用于細(xì)胞導(dǎo)入的MEMS聚焦超聲波器件的研究
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更多相關(guān)文章： 細(xì)胞導(dǎo)入 超聲波基因?qū)?/b> MEMS超聲換能器 壓電薄膜 磁控濺射
【摘要】：MEMS超聲波換能器具有小型化,功耗低,易于陣列化等特點(diǎn)。目前在超聲成像,光聲成像,檢測(cè)探傷等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。將MEMS超聲波換能器與微流體管道集成,構(gòu)成MEMS超聲微流體系統(tǒng),有望實(shí)現(xiàn)微流體環(huán)境下的局域超聲空化,利用空化產(chǎn)生的局域高溫、高壓和沖擊波進(jìn)行微流體環(huán)境下的細(xì)胞DNA導(dǎo)入和藥物的精準(zhǔn)輸送。這種細(xì)胞導(dǎo)入方法無(wú)需強(qiáng)電場(chǎng)或生化試劑,不改變細(xì)胞生存環(huán)境：而且聚焦超聲波不直接作用在細(xì)胞上,細(xì)胞存活率高和導(dǎo)入成功率均優(yōu)于目前單細(xì)胞導(dǎo)入所用的電穿孔技術(shù),能夠滿足日益增長(zhǎng)的單細(xì)胞操作和精確分析的需求。該領(lǐng)域的研究正在興起,把這個(gè)設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)并走向?qū)嵱玫钠款i在于研制出與微流體能量匹配并能集成在微管道上的超聲波換能器。為了探索解決這個(gè)難題的途徑,本文提出了一種基于柔性基底壓電薄膜的跨尺度的MEMS聚焦超聲波換能器,并與微管道集成,構(gòu)成MEMS超聲微流體系統(tǒng)。其核心部分是碗狀曲面壓電薄膜結(jié)構(gòu),具有自動(dòng)聚焦超聲波的功能。這樣,利用較低的輸入電壓和功率,就可在微管道內(nèi)的某些局域得到超過(guò)空化閾的聲壓。通過(guò)數(shù)值計(jì)算,驗(yàn)證了曲面結(jié)構(gòu)在超聲波聚焦方面的優(yōu)越性,并研究了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件諧振頻率的影響。制作這種跨尺度的碗狀曲面結(jié)構(gòu)是研制MEMS聚焦超聲波換能器的一個(gè)難點(diǎn)。本文采用一種新穎的軟-硬結(jié)合的壓印工藝,在聚酰亞胺薄膜上制出碗形自聚焦微結(jié)構(gòu)陣列。該工藝具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、尺寸和曲率精密可控的優(yōu)點(diǎn)。然后,在碗形自聚焦微結(jié)構(gòu)陣列上,利用磁控濺射制備氧化鋅壓電薄膜,得到柔性基底的MEMS聚焦超聲波換能器陣列。為此,首先系統(tǒng)地研究了磁控濺射制備氧化鋅壓電薄膜的工藝。通過(guò)對(duì)研究磁控濺射關(guān)鍵工藝參數(shù)(氣壓、功率、氣體流量等)及不同襯底材料對(duì)氧化鋅薄膜的擇優(yōu)取向,沉積速率,晶粒尺寸和內(nèi)應(yīng)力的影響,得到了鋅壓電薄膜制備的最優(yōu)工藝參數(shù),制作出各方面性能優(yōu)良的碗狀曲面氧化鋅壓電薄膜。最后,將柔性基底的MEMS聚焦超聲波換能器陣列與PDMS微管道組裝,得到超聲基因遞送的微流體芯片,并進(jìn)行了初步的超聲波細(xì)胞導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了采用MEMS聚焦超聲換能器陣列在微流體環(huán)境下進(jìn)行基因?qū)氲目尚行院陀行�。�?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),細(xì)胞導(dǎo)入的成功效率隨開啟的超聲波換能器的數(shù)量的增加而增加,說(shuō)明這種細(xì)胞導(dǎo)入方法具有實(shí)現(xiàn)較高的導(dǎo)入成功率的潛力。
【關(guān)鍵詞】：細(xì)胞導(dǎo)入 超聲波基因?qū)?/strong> MEMS超聲換能器 壓電薄膜 磁控濺射
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH79;TB55
【目錄】：
- 摘要5-6
- Abstract6-11
- 第一章 緒論11-23
- 1.1 研究背景和意義11-13
- 1.2 MUT國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-21
- 1.2.1 MUT在超聲成像領(lǐng)域的研究13-17
- 1.2.2 MUT在指紋識(shí)別方面的應(yīng)用17-18
- 1.2.3 MUT在光聲成像中的研究18-19
- 1.2.4 MUT在基因?qū)肱c藥物遞送領(lǐng)域的研究19-21
- 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容及意義21
- 1.4 本章小結(jié)21-23
- 第二章 曲面壓電薄膜超聲換能器的設(shè)計(jì)和仿真23-37
- 2.1 壓電效應(yīng)的歷史與發(fā)展23-24
- 2.2 壓電振動(dòng)基礎(chǔ)24-29
- 2.2.1 描述壓電效應(yīng)的物態(tài)方程24-25
- 2.2.2 常見壓電材料及其特點(diǎn)25-27
- 2.2.3 壓電振子的振動(dòng)形式27-29
- 2.3 曲面壓電結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性29-31
- 2.4 PMUT諧振頻率的設(shè)計(jì)31-34
- 2.4.1 諧振頻率的理論計(jì)算31-33
- 2.4.2 諧振頻率的數(shù)值計(jì)算33-34
- 2.5 本章小結(jié)34-37
- 第三章 超聲換能器陣列的加工37-55
- 3.1 球冠結(jié)構(gòu)的加工37-41
- 3.1.1 球冠結(jié)構(gòu)加工方法概述37-39
- 3.1.2 壓印法球冠結(jié)構(gòu)的加工39-40
- 3.1.3 改進(jìn)的鋼珠壓印方法40-41
- 3.2 上下電極和氧化鋅的制作41-49
- 3.2.1 常用的氧化鋅沉積方法磁控濺射的特點(diǎn)41-44
- 3.2.2 氧化鋅濺射的最佳條件的摸索44-49
- 3.3 磁控濺射基底材料的選擇49-52
- 3.4 內(nèi)凹曲面換能器的制作52
- 3.5 微管道的制作及系統(tǒng)集成52-54
- 3.5.1 軟壓印方法的特點(diǎn)52-53
- 3.5.2 芯片鍵合與系統(tǒng)組裝53-54
- 3.6 本章小結(jié)54-55
- 第四章 超聲換能器陣列的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)55-67
- 4.1 氧化鋅的表征55-59
- 4.1.1 表面粗糙度和截面的SEM表征55-56
- 4.1.2 氧化鋅薄膜的擇優(yōu)取向表征56-57
- 4.1.3 電學(xué)參數(shù)的測(cè)量57-59
- 4.2 換能器振動(dòng)性能的表征59-62
- 4.2.1 測(cè)量裝置59-60
- 4.2.2 厚度的影響60-61
- 4.2.3 曲率半徑的影響61
- 4.2.4 驅(qū)動(dòng)電壓的影響61-62
- 4.3 微管道內(nèi)的基因?qū)雽?shí)驗(yàn)62-65
- 4.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟62-64
- 4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析64-65
- 4.4 本章小結(jié)65-67
- 第五章 總結(jié)與展望67-69
- 5.1 研究總結(jié)67-68
- 5.2 下一步工作計(jì)劃68-69
- 參考文獻(xiàn)69-79
- 致謝79-81
- 攻讀碩士期間科研成果81
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