用于心肌细胞收缩力检测的微悬臂磁电传感器研究

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心脏疾病的治疗中,药物治疗是重要的治疗手段,药物的副作用往往会导致心率失常、心率不齐等症状。因此高效经济地检测心脏药物的毒副作用是必要的。目前微悬臂传感器在这一领域的相关研究成为前沿热点。在微悬臂传感器中,初生小白鼠心肌细胞培养于微悬臂梁上,其成熟后自发跳动带动微悬臂梁振动,通过检测微悬臂梁的振动性能反应细胞的活性。微悬臂传感器中梁的振动检测与数据输出是研究中的难点。本文针对这一问题进行了探索研究,提出基于电磁感应的微悬臂磁电传感器,主要讨论内容有:(1)为进一步提高微悬臂传感器的检测性能,增大微悬臂梁的弯曲位移,降低检测难度,文中提出了穿孔型微悬臂梁数值模型,并基于COMSOL软件进行有限元仿真计算及Stoney公式进行数值计算。结果表明提出的数值模型与有限元仿真计算结果吻合良好,即使孔隙率达到14.7%,数值计算结果与仿真模拟结果的最大误差也不超过4%。基于两种计算方法就各物性参数(微悬臂材料杨氏模量、尺寸、心肌细胞收缩力的大小等)对微悬臂梁位移的影响进行了探讨。在穿孔微悬臂模型中进一步研究了孔隙率(孔径、孔距)对微悬臂传感器检测性能的影响。结果显示穿孔的微悬臂梁相较于无孔微悬臂梁振动位移进一步提高,提高幅度与孔隙率相关,由于拥有更大的振动位移表明穿孔微悬臂传感器巨大的应用潜力。(2)为解决微线圈在微悬臂梁上的集成困难问题,本文提出了基于皮秒激光加工设备的微电路设计集成方法。为了验证此种加工方法的可行性与准确性,本文在多种材料上进行了验证性实验,结果表明在PDMS、Ecoflex、PU膜、PVC板上微电路的线宽、线间距在50μm量级上具备良好的准确性,3M双面胶材料上线宽最小可以达到100μm量级。数据表明此种微电路设计加工方法可以实现微悬臂磁电传感器的电路设计需要。(3)基于提出的微电路加工方式,设计制备了PDMS材料的微悬臂磁电传感器,并搭建了性能检测平台。检测平台主要由任意波发生器、激振器、高精度数显万用表组成。通过激振器在微悬臂梁上施加方波、锯齿波、三角波、正弦波等不同波形的激励模拟心肌细胞的搏动进而检测微悬臂传感器的性能。实验结果表明微悬臂梁在运动激励下线圈产生感应电压且具有突变性,这表明微悬臂磁电传感的可行性及应用潜力。
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