一种基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人及控制方法，所述注射微机器人，包括：圆台(1)、磁化空心圆柱(2)、圆锥形玻璃针头(3)；所述圆台(1)的下底面上开有一凹槽(4)，所述凹槽(4)的直径为100

【技术实现步骤摘要】
一种基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人及控制方法


[0001]本专利技术涉及微纳米操作
，具体涉及一种基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人及控制方法。

技术介绍

[0002]显微注射是一种在生物医学研究和医疗保健中起重要作用的技术，因其将内容物从小分子转移到大分子和从细胞器转移到细胞的直接性而受到青睐。
[0003]但是，细胞注射只能在体外执行，并且注射的效率和成功率不高。由于磁场具有远程操控的功能，所以用磁场来控制药物传递是一种有效的方法。
[0004]磁性靶向方法主要利用外部磁场将载药的磁行载体输送到目标部位，这些药物载体可以被大量运送到组织/器官。但是，这种方法仅适用于治疗浅表的疾病，对于深部组织具有很高的挑战性，并且未在临床实践中使用。此外，在现有的磁性靶向输送的过程中，输送的药物一般为单个固体，而粉末颗粒或者液体很难输送。因此需要专利技术一种新的细胞注射装置来克服上述缺点。
[0005]因此，需要一种在微尺度范围内简单、有效的微机器人和控制方法来实现药物的靶向输送。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人及控制方法，能够解决注射控制时驱动力不足以及注射精度难于控制的技术问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的。
[0008]一种基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人，包括：
[0009]圆台(1)、磁化空心圆柱(2)、圆锥形玻璃针头(3)；
[0010]所述圆台的下底面上开有一凹槽，所述凹槽的直径为100
‑
1000μm，深度为200
‑
1000μm，所述圆锥形玻璃针头的底面插入到所述磁化空心圆柱的一端，所述圆台的上底插入所述磁化空心圆柱的另一端；所述圆台的外径与所述磁化空心圆柱的内径相匹配，所述圆锥形玻璃针头3的底面外径与所述磁化空心圆柱的内径相匹配。
[0011]优选地，所述圆台的材质为柔性树脂，通过3D打印机进行打印成型，圆台的下底面外径为800
‑
1500μm，圆台的高为500
‑
1500μm。
[0012]优选地，所述磁化空心圆柱的制备方法为：将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和钕铁硼(NdFeB)微粒按照质量比例为1:1
‑
1.5进行混合，混合后注入到玻璃成型模具中，注入完成后在60
‑
70℃的温度下进行固化成型，固化时间为20
‑
30min，固化完成后脱模得到空心圆柱，得到的空心圆柱放置在1.5
‑
2.0T的磁场中进行磁化，磁化时间为5
‑
10min，得到磁化空心圆柱，磁化空心圆柱中的磁矩垂直于其轴线；磁化空心圆柱的内径为400
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1000μm，外径为500
‑
1200μm，长度为2000
‑
5000μm。
[0013]优选地，所述圆锥形玻璃针头的制备方法为：获取所述圆锥形玻璃针头的目标尺
寸，通过加热玻璃移液管，并由拉针仪对加热后的玻璃移液管进行拉伸，通过控制拉力和温度来控制拉伸熔断后所形成的圆锥形玻璃针头的尺寸。
[0014]优选地，所述钕铁硼微粒为钕铁硼磁性纳米粒子，是铁磁性纳米粒子。
[0015]优选地，所述微机器人尾部的凹槽由柔性树脂打印而成。
[0016]一种基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人的控制方法，使用如前所述的微机器人，所述控制方法包括以下步骤：
[0017]步骤S1：在底部带有压电陶瓷片的培养皿中放置培养液和待注射药物，并将盛有培养液及待注射药物的培养皿放置于带有磁场的环境中，所述待注射药物不溶于培养液；将所述注射微机器人放置于所述培养液中，培养液在圆台的凹槽开口处在表面张力的作用下形成气泡；
[0018]步骤S2：给压电陶瓷片通电，压电陶瓷片产生声场，所述气泡在压电陶瓷片产生的声场中振动，通过振动驱动所述注射微机器人向前运动，通过调整磁场的方向调整所述注射微机器人的前进方向；
[0019]步骤S3：当所述注射微机器人到达所述待注射药物时，所述压电陶瓷片断电，所述注射微机器人停止向前运动，此时给所述注射微机器人施加一Z轴方向的磁场，通过调整所述Z轴方向的磁场，实现对所述磁化空心圆柱的挤压及恢复变形，使得所述待注射药物被吸收到所述磁化空心圆柱中；Z轴方向是指与培养皿垂直的方向；
[0020]步骤S4：向所述压电陶瓷片通电，所述注射微机器人继续向前运动，直至待注射细胞位于所述磁化空心圆柱的一侧，且所述待注射细胞表面与所述磁化空心圆柱的表面的距离不超过100
‑
500μm，给所述压电陶瓷片断电；
[0021]步骤S5：施加X
‑
Z平面或Y
‑
Z平面的旋转磁场，所述注射微机器人在旋转磁场的作用下进行旋转，所述注射微机器人在培养液中旋转时，培养液中会产生局部涡流，所产生的局部涡流带动所述待注射细胞旋转使得所述待注射细胞的注射点位于所述注射微机器人的中心轴上，当旋转到预设角度时，关闭所述旋转磁场，注射机器人和所述待注射细胞均停止转动；所述X
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Z平面、Y
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Z平面均为世界坐标系下垂直于水平面的两个平面，X
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Z平面平行于X轴及Z轴，Y
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Z平面平行于Y轴及Z轴，Z轴垂直于水平面，X轴平行于所述待注射细胞中心点所在切面且与Z轴垂直，Y轴平行于所述待注射细胞中心点所在切面且与Z轴垂直。
[0022]有益效果：
[0023]本专利技术通过施加超声场来驱动凹槽的气泡震动，从而来驱动注射机器人向前运动。通过施加磁场来控制机器人的方向、旋转运动、挤压运动，实现方向可控、非接触旋转、注射控制。
[0024]具有以下技术效果：
[0025](1)本专利技术注射微机器人具有磁矩，既可以控制注射微机器人的方向，又可以在旋转磁场中以非接触的方式高速旋转待接收注射的生物目标，减少对目标的伤害。
[0026](2)本专利技术通过气泡驱动的方式，提高了注射微机器人注射的驱动力，使注射操作可以有效进行。
[0027](3)本专利技术注射微机器人的制作过程，具有实现方式简单、操作快速、耗时短、可重复性高、注射力大、位姿可控等诸多优点，有效控制了注射微机器人，有利于后续注射机器人对生物目标，特别是对生物微目标的注射，能够显著提高操作效率。
[0028](4)本专利技术的控制方法，使细胞注射不再局限于体外，也提高了细胞注射的效率和成功率，对微纳操作领域具有十分重要的意义。
附图说明
[0029]图1为本专利技术提供的基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人的结构示意图。
[0030]图2为本专利技术提供的注射微机器人的玻璃针头的制作过程示意图。
[0031]图3为本专利技术提供的空心圆柱磁化过程的示意图。
[0032]图4为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声场和磁场混合驱动的注射微机器人，其特征在于，所述注射微机器人包括：圆台(1)、磁化空心圆柱(2)、圆锥形玻璃针头(3)；所述圆台(1)的下底面上开有一凹槽(4)，所述凹槽(4)的直径为100
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1000μm，深度为200
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1000μm，所述圆锥形玻璃针头(3)的底面插入到所述磁化空心圆柱(2)的一端，所述圆台(1)的上底插入所述磁化空心圆柱(2)的另一端；所述圆台(1)的外径与所述磁化空心圆柱(2)的内径相匹配，所述圆锥形玻璃针头3的底面外径与所述磁化空心圆柱(2)的内径相匹配。2.如权利要求1所述的注射微机器人，其特征在于，所述圆台(1)的材质为柔性树脂，通过3D打印机进行打印成型，圆台(1)的下底面外径为800
‑
1500μm，圆台(1)的高为500
‑
1500μm。3.如权利要求1所述的注射微机器人，其特征在于，所述磁化空心圆柱(2)的制备方法为：将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和钕铁硼(NdFeB)微粒按照质量比例为1:1
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1.5进行混合，混合后注入到玻璃成型模具中，注入完成后在60
‑
70℃的温度下进行固化成型，固化时间为20
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30min，固化完成后脱模得到空心圆柱，得到的空心圆柱放置在1.5
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2.0T的磁场中进行磁化，磁化时间为5
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10min，得到磁化空心圆柱，磁化空心圆柱中的磁矩垂直于其轴线；磁化空心圆柱的内径为400
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1000μm，外径为500
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1200μm，长度为2000
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5000μm。4.如权利要求1所述的注射微机器人，其特征在于，所述圆锥形玻璃针头(3)的制备方法为：获取所述圆锥形玻璃针头(3)的目标尺寸，通过加热玻璃移液管，并由拉针仪对加热后的玻璃移液管进行拉伸，通过控制拉力和温度来控制拉伸熔断后所形成的圆锥形玻璃针头(3)的尺寸。5.如权利要求3所述的注射微机器人，其特征在于，所述钕铁硼微粒为钕铁硼磁性纳米粒子，是铁磁性纳米粒子。6.如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓明，柳丹，李玉洋，刘峰宇，陈卓，唐小庆，黄强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：