定制化磁性微螺旋马达运动规律和体外动脉栓塞清除研究

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磁性微螺旋由于具有独特的三维螺旋结构和磁性响应在很多领域得到了广泛的应用,如药物递送、细胞操作等。但是传统的磁性微螺旋制备方法如卷曲法、模板法和掠角沉积法都无法实现结构和尺寸可调,这限制了其进一步性能优化提升。我们利用高精度面投影微立体光刻技术定制化制备了结构和尺寸可调的磁性微螺旋,系统地研究了其运动规律,发现微螺旋越粗越短头越尖,运动速度越快,而且进一步研究发现磁性微螺旋在一维管道中运动速度也会增加,因此能够更有效的清除体外血管栓塞。本课题利用高精度面投影微立体光刻技术有效打印了具有微结构(最小结构尺寸为10μm)的微流道。基于上述实验,我们进一步制备了结构和尺寸不同的微螺旋(底面圆直径为100μm、150μm、200μm、250μm,圈数为2圈、3圈、4圈,锥度为0°-16°),并通过镀镍法在微螺旋的外部镀镍,实现了微螺旋的磁性功能化。随后,在磁场的驱动下,探究底面圆直径的增加、圈数减少和锥角增大对磁性微螺旋马达运动性能的增强作用,探究发现底面圆直径从100μm增大至250μm,可将磁性微螺旋马达的运动速度由0.08mm/s提升至0.09 mm/s,速度提升约10%;圈数由4圈减小到2圈,可以将马达的速度从0.04 mm/s提升至0.12 mm/s,速度提升约200%;锥角由0°增大至16°,可以将马达的运动速度由0.04 mm/s提升至0.09 mm/s,提升约100%。因此可以通过调整微螺旋的结构得到最优参数的磁性微螺旋马达。同时,在系统研究其运动规律过程中,我们发现在一维限域管道中,当管道直径由600μm减小至300μm时,微螺旋马达运动速度由0.09 mm/s提升到0.18mm/s,速度提升了100%。综上,通过参数调节以及限域作用,可以将微螺旋马达的运动速度提升约300%。最后,我们选取底面圆直径为200μm、圈数为3圈的磁性微螺旋马达模拟体外栓塞清除,将其置于直径300μm的一维管道中,在频率为10 Hz的磁场作用下,以0.11 mm/s的速度成功推动直径约为150μm、重约0.04 mg的血块,成功模拟了体外栓塞清除实验。本课题利用高精度面投影微立体光刻机制备了结构和尺寸可调磁性微螺旋,系统地研究了其运动规律,成功实现了其对体外血管栓塞的清除,为混合药物递送、靶向治疗、体内血管栓塞清除提供了更有效的工具。
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