基于MEMS磁弹性谐振子的生物医疗器件研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dick_ust
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磁致伸缩材料是一种新型功能材料,具有输出功率大、能量密度高、响应速度快、频率特性好、无疲劳、无过热失效等特点。本论文通过对磁致伸缩材料的研究,利用MEMS技术,研制了一款针对于食品安全的检测细菌的生物传感器和一款用于血管内破栓的血栓清除器。  随着人们生活水平的不断提高,食品安全问题现如今是人们最为关心的问题。本论文研究了针对液体食品的污染病菌制定了生物传感器和系统的设计方案。通过外部磁场驱动生物传感器,利用网络分析仪实时无线地检测其谐振频率,进而通过谐振频率的偏移来检测食品中的有害病菌。基于磁弹性材料磁化原理和谐振器机械振动模型,可以对微磁弹性谐振传感器系统的进行建模,最终得到系统的等效电路模型,并指导传感器系统的设计优化。本论文还设计了面向食品安全现场快速检测的微流控芯片,利用外磁场可驱动谐振传感器在微流体通道内自由运动。在生物反应腔中通入不同液体,可以实现传感器表面修饰、病菌附着及传感器洗脱再生等多种操作的集成。对磁珠溶液检测,测得微谐振器的灵敏度为-0.061Hz/pg,这一数值与导出模型而得出的-0.040Hz/pg的理论质量灵敏度基本一致。在对不同浓度的大肠杆菌PBS溶液监测,当大肠杆菌浓度从102 CFU/ml依次增加到108 CFU/ml,谐振频率偏移由300Hz到2300Hz。最后还对橙汁和苹果汁中不同浓度大肠杆菌溶液进行检测,在真实食品中能检测到104 CFU/ml浓度的大肠杆菌。  面向更加安全可靠、快速有效破除血栓的应用需求,在微机电技术基础上,基于磁致伸缩效应,本论文还探索了一种无线激励方式的在血管内利用磁弹性微谐振子机械振动进行破除血栓的新方法。研究磁弹性微谐振器谐振模态和谐振结构的设计和优化方法,并利用精密机械加工(电火花)手段,将其制造出来。利用三通结构,我们定义了流量比即两支管的流速比,由此评估破栓的效率。小鼠血栓置于模拟血管之中,在血栓清除器作用下1个小时,血栓就破碎成一片一片。破碎后血栓微粒,只有几十微米大小。在不同模态时对破栓效率进行测试,可知在第一模态和第三模态时,效果比第二模态时效果要好,破栓效率更高。
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