用于細(xì)胞導(dǎo)入的MEMS聚焦超聲波器件的研究.pdf

1、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)入方法無需強(qiáng)電場或生化試劑，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

2、導(dǎo)入所用的電穿孔技術(shù)，能夠滿足日益增長的單細(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

3、道內(nèi)的某些局域得到超過空化閾的聲壓。通過數(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

4、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。通過對研究磁控濺射關(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)