具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器及其制备方法，所述微驱动器是由聚合物基体材料和纳米磁性催化颗粒组成的微颗粒，纳米磁性催化颗粒由磁性纳米颗粒和负载在磁性纳米颗粒上的催化剂组成，聚合物基体材料中具有微米级孔和纳米级孔，微米级孔由两个球形空腔连通形成且两个球形空腔均开口于微颗粒表面，纳米磁性催化颗粒分布在其中一个球形空腔在微颗粒表面的开口处周围的聚合物基体材料中。本发明专利技术可在提高微驱动器的功能表面积的同时提高其传质速率，增加污染物的捕获及降解效率，同时可简化微驱动器的制备工艺、降低生产成本和实现连续生产。

Bubble-propelled micro-actuator with micron/nano hierarchical porous structure and its preparation method

The invention provides a bubble-propelled micro-actuator with a micron/nano hierarchical porous structure and a preparation method thereof. The micro-actuator is a micro-particle composed of a polymer matrix material and a nano-magnetic catalytic particle. The nano-magnetic catalytic particle is composed of a magnetic nanoparticle and a catalyst loaded on the magnetic nanoparticle. The polymer matrix material has micron-sized pore and nano-scale. The nano-magnetic catalytic particles are distributed in the polymer matrix material around the opening of one of the spherical cavities on the surface of the micro-particles. The invention can improve the function surface area of the micro-actuator and its mass transfer rate, increase the efficiency of pollutant capture and degradation, simplify the preparation process of the micro-actuator, reduce the production cost and realize continuous production.

【技术实现步骤摘要】
具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器及其制备方法
本专利技术属于微驱动器领域，涉及一种具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器及其制备方法。
技术介绍
近年来，能利用化学能来实现自驱动的微驱动器在水修复、药物传送、货物运输、检测与分析、环境监测等领域都受到了广泛关注。具有分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器在高效水处理方面具有重要的作用，其气泡推进型运动可以促进传质、其分级式多孔结构可有效地捕捉污染物。这些微驱动器通过利用Ag、Mg、Zn、Pt以及过氧化氢酶等活性物质来分解化学燃料形成气泡，通过气泡推动型运动来强化流体湍动，从而有效降解或捕获污染物。气泡推进型微驱动器通常可通过基于对其能分解化学物质产生气泡的“活性”材料和不能分解化学物质产生气泡的“惰性”材料进行非对称结构设计来制备。如DanielaA.Wilson等通过透析将球型聚合物囊泡变形为口型红细胞状结构，制备得到了内腔中包裹有Pb纳米颗粒和过氧化氢酶等活性材料的超分子微驱动器。但这种方法受限于较窄的材料选择范围以及较低的活性材料封装率，并且在这种聚合物囊泡微驱动器中难以构建分级式多孔结构。与上述方法相比，更常用方法是通过基于电化学或无电镀的沉积技术以及薄膜卷曲技术来制备气泡推进型微驱动器。通过将不同的惰性材料和活性材料先后沉积在牺牲层薄膜模板的直通孔内再去除膜模板，或者沉积在牺牲层基材上再去除基材进行薄膜卷曲，可以制备出具有活性物质内层的管状微驱动器。由于这种方法制备的管状微驱动器的管壁很薄，因此在其管壁中难以构建分级式多孔结构。通过在颗粒模板(如多孔碳微球和多孔SiO2微球)的上半部分选择性地涂覆活性材料，可制备得到半球表面具有活性物质的Janus型微驱动器。相反地，通过在活性材料颗粒的上半部分涂覆惰性材料亦可以制备得到暴露出下半部分活性材料半球的微驱动器。然而，这些基于沉积或薄膜卷曲的方法通常需要复杂的多步工艺来设计微驱动器的非对称结构。利用微流控技术对多重乳液液滴尺寸、结构和组成的精确控制，可以在乳液各相中精巧地结合活性材料和惰性材料，以连续地一步模板合成气泡推进型微驱动器。例如，通过以内含Fe@Pt纳米颗粒的乳液液滴为模板，可制备出底部组装结合有Fe@Pt纳米颗粒的球形壳聚糖微驱动器。使用各相中含有不同功能纳米颗粒的θ形乳液液滴作为模板，可制备出顶部表面具有TiO2纳米颗粒、底部表面具有银纳米颗粒的非球形聚合物微驱动器。然而，如上所述，虽然使用不同方法已制备出了多种气泡推进型微驱动器，但它们不具备分级式多孔结构，且往往需要复杂的多步制备方法。具有微米/纳米分级式多孔结构的微颗粒驱动器，其纳米尺寸的孔能为分子与多孔结构间的相互作用提供较大的功能比表面积；而其微米尺寸的孔则对分子(特别是生物大分子)具有较小的流体动力学阻力，有利于生物大分子快速进出其多孔结构。因此，开发出具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微颗粒驱动器，其分级式多孔结构结构既能增大功能表面积又能提高传质速率，对提高污染物的捕获及降解效率将产生积极的意义，在水处理领域具有很大的应用前景。若能开发出工艺简单、成本低廉的方法实现具有可控的微米/纳米分级式多孔结构结构的气泡推进型微颗粒驱动器的连续制备，对于气泡推进型微驱动器的推广应用将产生积极的推动作用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，以在提高微驱动器功能表面积的同时提高其传质速率，从而提高污染物的捕获及降解效率，本专利技术的目的之二是提供具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器的制备方法，以简化制备工艺、降低生产成本和实现连续生产。本专利技术提供的具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，该微驱动器是由聚合物基体材料和纳米磁性催化颗粒组成的微颗粒，聚合物基体材料为聚乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，纳米磁性催化颗粒由磁性纳米颗粒和负载在磁性纳米颗粒上的催化剂组成，聚合物基体材料中具有微米级孔和纳米级孔，微米级孔由两个球形空腔连通形成且两个球形空腔均开口于微颗粒表面，纳米磁性催化颗粒分布在其中一个球形空腔在微颗粒表面的开口处周围的聚合物基体材料中。上述具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器的技术方案中，所述纳米磁性催化颗粒的磁性纳米颗粒上负载的催化剂为能催化过氧化氢分解的催化剂。优选地，纳米磁性催化颗粒的磁性纳米颗粒上负载的催化剂包括Ag、MnO2以及Pt。上述具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器的技术方案中，所述微驱动器中纳米磁性催化颗粒上负载的催化剂的种类和含量根据实际应用需求进行确定，通常微驱动器中纳米磁性催化颗粒的含量为0.5wt.％～2.0wt.％。上述具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器的技术方案中，该微驱动器的粒径、微驱动器中构成微米级孔的两个球形空腔的尺寸以及球形空腔的开口尺寸可以根据实际应用需求进行调整，优选地，该微驱动器的粒径为200～1000μm，相应地，组成微米级孔的两个球形空腔的直径为100～500μm。上述具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器的技术方案中，微驱动器的基体材料中还包括功能纳米粒子，例如在微驱动器的基体材料上可以引入功能纳米粒子，更具体地，可以将巯基改性的SiO2纳米颗粒引入到基体材料上，赋予微驱动器更好的特异性吸附多种重金属离子的性能，也可以将TiO2纳米颗粒引入到基体材料上，赋予微驱动器更好的降解有机污染物的性能。功能纳米粒子可以接枝在基体材料上，也可以是共混在基体材料中。本专利技术还提供了上述具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器的制备方法，包括以下步骤：(1)配制内相、中间相、外相流体和收集液配制内相流体：将水溶性表面活性剂溶解于水中即得内相流体A，内相流体A中水与水溶性表面活性剂的质量比为1:(0.005～0.05)；将水溶性表面活性剂和丙三醇溶解于水中即得内相流体B，内相流体B中，水、水溶性表面活性剂与丙三醇的质量比为1:(0.005～0.05):(1～1.5)；配制中间相流体：将乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、苯甲酸苄酯、油溶性表面活性剂、光引发剂、纳米磁性催化颗粒混合均匀即得中间相流体，中间相流体中，乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与苯甲酸苄酯的体积比为(5～7):(5～3)，每1mL乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与苯甲酸苄酯的混合物中含有0.2～0.5g油溶性表面活性剂、0.01～0.1mL光引发剂、0.005～0.02g纳米磁性催化颗粒；内相流体A的密度小于中间流体的密度，中间相流体的密度小于内相流体B的密度；配制外相流体和收集液：外相流体与收集液的配制方法与内相流体A的配制方法相同；(2)制备具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器将内相流体A、内相流体B、中间相流体分别用注射泵注入微流体装置的过渡管中，同时将外相流体用注射泵注入微流体装置的收集管中，在收集管中形成单分散的水包油包两个不同水核的双重乳液，采用盛有收集液的容器收集所述双重乳液，在收集容器下方施加磁场并静置2～5min，然后用紫外光照射引发双重乳液进行聚合反应，得到具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器；该步骤中，控制内相流体A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，其特征在于，该微驱动器是由聚合物基体材料和纳米磁性催化颗粒组成的微颗粒，聚合物基体材料为聚乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，纳米磁性催化颗粒由磁性纳米颗粒和负载在磁性纳米颗粒上的催化剂组成，聚合物基体材料中具有微米级孔和纳米级孔，微米级孔由两个球形空腔连通形成且两个球形空腔均开口于微颗粒表面，纳米磁性催化颗粒分布在其中一个球形空腔在微颗粒表面的开口处周围的聚合物基体材料中。

【技术特征摘要】
1.一种具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，其特征在于，该微驱动器是由聚合物基体材料和纳米磁性催化颗粒组成的微颗粒，聚合物基体材料为聚乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，纳米磁性催化颗粒由磁性纳米颗粒和负载在磁性纳米颗粒上的催化剂组成，聚合物基体材料中具有微米级孔和纳米级孔，微米级孔由两个球形空腔连通形成且两个球形空腔均开口于微颗粒表面，纳米磁性催化颗粒分布在其中一个球形空腔在微颗粒表面的开口处周围的聚合物基体材料中。2.根据权利要求1所述的具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，其特征在于，纳米磁性催化颗粒的磁纳米颗粒上负载的催化剂为能催化过氧化氢分解的催化剂。3.根据权利要求2所述的具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，其特征在于，纳米磁性催化颗粒的磁性纳米颗粒上负载的催化剂包括Ag、MnO2以及Pt。4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，其特征在于，该微驱动器中纳米磁性催化颗粒的含量为0.5wt.％～2.0wt.％。5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，其特征在于，该微驱动器的粒径为200～1000μm。6.根据权利要求5所述的具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，其特征在于，组成微米级孔的两个球形空腔的直径为100～500μm。7.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，其特征在于，该微驱动器的基体材料中还包括功能纳米粒子。8.权利要求1所述的具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)配制内相、中间相、外相流体和收集液配制内相流体：将水溶性表面活性剂溶解于水中即得内相流体A，内相流体A中水与水溶性表面活性剂的质量比为1:(0.005～0.05)；将水溶性表面活性剂和丙三醇溶解于水中即得内相流体...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏瑶瑶，汪伟，褚良银，张茂洁，邓传富，彭减，刘壮，巨晓洁，谢锐，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51