
　　在所搭建实验平台基础上，实施了四种Pt自驱动微纳米机器人运动学实验，得到了Pt/Au复合金属棒状微纳米机器人最大直线运动速度为4μm/s；Pt/Au复合金属Z型微纳米机器人最大自转转速为19rpm；45°、90°和135°三种单铂金△型微纳米机器人平衡了驱动力和布朗力，可有效保持初始位置；90°单铂金V型微纳米机器人最大圆周运动线速度和最大当量直径为3.42μm/s和37.1μm；135°单铂金V型微纳米机器人因驱动力小于粘滞力而不产生圆周运动。
　　针对微纳米机器人难以固定测量驱动力，本论文基于斯托克粘滞力定律、牛顿第二运动定律、四种Pt自驱动微纳米机器人运动模型以及实验结果反推出四种微纳米机器人驱动力，驱动力数量级在10-14N到10-13N之间。
　　以上实验结果达到了验证本文理论运动模型效果，为未来微纳米机器人靶向治疗理论与应用研究奠定了基础。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 微纳米机器人的研究现状

1.3 课题研究目的和研究内容

1.4 本章小结

第二章 Pt自驱动微纳米机器人力学分析

2.1 Pt自驱动微纳米机器人在液体环境中受力分析

2.2 Pt/Au复合金属棒状微纳米机器人力学分析

2.3 Pt/Au复合金属Z型微纳米机器人力学分析

2.4单铂金△型微纳米机器人力学分析

2.5单铂金V型微纳米机器人力学分析

2.6本章小结

第三章Pt自驱动微纳米机器人制备以及操作平台搭建

3.1 Pt自驱动微纳米机器人的制备方案

3.2 Pt自驱动微纳米机器人制备技术

3.3 Pt自驱动微纳米机器人实验操作平台搭建

3.4本章小结

第四章 Pt自驱动微纳米机器人实验研究与分析

4.1 Pt/Au复合金属棒状微纳米机器人

4.2 Pt/Au复合金属Z型微纳米机器人

4.3 单铂金△型微纳米机器人实验研究与分析

4.4单铂金V型微纳米机器人

4.5四种Pt自驱动微纳米机器人动力特性比较

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论文和获奖情况

致谢