阅读说明：本技术 微米级磁性镊子的制备与使用方法 (Preparation and use method of micron-sized magnetic tweezers ) 是由 王正直 王琨 倪克 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微米级磁性镊子的制备与使用方法。包括以下步骤：1)将颗粒填充(非磁性物质包裹的磁性粒子)纳米复合树脂滴到模板基底上,树脂渗透到模板基底的空腔内以形成产物Ⅰ；2)施加磁场,树脂内磁性粒子重新分配形成产物Ⅱ；3)用光将未被光掩模版遮挡的树脂固化,形成产物Ⅲ,得到固化的微柱Ⅰ；4)交换磁极,磁性粒子再分配,再固化,形成产物Ⅳ,得到固化的微柱Ⅱ；5)将产物Ⅳ从模板基底上剥离,就得到混合分布的微柱Ⅲ；6)对微柱Ⅲ施加平行的磁场,以达到微型镊子的效果。本发明所制得的微型镊子可以夹起微米级的颗粒,通过施加及移除磁场使得微型镊子可以重复使用,另外树脂经过磁性粒子的填充,其硬度,刚度也大大提高。(The invention discloses a preparation and use method of micron-sized magnetic tweezers. The method comprises the following steps: 1) dripping particle filling (magnetic particles wrapped by nonmagnetic substances) nano composite resin on a template substrate, and infiltrating the resin into a cavity of the template substrate to form a product I; 2) applying a magnetic field to redistribute the magnetic particles in the resin to form a product II; 3) curing the resin which is not shielded by the photomask plate by light to form a product III to obtain a cured microcolumn I; 4) exchanging magnetic poles, redistributing the magnetic particles, and curing to form a product IV to obtain a cured microcolumn II; 5) stripping the product IV from the template substrate to obtain a microcolumn III in mixed distribution; 6) and applying a parallel magnetic field to the microcolumn III to achieve the effect of the micro-tweezers. The micro tweezers prepared by the invention can clamp micron-sized particles, the micro tweezers can be repeatedly used by applying and removing a magnetic field, and in addition, the hardness and the rigidity of the resin are greatly improved by filling the resin with magnetic particles.)

微米级磁性镊子的制备与使用方法

技术领域

本发明涉及功能复合材料制备技术领域，特别涉及一种微米级磁性镊子的制备与使用方法。

背景技术

镊子是用于夹取块状药品、金属颗粒、毛发、细刺及其他细小东西的取用的一种工具，但随着被夹取东西直径体积的减小，宏观镊子完成操作的难度大大增加，需要微型镊子对微纳米水平的物品进行取用。

微操作技术不仅在微机电装配中有着重要作用,而且在当今其他许多领域也日益被重视,如医疗卫生等,而研究得最多的是镊型微操作器.较早制作的微夹持器是使用体硅工艺制作的静电力驱动的双臂的微镊.而将微夹持器的尺寸和操作精度缩小到纳米量级的是用碳纳米管制作的双臂纳米镊子。但就现阶段的实际需要来看,更重要的是对可操作微米量级对象的微操作器的研究，所以人们想到了用单臂碳纤维制作的微镊，可以夹起微米级的物质，但以上微镊，都是其制作麻烦，需要精密的仪器进行操作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种微米级磁性镊子的制备与使用方法。

为实现上述目的，本发明提供的微米级磁性镊子的制备与使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将填充着非磁性物质包裹磁性粒子的纳米复合树脂滴到模板基底上，通过真空辅助成型工艺渗透到模板基底的柱腔内以形成产物Ⅰ；

2)在产物Ⅰ竖直方向上下分别放置两个平行磁铁，使产物Ⅰ受到竖直方向的磁场，以使磁性粒子在产物Ⅰ的内部重新分配，以形成产物Ⅱ；

3)使用光掩模版遮挡住其中一个模板基底柱腔，后用蓝光照射，未被遮挡的模板基底柱腔发生光固化反应，形成产物Ⅲ，得到固化的微柱Ⅰ；

4)将步骤2)中所述的两个平行磁铁磁极交换，产物Ⅲ受到磁场发生改变，为固化的微柱Ⅰ柱腔内的磁性粒子产生相反的运动，待磁性粒子重新分配后，将光掩模版取走，用光对未固化的模板基底柱腔进行固化，形成产物Ⅳ，得到固化的微柱Ⅱ；

5)将产物Ⅳ从模板基底上剥离，就得到了固化的混合分布的两个混合微柱；

6)对两个混合微柱施加平行的磁场，所述两个混合微柱因为材料参数、受力方式不同，产生不同的变形，以达到微型镊子的效果。

作为优选方案，所述步骤1)中纳米复合树脂中磁性粒子的质量分数为10-30％。

进一步地，所述步骤1)中非磁性物质为SiO₂、SiC、Si₃N₄、TiN、TiO₂、TiC或BN中的任一种或多种混合，以降低磁性粒子之间的团聚现象。

更进一步地，所述步骤1)中的纳米复合树脂材料为可光固化的高弹性聚合物树脂。

更进一步地，所述高弹性聚合物树脂为光敏聚氨酯。

更进一步地，所述步骤1)中的磁性粒子为Fe、Fe₂O₃、Fe₃O₄、Co或Ni的任一种或多种混合。

更进一步地，所述步骤1)中的模板基底采用具有规则空腔的硅模板。

本发明的有益效果及优点如下：

本发明利用磁场实现磁性粒子的梯度分配以及再分配，能够实现10微米以下等级的微镊的制备；同时粒子的添加也使得微柱的强度刚度大大提高；通过施加磁场的方式，改变微柱的变形，来做到夹取的动作，去除磁场，微柱恢复变形，被夹取的物品脱落，完成放取的功能。

本发明所制备的微镊，制作方法简单，只需要分两次固化，就可以得到成品，相对于其他微镊，这种方式简单很多，另外通过改变平行磁场的大小，可以改变微镊夹取时的作用力，防止夹坏样品。

附图说明

图1为本发明微米级磁性镊子的制备与使用方法的制备流程图；

图2为硅基底横断面扫描电子显微镜(SEM)图像；

图3为体积分数为15％的Fe₃O₄@SiO₂纳米复合材料的透射电镜图象；

图4为驱动场示意图；

图中：柱子的弯曲是由一个垂直放置的磁铁产生的水平磁场驱动的。磁场强度是 通过水平移动磁铁来调节的(即改变磁标本的距离)。

图5为微柱Ⅰ的弯曲简化模型示意图；

图中：微柱Ⅰ中粒子主要分布在微柱底部，施加平行磁场后，微柱受到作用力主要 集中在微柱底部，微柱变形较小，将这一种微柱简称SDP。

图6为SDP微柱弹性模量及所受荷载分布图；

图7为微柱Ⅱ的弯曲简化模型示意图；

图中：微柱Ⅱ中粒子主要分布在微柱顶部，施加平行磁场后，微柱受到作用力主要 集中在微柱顶部，微柱变形较大，将这一种微柱简称LDP。

图8为LDP微柱弹性模量及所受荷载分布图；

图9为微镊夹取工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

实施例1：

本实施例中微米级磁性镊子的制备与使用方法，包括以下步骤：

步骤1：将颗粒填充(非磁性物质SiO₂包裹磁性粒子Fe₂O₃)纳米复合树脂Bis-GMA/TEGDMA(填充粒子质量分数为15％)滴到硅模板基底上，通过真空辅助成型工艺渗透到硅模板基底的柱腔内以形成产物Ⅰ；

步骤2：在产物Ⅰ竖直方向上下分别放置两个平行磁铁，使产物Ⅰ，受到竖直方向的磁场，以使磁性粒子在产物Ⅰ的内部重新分配，以形成产物Ⅱ；

步骤3：使用光掩模版遮挡住其中一个硅模板基底柱腔，后用蓝光照射，未被遮挡的硅模板基底柱腔发生光固化反应，形成产物Ⅲ，得到固化的微柱Ⅰ；

步骤4：将两平行磁铁磁极交换，产物Ⅲ受到磁场发生改变，未固化柱腔内的磁性粒子产生相反的运动，待磁性粒子重新分配后，将光掩模版取走，用光对未固化的硅模板基底柱腔进行固化，形成产物Ⅳ，得到固化的微柱Ⅱ；

步骤5：将产物Ⅳ从硅模板基底上剥离，就得到了固化的混合分布的微柱；

步骤6：对混合微柱施加平行的磁场，两种微柱因为材料参数、受力方式不同，产生不同的变形，以达到微型镊子的效果。

实施例2：

实施例2与实施例1步骤相同，不同之处在于：步骤1中混合溶液中磁性粒子的质量分数为10-30％。

实施例3：

实施例3与实施例1步骤相同，不同之处在于：步骤1中磁性粒子为Fe、Fe₂O₃、Fe₃O₄、Co和Ni的一种或多种。

实施例4：

实施例4与实施例1步骤相同，不同之处在于：步骤1中非磁性物质为SiO₂、SiC、Si₃N₄、TiN、TiO₂、TiC和BN中的一种或多种。

实施例5：

实施例5与实施例1步骤相同，不同之处在于：步骤1中树脂材料为其他可光固化的高弹性聚合物树脂。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。