面向DDS的自驱动Pt纳米机器人运动控制机理研究

Chemical self-actuation Robot is a promising driving unit for Drug Delivery System. The dynamic effect between Pt nanorobot motion and driving force, drag force and Brownian force is studied based on Pt nanorobot self –actuation mechanism. A sub-micrometer scale dynamic model is created by Langevin dynamics. An asymmetric Pt nanorobot is design and fabricated by Focus ion beam. A Platform with vision tracking and micro nano force measurement is constructed. Pt nanorobot motion is controlled via morphology, temperature and solution density by experiments in H2O2 solution. Pt nanorobot provide a theoretical basis and technical support for motion control and drug transfer for DDS applications.

化学自驱动机器人是微纳药物递送系统（DDS）理想的驱动单元。以Pt纳米机器人的化学自驱动机理为研究基础，采用理论研究、数学建模、工艺分析和实验验证相结合的研究方法。研究驱动力、流体阻力、Brownian热扰动力对Pt纳米机器人运动的动力学效应。应用langevin动力学方法构建Pt纳米机器人在亚微米尺度下的动力学模型，指导设计非对称Pt纳米机器人。应用聚焦离子束（FIB）的加工方法研制纳米机器人。结合视觉追踪、微纳力测量技术建立微纳机器人实验平台。以形貌、温度、溶液浓度为控制手段，验证Pt纳米机器人在H2O2液体中运动控制方法，实现运动轨迹可控。为DDS的驱动单元的研制和精确到达目标位置的运动轨迹控制提供理论和技术支撑。

微纳米机器人在医疗、生物工程、环境保护等领域有广泛的潜在应用，受到社会各界的广泛关注。化学自驱动微纳米机器人因无需外场、加工简单、成本低等优势，越来越受到世界各国研究者的关注。本项目面向癌症靶向治疗，基于化学自驱动原理，研究铂金（Pt）自驱动微纳米机器人在过氧化氢（H2O2）溶液中的运动机理。基于微观力学、尺度效应理论对微纳米机器人进行受力分析。微纳米机器人重力数量级远小于粘滞力数量级而忽略不计，并且布朗力方向是随机的，在微纳米机器人运动中主要改变运动方向，运动阻力主要是粘滞力。基于微纳米机器人驱动原理、运动学定律和以上理论分析，建立Pt双金属和单金属自驱动微纳米机器人运动模型，有双金属（Pt/Au）自电泳驱动棒状微纳米机器人直线运动、Z型微纳米机器人自旋转运动；单铂金化学自驱动△型微纳米机器人受力平衡和V型微纳米机器人圆周运动。为制备上述四种不同形状与材质的微纳米机器人，本项目开发了结合聚焦离子束（FIB）技术和等离子溅射技术的Pt自驱动微纳米机器人制备方法。利用扫描电子显微镜（SEM）能量弥散 X 射线散射方法（EDX）对双金属微纳米机器人金属层纯度进行检测：Pt层纯度94.28wt%，Au层纯度82.75wt%。针对微纳米机器人操作难、释放难、跟踪难等问题，建立了基于微纳操作器、钨探针的实验操作模块和光学倒置显微镜、高速CCD的视觉跟踪反馈系统的实验操作平台，应用双操作器合作剥离与振动释放微纳米机器人的方法，实现了微纳米机器人的可靠操作、释放与跟踪。在所搭建实验平台基础上，实施了四种Pt自驱动微纳米机器人运动学实验，Pt/Au复合金属棒状微纳米机器人在26%H2O2浓度时达到最大直线运动速度为4 μm/s；Pt/Au复合金属Z型微纳米机器人在7.6%H2O2浓度达到最大自转转速为19rpm；45°、90°和135°三种单铂金△型微纳米机器人平衡了驱动力和布朗力，可有效保持初始位置；90°单铂金V型微纳米机器人在24%H2O2浓度时达到最大圆周运动线速度和最大当量直径为3.42 μm/s和37.1 μm；135°单铂金V型微纳米机器人因驱动力小于粘滞力而不产生运动。针对微纳米机器人难以固定测量驱动力，本论文基于斯托克粘滞力定律、牛顿第二运动定律、四种Pt自驱动微纳米机器人运动模型以及实验结果反推出四种微纳米机器人驱动力，驱动力数量级10-14N到10-13N之间