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微纳系统中心
发布时间: 2019-09-20

 

 中心简介

微纳系统研究中心前瞻部署微纳米机器人在生物医学及临床转化医学领域的科技创新,主要聚焦微纳米机器人在微/纳米手术介入、肿瘤靶向药物治疗等领域的基础研究,中心建设有国际先进的微纳米机器人前沿关键技术平台,旨在推进人类健康领域挑战性问题的解决,为国家建设精准和个性化医疗提供技术支撑。
 

研究方向

  • 基于微纳加工技术的微纳米机器人器件制备;
  • 基于声/光/磁场的微纳米机器人操纵平台及控制技术;
  • 用于微纳米机器人研究的体外仿生模型构建。
     

研究内容

通过微纳米加工平台,探索适用于微纳米机器人器件制备的新型微纳米材料及高精度微纳米机器人的制备工艺,进一步通过微纳分析测试平台实现微纳米机器人的仿真及结构表征等性能测试;建成基于声、光、磁等物理场的微纳米机器人操纵平台,根据微纳机械的不同运动机理建立相应物理场驱动的控制技术;针对特定疾病或器官模型,构建可用于微纳米机器人研究的体外细胞与仿生模型验证平台以及相应的安全风险评估技术体系。 
 

研究成果

(1) 提出了一种用于在直径140 - 830微米尺寸的纤维功能化的微装配平台,通过磁场以及液体表面张力实现微机器人之间的精确控制,其中对准精度可达到5微米,定位误差小于0.4°,可用于纤维上精准集成不同的传感器,最终实现纤维机器人的多功能化。(Sci Robot 4, eaax8336 (2019).)

图1 用于纤维功能化的浮磁微型机器人示意图

 

(2) 提出了利用气动驱动力和表面张力相组合的策略来驱动微活塞,此微型活塞直径为150 微米,可通过双光子3D打印制备而成。该微型活塞连接到直径为140微米的毛细玻璃管末端,采用滴油法将活塞和气缸密封隔开,同时在运转部件之间起到润滑以减少摩擦的作用。此项研究为微米级导管驱动开辟了崭新的道路。(Sci Adv 6, eaba5660 (2020).)

图2 微型活塞的工作原理以及微型活塞与微型夹具集成的显微图片

 

(3)提出了一种利用双光子打印制备而成的小型智能软复合驱动器的设计与制造,可通过改变支架层压的方向来改变形变模式,同时通过沉积在驱动器内部的碳纳米管层的局部电热效应来控制驱动。此研究中的微驱动器设计可产生390 µN的力,实现高达80°的弯曲角度,并展示了使用单臂和双臂装置来提起与抓取物体的能力。该研究被Adv. Funct. Mater.杂志作为背封面文章发表。(Adv. Funct. Mater. 30, 2002510 (2020).)

图3 微型软驱动器的设计原理与工作机制

 

(4) 提出了一种新型光纤表面增强拉曼光谱(SERS)探针(SERS-on-a-Tip),该探针具有高度的可控性和可重复性。采用双光子聚合和后续金属化的方法在平面衬底和光纤端面上制备了一系列表面增强拉曼散射(SERS)阵列基底。通过优化光纤尖端的表面增强拉曼散射阵列的设计、几何形状和排列,获得了10−7 M罗丹明6G的检测极限和1300的增强因子。本研究展示了对活体大肠杆菌的SERS快速检测。这一结果显示了体内诊断的强大潜力,特别是在检测感染方面。该研究被Adv. Opt. Mater.杂志作为前封面文章发表。(Adv. Opt. Mater. 8, 1901934, 2020)

图 4 光纤SERS探针的制备流程示意图

 

(5)研制了一种新型的碳纳米管涂层力传感器,它成功地结合了柔性导电纳米材料的优点和双光子聚合技术的多功能性,形成了功能性的三维传感微结构。器件采用了碳纳米管涂层的微弹簧结构,具有不同的尺寸和几何形状,用于实时力传感。该器件作为一种贴片传感器用于经皮监测人体动脉脉搏,然后利用该器件开发了一种用于实时无创腔内介入的多点力敏导管。该研究结果说明了利用先进的纳米材料和微纳3D打印技术开发新型医疗设备的潜力。(ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 35577, 2019)

图5 碳纳米管涂层包覆的力传感器

 

(6)构建了具有新陈代谢及特定器官微生理功能的三维可灌注血管网络,通过与肿瘤小球共培养,实现了三维血管化微肿瘤模型。该模型能够更加真实地模拟人体内毛细血管的微环境,有助于研究微纳机器人在人体血管内的导航控制以及靶向药物治疗等相关研究。

图 6 三维可灌注血管网络及血管化微肿瘤模型

 

微纳米机器人实验室

图7 德国Nanoscribe公司双光子微纳三维直写光刻系统

 

图8 英国Elliot公司多光镊系统E3500

 

图9 美国生物3D打印机及上普博源生物3D打印机

 

图10 德国Diener Zepto 等离子清洗机

 

图11 Thermo 生物安全柜及细胞培养箱

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