功能化磁性纳米颗粒/铁电聚合物复合微球的微流方法可控制备及改性研究

This project plan to fabricate and modificate composite micro-beads using magnetic nanoparticles and ferroelectric polymers in microfluidics. Droplet-based microfluidics have great advantages for functional micro-beading processing. Firstly, we will design flow-focusing microchannels and fabricate microfluidic chips using MEMS and soft-lithography technologies. Multi-physics COMSOL software will be used for beads simulation in magnetic and electrical fields with finite element modeling (FEM) analysis. Then, micro-beads will be fabricated with controllable sizes and uniform properties in microfluidic chips. The fabrication processing will be automatically controlled by integrated polydimethylsiloxane (PDMS) valves and pumps. The morphology, magnetic and dielectric properties will be measured then. Lastly, the surface modification of micro-beads will be performed using chemical methods in order to improve the bio-compatibility. The modified composite micro-beads can be manipulated in external magnetic and electric fields with high sensitivity and flexibility. This project aim to combine the fabrication of functional composites with microfluidics and the micro-beads can be used as a carrier of cells or biochemical substances for a number of applications, such as cell culture array or targeted delivery based on magnetic and electrical control.

本项目计划应用微流方法设计和制备新型磁性纳米颗粒/铁电聚合物复合微球及微球表面改性的基础研究。基于液滴的微流技术在制备功能化微球方面优势独特，首先设计流聚焦式制备沟道，利用数值仿真手段建立复合微球的多物理场耦合模型，通过微加工和软光刻等手段进行芯片制备，掌握不同参数对微球制备的影响。其次，根据低雷诺数流体的层流特性，制备出单分散性能好、尺寸均一的微米量级微球颗粒，结合微流泵阀结构精确控制微球中磁电两相的成分，研究复合微球的形貌、磁性及介电性能。最后，利用功能化基团对磁电复合微球进行表面改性，具备电场和磁场下高灵敏响应特性，成为生物兼容性优异的功能化微球。本研究将功能复合材料与微流技术结合起来，使可控制备的复合微球兼有磁性和电学性能，在外场下微球具有高度操纵灵活性和优异的生物兼容性，为多铁性复合材料在微纳材料合成、生化分析以及柔性磁电转换系统等多个领域奠定基础。

功能化磁性纳米材料的研究近年来发展迅速，微流控芯片在单分散性微球的制备中具有很强的灵活性和可操作性，结合微流方法的磁性纳米材料制备研究可为磁性微球功能化研究提供新平台。本项目应用微流方法设计和制备新型磁性纳米颗粒/铁电聚合物复合微球，并对复合微球进行一系列表面改性及生化应用。以水溶性超顺磁纳米颗粒Fe3O4和铁电聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)两种性能优异的微球基质材料，结合微流控泵阀结构，开展了系统的沟道设计、数值仿真、微球制备、性能测试及功能化改性研究。运用流体力学、磁学、电学及有限元理论模拟，结合水平集方法、毛细管效应、两相流界面处理，揭示流聚焦在微球形成机理及层流效应的调控作用，总结针对复合微球制备行之有效的微量液滴研究方法。利用水热法制备了粒径大小可控的Fe3O4磁性纳米颗粒，研究了Fe3O4 /P(VDF-TrFE)复合微球在微流控芯片中的固化制备工艺，对微球的组分进行调节和控制，研究了复合微球的尺寸、形貌、磁性及介电性能。成功利用微流方法制备了Fe3O4/P(VDF-TrFE)碟形双色复合微球，以及Fe3O4/BiFeO3磁电复合微球，实现了微球形状和成分的可控制备及精细调控，复合微球在室温下具有良好的磁性和铁电性。利用原位UV光固化方法，合成P(VDF-TrFE)铁电聚合物掺杂CuPc染料的高介电常数颗粒，实现该颗粒形貌多样、尺寸可控及分散性好。利用静电纺丝法制备了一维铁电P（VDF-TrFE）/Ag纳米纤维，研制了具有自放大功能的压电能量收集器，实现了人体运动能量的有效收集。将高度有序的铁电纳米纤维薄膜集成在微流沟道底部，实现了对流速为µL/h量级液体的实时监控。将氧化石墨（GO）包被在Fe3O4颗粒表面，增强了Fe3O4颗粒的稳定性与生物兼容性，可与多种生物配位体如蛋白质抗体结合，对血样中的癌细胞进行了高效的捕获与可控的释放。利用核酸适配子对Fe3O4磁性纳米颗粒进行修饰，成功的对血液样本中的肝癌细胞进了高效的捕获与可控的释放。本研究将功能复合材料与微流技术结合起来，使可控制备的复合微球兼有磁性和电学性能，在外场下微球具有高度操纵灵活性和优异的生物兼容性，为多铁性复合材料在微纳材料合成、生化分析以及柔性磁电转换系统等多个领域奠定基础。