基于光声效应的微纳马达驱动检测一体化耦合机理及关键技术研究

Due to the characteristics of small volume, light weight, high thrust weight ratio, micromotor will become the mainstream technology in the future development of precision medical. Because of the inability to realize on-line detection in vivo, the traditional optical observation method limits the application of motor. Although the photoacoustic imaging can achieve the advantages of high resolution and deep penetration, the motor can’t be driven by the technology in vivo. Taking the micromotor driven by nanosecond pulse drive as the main research object, this project applies multidisciplinary theory, system experiment design and advanced observation methods to break through the limitations of detection methods, and develop the driving mechanism and motion behavior of micromotor. Expound the mechanism of energy transfer and conversion between light, electric and mechanical energy. Build a mathematical model between the physical parameters of the micromotor, the parameters of the pulse light and the motion of the micromotor. Explore a new method based on the integration between photoacoustic effect and detection of micromotor in vivo. Create the optimization evaluation system of the environment parameters of the organism, the characteristic parameters of the motor and the pulse light parameters to realize the optimal matching of parameters. It will provide theoretical and technical support for the application of micronano motor in the field of precise medical treatment, such as targeted drug delivery.

微纳马达由于具有体积小、质量轻、推重比大等特点，将成为未来精准医疗微纳机器的主流发展技术。传统光学观测方法由于无法实现体内在线检测，限制了马达应用范畴。现有光声成像虽能实现高分辨率和深穿透等优点，却无法驱动马达在生物体内运动。本项目以纳秒脉冲光驱微纳马达为主要研究对象，应用多学科理论、系统实验设计及先进观测手段，突破检测方法的局限性，开展纳秒脉冲光驱微纳马达的驱动机理与运动行为研究，阐明马达光-电-机械能三者间的能量传递与转换作用机制；建立马达物理特性参数、脉冲光参数与马达运动行为间的数学模型；探索基于光声效应和微纳马达的体内输运载体驱动检测一体化新原理新方法；创建生物体环境参数、马达特征参数以及脉冲光参数优化评价体系，实现参数的最佳匹配，为将微纳马达应用于药物靶向等精准医疗领域提供理论基础与技术支撑。

微纳马达由于具有体积小、质量轻、推重比大等特点，将成为未来精准医疗微纳机器的主流发展技术。传统光学观测方法由于无法实现体内在线检测，限制了马达应用范畴。现有光声成像虽能实现高分辨率、深穿透等优点，却无法驱动马达在生物体内运动。本课题以微纳马达的驱动及光声检测为研究目标，研究了微纳马达的光驱动机理；提出了基于电渗流原理的油滴型微纳马达并阐明了其驱动及运动控制原理；首次提出了一种基于激光诱导空化泡射流原理的超快速微纳马达；研究了激光参数、微纳马达尺寸、环境特征参数等对微纳马达运动速度的影响；研究了微纳马达两相界面的破膜运动行为及其破膜机理；采用单阵元超声探测器对微纳马达光驱动过程中产生的光声信号进行探测，结果表明微纳马达在光驱动过程中会产生与激光驱动同步的脉冲光声信号；提出了一种将微纳马达进行集群从而突破光声成像低分辨率局限性的微纳马达光声成像策略；研究了微纳马达的磁控集群方法及调控策略；实现了微纳马达的图案化可重构集群控制；研究了轮形集群微纳马达的多运动模式及其控制策略；提出一种基于壁面相互作用的微纳马达自主导航策略；实现了轮形集群微纳马达三维复杂维管环境中的自主导航控制；结合光声成像技术，研究了纳秒脉冲激光波长等对微纳马达光声信号强度的影响。推动了微纳马达技术向先进生物医疗、石油开采等领域发展。研究成果在ACS Appl. Mater. Inter., Appl. Mater. Today, Research等国际权威期刊发表SCI检索论文9篇，EI检索论文1篇，授权国家发明专利2项，相关成果获黑龙江省自然科学一等奖。项目负责人及项目组成员组织了第二届国际微纳米机器会议（ICMNM），与美国、日本等著名学者持续开展国际学术交流与合作，产生了广泛的学术影响；培养了博士后3人，博士研究生7人，已毕业博士2人；培养硕士研究生5人，已毕业3人。