一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器、金属电极、操作器驱动引线以及传感器引线；所述压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器均由PZT/SMPU柔性压电复合材料制作；所述金属电极包括双面金属电极、单面指插型金属电极和双面指插型金属电极。本发明专利技术采用上述一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成，具有良好的压电性能和机械强度，可以抗化学和油性腐蚀，并且体积小、结构简单，能够在高精度的条件下最大程度的降低操作器对生物样本带来的损伤。来的损伤。来的损伤。

【技术实现步骤摘要】
一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及医疗微纳操作
，尤其是涉及一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法。

技术介绍

[0002]应用于生物医学领域的各种微/纳米操作器已经屡见不鲜，如原子力显微镜、微夹钳或探针式操作器等。各种微/纳米操作器可以用于多种生物医学操作，如细胞操作、生物靶标检测和药物传递等。
[0003]传统机械操作通常利用操作器（探针或微夹子）通过机械接触来操纵细胞等生物物体。然而，实际的操作表明，生物物体会容易被由刚性材料制成的操纵器损坏。而传统的各种微/纳米操作器，需要在操作前提前通过荧光标记、红外成像等方式来定位样品，不仅步骤复杂，还会对样品造成一定的损害。并且传统微/纳米操作器普遍存在成本较高、不易操作、难加工的问题。
[0004]近年来，柔性材料因能够通过自身形变吸收碰撞能量，从而降低冲击损害，被制作成多种柔性微夹钳，如热生化（温度与生物试剂）驱动的高分子微夹钳、热磁驱动的高分子微夹钳、无线电驱动的离子高分子金属复合材料微夹钳等。
[0005]但柔性材料较低的刚度与复杂的分子结构使其的制作工艺有限，制作成的微夹钳也多是简单的二维结构或者庞大的三维结构，柔性微夹钳的分辨率和定位精度有限。但是，微纳操作（特别是纳米操作）要求操作器具有十几纳米乃至几纳米的分辨率和定位精度。
[0006]也正因如此，能够满足微纳操作要求的柔性操作器或执行器，到目前为止都鲜有报道。因此，面对生物医疗操作，我们需要一种具有高分辨率、高定位精度且低损伤、易加工、易操作、成本低的柔性微纳操作器。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种自主寻找式柔性压电微纳操作器及其制备方法，由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成，具有良好的压电性能和机械强度，可以抗化学和油性腐蚀，并且体积小、结构简单，能够在高精度的条件下最大程度的降低操作器对生物样本带来的损伤。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器和金属电极；所述压电自弯曲夹持结构主体与所述压电伸长功能结构垂直连接，所述压电功能微型结构传感器设置于所述压电自弯曲夹持结构主体远离所述压电伸长功能结构一侧表面及所述压电自弯曲夹持结构主体下端；所述金属电极包括双面金属电极、单面指插型金属电极和双面指插型金属电极，所述压电自弯曲夹持结构主体下端的压电功能微型结构传感器设置所述双面金属电极，所述压电自弯曲夹持结构主体表面和其表面的所述压电功能微型结构传感器均设置单面指
插型金属电极、所述压电伸长功能结构表面设置双面指插型金属电极；所述压电自弯曲夹持结构主体表面的单面指插型金属电极、所述压电伸长功能结构表面的双面指插型金属电极分别连接操作器驱动引线，传感器引线与所述压电功能微型结构传感器上的所述单面指插型金属电极和所述双面金属电极相连接。
[0009]优选的，所述压电自弯曲夹持结构主体、所述压电伸长功能结构、所述压电功能微型结构传感器均由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成；所述PZT/SMPU柔性压电复合材料由PZT粒子与形状记忆高分子材料制成；所述形状记忆高分子为形状记忆聚氨酯SMPU，其形状记忆温度为35℃，形变恢复率超过95%。
[0010]一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，包括如下步骤：S1、使用三维制图软件实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；S2、制备用于制作自主寻找式柔性压电微纳操作器的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜；S3、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电功能微型结构传感器；S4、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电自弯曲夹持结构主体；S5、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电伸长功能结构的原始结构；S6、利用加热塑形工艺，将所述步骤S3
‑
S5制作的压电功能微型结构传感器、压电自弯曲夹持结构主体和压电伸长功能结构原始结构塑形成所述步骤S1中所设计操作器的形态；同时利用高压极化技术，将步骤S3
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S5制作的各部分结构极化使其具有压电性能，完成自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备。
[0011]优选的，所述步骤S1还包括以下步骤：S1
‑
1、所述自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器；设置所述功能结构的尺寸参数并将其输入所述三维制图软件中，实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；S1
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2、对设计的所述自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构的可实现性以及形状结构的加工可实施性进行分析，完善优化所述自主寻找式柔性压电微纳操作器主体结构以及加工流程。
[0012]优选的，所述步骤S2还包括以下步骤：S2
‑
1、称取一定质量的四氢呋喃THF作为有机溶剂、压电陶瓷粒子PZT作为添加物、形状记忆聚氨酯SMPU作为基底，形状记忆聚氨酯与四氢呋喃的质量比为1:10，压电陶瓷粒子占压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯总质量的80%；S2
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2、将所述压电陶瓷粒子与所述四氢呋喃混合，并通过超声分散混合溶液避免其中的电陶瓷粒子团聚，得到所述电陶瓷粒子与四氢呋喃的混合悬浊液，并放入转子以1200r/min的转速对所述混合悬浊液进行高速搅拌，防止分散后的电陶瓷粒子沉降团聚；S2
‑
3、将所述形状记忆聚氨酯加入到所述步骤S2
‑
2中的混合悬浊液中溶解48
‑
60小时，并对所述形状记忆聚氨酯完全溶解后的混合物进行挥发，挥发后得到SMPU:THF=1:7、SMPU:THF=1:9两种不同粘度的压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯的混合溶液；将所述混合溶
液置于磁力搅拌器中搅拌，转速为700
‑
1000r/min，混合均匀后静置36
‑
60小时；S2
‑
4、将所述SMPU:THF=1:7的混合溶液倾倒在铺膜机上，利用铺膜机进行铺膜操作，得到基于PZT/SMPU的柔性压电复合材料薄膜，室温定型时间6小时，待薄膜定型后依次在室温下干燥3天、在65℃烘箱下干燥3天，挥发多余有机溶剂，得到PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜，所述PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜的厚度为100
‑
150μm。
[0013]优选的，所述步骤S3还包括以下步骤：S3
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1、将所述步骤S2中制备的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜放入热压机中，以8MPa的压力、80℃的热压温度，热压10次，每次热压持续30min，增强内部结构的紧密性；S3
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2、根据所述步骤S1中的结构设计，将热压后的PZT/SMPU柔性压电复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，其特征在于：包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器和金属电极；所述压电自弯曲夹持结构主体与所述压电伸长功能结构垂直连接，所述压电功能微型结构传感器设置于所述压电自弯曲夹持结构主体远离所述压电伸长功能结构一侧表面及所述压电自弯曲夹持结构主体下端；所述金属电极包括双面金属电极、单面指插型金属电极和双面指插型金属电极，所述压电自弯曲夹持结构主体下端的压电功能微型结构传感器设置所述双面金属电极，所述压电自弯曲夹持结构主体表面和其表面的所述压电功能微型结构传感器均设置单面指插型金属电极、所述压电伸长功能结构表面设置双面指插型金属电极；所述压电自弯曲夹持结构主体表面的单面指插型金属电极、所述压电伸长功能结构表面的双面指插型金属电极分别连接操作器驱动引线，传感器引线与所述压电功能微型结构传感器上的所述单面指插型金属电极和所述双面金属电极相连接。2.根据权利要求1所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器，其特征在于：所述压电自弯曲夹持结构主体、所述压电伸长功能结构、所述压电功能微型结构传感器均由PZT/SMPU柔性压电复合材料制成；所述PZT/SMPU柔性压电复合材料由PZT粒子与形状记忆高分子材料制成；所述形状记忆高分子为形状记忆聚氨酯SMPU，其形状记忆温度为35℃，形变恢复率超过95%。3.一种如权利要求1
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2任一项所述的自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、使用三维制图软件实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；S2、制备用于制作自主寻找式柔性压电微纳操作器的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜；S3、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电功能微型结构传感器；S4、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电自弯曲夹持结构主体；S5、利用所述步骤S2制备出的PZT/SMPU柔性压电复合材料薄膜制作PZT/SMPU压电伸长功能结构的原始结构；S6、利用加热塑形工艺，将所述步骤S3
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S5制作的压电功能微型结构传感器、压电自弯曲夹持结构主体和压电伸长功能结构原始结构塑形成所述步骤S1中所设计操作器的形态；同时利用高压极化技术，将步骤S3
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S5制作的各部分结构极化使其具有压电性能，完成自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备。4.根据权利要求3所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1还包括以下步骤：S1
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1、所述自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构包括压电自弯曲夹持结构主体、压电伸长功能结构、压电功能微型结构传感器；设置所述功能结构的尺寸参数并将其输入所述三维制图软件中，实现自主寻找式柔性压电微纳操作器形状结构的设计；S1
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2、对设计的所述自主寻找式柔性压电微纳操作器的功能结构的可实现性以及形状结构的加工可实施性进行分析，完善优化所述自主寻找式柔性压电微纳操作器主体结构以及加工流程。
5.根据权利要求4所述的一种自主寻找式柔性压电微纳操作器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：S2
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1、称取一定质量的四氢呋喃THF作为有机溶剂、压电陶瓷粒子PZT作为添加物、形状记忆聚氨酯SMPU作为基底，形状记忆聚氨酯与四氢呋喃的质量比为1:10，压电陶瓷粒子占压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯总质量的80%；S2
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2、将所述压电陶瓷粒子与所述四氢呋喃混合，并通过超声分散混合溶液避免其中的电陶瓷粒子团聚，得到所述电陶瓷粒子与四氢呋喃的混合悬浊液，并放入转子以1200r/min的转速对所述混合悬浊液进行高速搅拌，防止分散后的电陶瓷粒子沉降团聚；S2
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3、将所述形状记忆聚氨酯加入到所述步骤S2
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2中的混合悬浊液中溶解48
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60小时，并对所述形状记忆聚氨酯完全溶解后的混合物进行挥发，挥发后得到SMPU:THF=1:7、SMPU:THF=1:9两种不同粘度的压电陶瓷粒子与形状记忆聚氨酯的混合溶液；将所述混合溶液置于磁力搅拌器中搅拌，转速为700
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1000r/min，混合均匀后静置36
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60小时；S2
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4、将所述SMPU:THF=1:7的混合溶液倾倒在铺...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，陈海荣，任明将，薛民新，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：