一种磁性L型微纳米机器人的制作方法

本实用新型属于微型机器人领域，涉及一种磁性l型微纳米机器人。

背景技术：

癌症是发病率和死亡率仅次于心血管疾病的第二大疾病，是全球面临的主要公共健康问题。随着我国的癌症登记及统计体系的日趋完善，近年来我国的癌症流行病学研究已有了长足的进展，我国的相关政策也正在强调开发或者改进癌症治疗的方法(参见文献：周燕荣，从数据质量看信息价值:读《中国癌症发病率与死亡率，2012》[j].中国医学前沿杂志，2016,8(7):10-12.)。而在众多的改进和新开发的治疗方法中，用于可以摧毁肿瘤细胞而不影响正常细胞组织的靶向治疗方法更是受到了广泛的关注，其中，乳腺癌靶向药物已经进入了国家的医保目录。

目前，我国需要在生物医药及高性能医疗器械领域着重开发针对重大疾病的化学药物新产品，其中的重点包括了新机制、新靶点化学药物、个性化治疗药物。随着微纳制造技术的迅速发展，越来越多的技术开始采用微纳机器人来实施微纳米尺度的靶向功能(参见文献：kimk,guoj,liangz,etal.artificialmicro/nanomachinesforbioapplications:biochemicaldeliveryanddiagnosticsensing[j].advancedfunctionalmaterials,2018:1705867)。然而，目前仍未能掌握纳米尺度的纳米机器人的制造方法以及其在体内环境被操控的方法，而该技术的空白对将微纳机器人用作医疗用途造成严重阻碍(参见文献：wangh,pumeram.micro/nanomachinesandlivingbiosystems:fromsimpleinteractionstomicrocyborgs[j].advancedfunctionalmaterials,2018,28(25):1705421)。

德国马普所的deboraschamel博士年利用倾斜角沉积电子束蒸发技术(glancingangledeposition，glad)制备了直径70nm的纳米级螺旋机器人，并在这项研究中证实了能够在生物凝胶中控制其运动方向，可以在高粘度溶液中以与大型微推进器相当的速度移动。该方法制备得到的纳米螺旋机器人，不仅有望应用于细胞外环境，而且体积足够小，可以被细胞吸收，具有良好的应用场景(参见文献：schameld,markag,gibbsjg,etal.nanopropellersandtheiractuationincomplexviscoelasticmedia[j].acsnano,2014,8(9):8794-8801)。

目前，现有技术公开的一种纳米级螺旋形机器人的制备方法包括以下步骤：(1)在直径2英寸的硅片上覆盖一层直径200到300nm二氧化硅的小珠；(2)在压力10^-5到10^-6torr的真空下，在电子束蒸发器中通过气相沉积的方法在硅晶圆上生长螺旋形；(3)二氧化硅蒸汽通量的入射温度为80℃到90℃，而由计算机控制的旋涂平台将硅晶圆表面正常转速旋转；(4)将样品放入超声机中，超声取下并收集纳米机器人；(5)通过电子束蒸镀在纳米机器人表面蒸镀30nm左右厚度的金属钴；(6)将带有钴包覆纳米机器人的衬底置于电磁铁的极片之间，并对螺旋机器人进行磁化，得到磁性微纳米机器人(参见文献：ghosha,fischerp.controlledpropulsionofartificialmagneticnanostructuredpropellers[j].nanoletters,2009,9(6):2243-2245.)；上述方案存在得到的微纳机器人是不可控的，并且形状一致性差，合成之后的其他杂质含量较多。

化学合成、紫外光刻技术以及激光直写技术是目前常用的微型机器人的制备方法(参见文献luom,fengy,wangt,etal.micro-/nanorobotsatworkinactivedrugdelivery[j].advancedfunctionalmaterials,2018,28(25):1706100.)，其中采用化学合成方法制备的微纳机器人的尺寸可达几十纳米级别，但是在制备精度上，化学合成的方法得到的微纳机器人是不可控的，并且形状一致性差，合成之后的其他杂质含量较多；而采用紫外光刻技术制备微纳机器人在制备精度上受限，由于光的衍射因素使得采用紫外光刻技术制备得到的机器人尺寸误差大，并且只能制备微米级别的机器人；激光直写技术在三维结构的制备上有很大优势，但是由于采用的是光子聚合原理，在制备精度上依旧是受光衍射的影响，精度差，并且由于在产率方面，受机器设备的工作性能影响巨大(参见文献：peyerke,zhangl,nelsonbj.bio-inspiredmagneticswimmingmicrorobotsforbiomedicalapplications[j].nanoscale,2013,5.)。

因此，开发一种能由磁场高效驱动且制备精度高、适宜大批量制备的磁性l型微纳米机器人仍具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种磁性l型微纳米机器人，所述磁性l型微纳米机器人的线宽为0.3-1μm；其尺寸为微纳米尺度，能在磁场驱动下进行靶向送药，其在水中移动的最快速度可达3-10μm/s；且本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的制备方法采用电子束曝光技术，其制备精度可达20nm以下，且制备方法简单，能实现大批量生产，满足靶向送药的需求。

为达到此实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种磁性l型微纳米机器人，所述磁性l型微纳米机器人的线宽为0.3-1μm，例如0.4μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm等。

本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的线宽为0.3-1μm；其能在磁场驱动下进行高效的靶向送药，其在磁场驱动下在水中移动的最快速度可达3-10μm/s，例如4μm/s、5μm/s、6μm/s、7μm/s、8μm/s或9μm/s等。

优选地，所述磁性l型微纳米机器人的长边、宽边和线宽的长度之比为(2-5):(1.5-4):1；例如2.5:3.5:1、3:3:1或4:2:1等，优选为(2-3):(1.5-2):1。

优选地，所述磁性l型微纳米机器人的厚度为50-160nm，例如60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm或150nm等。

此处对于磁性l型微纳米机器人的长边、宽边、厚度及线宽的限定可参见图2中的标注。

优选地，所述磁性l型微纳米机器人包括磁性层和保护层。

优选地，所述保护层位于所述磁性层的两侧。

本实用新型采用电子束曝光技术来制备磁性l型微纳米机器人，制备的精度可达20nm以下，并采用电子束蒸镀的方法对纳米机器人进行磁性材料覆盖，由此可得到能够在磁场驱动下进行药物靶向治疗的磁性l型微纳米机器人。

优选地，所述磁性层的材质选自镍、钴、锌、铁、铜、银、金或铂中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括镍和钴的组合、锌和铁的组合、铜和银的组合或金和铂的组合等。

优选地，所述保护层的材质选自钛。

优选地，所述磁性层的材质为镍和/或钴。

优选地，所述磁性层的厚度为50-120nm，例如60nm、70nm、80nm、90nm、100nm或110nm等。

优选地，所述保护层的厚度为2-20nm，例如5nm、10nm或15nm等。

本实用新型所述磁性l型微纳米机器人采用上述复合层结构，其中磁性层在磁场中产生磁驱动力，保护层则采用具有生物兼容性的材质；进而有利于提高磁性l型微纳米机器人在磁场内的驱动能力，改善其在靶向送药中的应用性能。

本实用新型所述的磁性l型微纳米机器人可通过如下方法制备得到，所述方法包括以下步骤：

(1)在基底上蒸镀两性金属层；

(2)在步骤(1)得到的两性金属层的表面涂覆电子束胶，进行一次烘烤，曝光，显影，二次烘烤；

(3)将步骤(2)的产物进行icp等离子刻蚀，之后蒸镀金属层；

(4)将步骤(3)的产物置于碱液中，加入表面活性剂，浸泡，得到所述磁性l型微纳米机器人。

本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的制备过程中采用电子束曝光技术和icp等离子刻蚀的方法相结合，所述方法的制备过程的精度明显提高，其制备的磁性l型微纳米机器人的精度可达20nm以下；本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的制备方法与紫外光刻的方法相比，减少了使用掩膜版时产生的光衍射现象，明显减小了制备过程的误差；同时，所述制备过程中采用icp刻蚀技术，其能除去制备过程中产生的两性金属层等杂质，对于磁性l型微纳米机器人的收集具有重大意义；而相较于激光直写技术，本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的制备方法的制备过程效率明显提高，适于大批量生产高精度的磁性l型微纳米机器人。

优选地，步骤(1)中所述基底包括硅片、玻璃片或石英片中的任意一种。

优选地，步骤(1)中所述两性金属层包括金属铝层。

优选地，步骤(1)中所述两性金属层的厚度为50-250nm，例如100nm、150nm或200nm。

优选地，步骤(2)中所述涂覆的方法包括旋涂。

优选地，所述旋涂的速率的2000-4000r/min，例如2200r/min、2500r/min、2800r/min、3000r/min、3200r/min、3500r/min或3800r/min等。

优选地，步骤(2)所述一次烘烤的温度为80-95℃，例如83、85、88或90等。

优选地，步骤(2)所述一次烘烤的时间为1-3min，例如1.5min、2min或2.5min等。

优选地，步骤(2)所述曝光的参数为500-700μc/cm²，例如550μc/cm²、600μc/cm²或650μc/cm²等。

优选地，步骤(2)所述显影的方法包括将经曝光的产物置于显影液中。

优选地，经曝光的产物置于显影液中的时间为1-2min，例如1.2min、1.5min或1.8min等。

优选地，步骤(2)所述二次烘烤的温度为80-90℃，例如82℃、85℃或88℃等。

优选地，步骤(2)所述二次烘烤的时间为1-2min，例如1.2min、1.5min或1.8min等。

优选地，步骤(3)所述icp等离子刻蚀的功率为100-500w，例如150w、200w、250w、300w、350w、400w或450w等。

优选地，步骤(3)所述icp等离子刻蚀的时间为40-60s，例如45s、50s或55s等。

优选地，步骤(3)所述蒸镀的方法为电子束蒸镀。

优选地，步骤(4)所述碱液包括氢氧化钠溶液、氨水、碳酸氢钠溶液、氢氧化钙溶液或氢氧化钾溶液中的任意一种或至少两种的组合；所述组合示例性的包括氢氧化钠和氨水的混合溶液或氢氧化钙和氢氧化钾的混合溶液等。

优选地，步骤(4)所述碱液的ph为8-14，例如9、10、11、12或13等。

优选地，步骤(4)所述表面活性剂包括柠檬酸钠、直链烷基苯磺酸钠、α-烯基磺酸钠、卵磷脂、氨基酸型或甜菜碱中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括柠檬酸钠和直链烷基苯磺酸钠的组合、α-烯基磺酸钠和卵磷脂的组合或氨基酸型和甜菜碱的组合等。

优选地，步骤(4)中浸泡的时间为0.1-2h，例如0.2h、0.3h、0.4h、0.5h、1h、或1.5h等，优选为10-60min。

作为本实用新型优选的技术方案，所述磁性l型微纳米机器人的制备方法包括以下步骤：

(a)采用电子束蒸镀的方法在硅片上蒸镀金属铝层；

(b)在步骤(a)中的金属铝层的表面以2000-4000r/min的速率旋涂电子束胶，之后将其置于80-90℃的加热板上，烘烤1-3min；

(c)将步骤(b)得到的产物放入电子束曝光机中，选择曝光参数为500-700μc/cm²；转移至装有电子束显影液的器皿中，摇晃器皿1-2min，之后将其放置在加热板上，在80-90℃烘烤1-2min；

(d)将步骤(c)的产物置于icp等离子刻蚀机中，在功率100-500w刻蚀40-60s；

(e)将步骤(d)中经刻蚀的产物放入电子束蒸镀机中，蒸镀3层金属层，所述3层金属层的蒸镀顺序依次为第一保护层、磁性层和第二保护层；其中第一保护层和第二保护层的厚度各自独立的为2-20nm，所述磁性层的厚度为50-120nm；

(f)将步骤(e)中的产物置于浓度为1.5-2.5mol/l的氢氧化钠溶液中，加入柠檬酸钠，放置10-60min，取出硅片，之后固液分离，得到所述磁性l型微纳米机器人。

本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的制备方法采用电子束曝光技术，其区别于紫外光刻，不会受到光衍射的影响，制备的精度可达20纳米，同时在电子束曝光的过程中可以不断调节电子束曝光剂量，使精度误差减小至5nm，相对于现有的制备技术，在制备精度上有的很大的提升；由于本方案中同时采用了感应耦合等离子体刻蚀(icp刻蚀)技术，通过化学刻蚀去除了制备过程中产生的两性金属层等杂质；本方案采用电子束曝光技术制备二维的平面结构，通过电子束蒸镀得到磁性的三维结构，相较于激光直写技术直接制备三维结构，有更高的产率，方便大批量制备。

本实用新型所述磁性l型微纳米机器人用于靶向送药。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的线宽为0.3-1μm，其尺寸为微纳米尺度，能在磁场驱动下进行靶向送药，其在水中的移动的最快速度可达3-10μm/s；

(2)本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的制备过程采用电子束曝光技术和icp刻蚀技术相结合，能明显提高磁性l型微纳米机器人的制备精度，其制备精度可达20nm以下，且所述制备方法简单，适于大批量生产，满足靶向送药的需求。

附图说明

图1是本实用新型所述磁性l型微纳米机器人制备过程的流程示意图；

图2是本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的结构示意图；

图3是本实用新型实施例1中涂覆电子束胶得到的模板的光学图片；

图4是本实用新型实施例1中制备得到的磁性l型微纳米机器人的正面的扫描电镜图(此处正面指的是磁性l型微纳米机器人上不与所述电子束胶接触的一侧表面)；

图5是本实用新型实施例1中制备得到的磁性l型微纳米机器人的背面的扫面电镜图(此处背面指的是磁性l型微纳米机器人上与所述电子束胶接触的一侧表面)；

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本实用新型，不应视为对本实用新型的具体限制。

本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的制备工艺流程图如图1所示，由图1可以看出，所述磁性l型微纳米机器人的制备过程包括以下步骤：

(ⅰ)在基底表面电子束蒸镀两性金属层，之后在两性金属层的表面涂覆电子束胶；

(ⅱ)将步骤(ⅰ)中的电子束胶经一次烘烤、曝光、显影、二次烘烤，之后进行icp刻蚀，得到用于制备磁性l型微纳米机器人的模板；

(ⅲ)在步骤(ⅱ)中模板上的电子束胶的一侧利用电子束依次蒸镀第一保护层、磁性层和第二保护层；

(ⅳ)待电子束蒸镀完毕后，将步骤(ⅲ)的产物转移至碱液中，添加表面活性剂，超声处理，之后取出基底、固液分离，得到所述磁性l型微纳米机器人。

以下实施例均采用上述工艺流程。

本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的结构示意图如图2所示，不同金属层的界限在图中未画出，由图2可以看出，所述磁性l型微纳米机器人的厚度方向指的是“d”对应的双向箭头的方向，本实用新型所述磁性l型微纳米机器人的宽边的长度指的是图2中“m”所代表的双向箭头的长度，所述长边的长度指的是图2中“h”所代表的双向箭头的长度；所述线宽指的是图2中“q和q＇”所代表的双向箭头的长度，优选为q＝q＇。

实施例1

本实施例所述磁性l型微纳米机器人包含三层结构，其中间层为金属镍层，所述镍层的两侧表面覆盖有金属钛层；所述金属镍层的厚度为80nm，所述两个金属钛层的厚度均各自独立的为10nm；所述磁性l型微纳米机器人的线宽为0.8μm，即q和q＇均为0.8μm；其长边的长度为2.4μm，其短边的长度为1.6μm。

本实施例所述磁性l型微纳米机器人的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(a)采用电子束蒸镀的方法在硅片表面蒸镀厚度为150nm的金属铝层；

(b)在步骤(a)中的金属铝层的表面旋涂电子束胶，所述电子束胶的型号为ar-7520.07；所述旋涂的速率为3000r/min，之后将其置于90℃的加热板上进行一次烘烤2min；

(c)将经一次烘烤的样品转移至电子束曝光机中，选择曝光参数为600μc/cm²；之后将其置于装有电子束显影液的玻璃器皿中，摇晃玻璃器皿1.5min；之后取出样品转移至85℃的加热板上进行二次烘烤1.5min；

(d)将经二次烘烤的样品转移至icp等离子刻蚀机中，在功率为250w的条件下刻蚀50s；

(e)将步骤(d)中经刻蚀的样品转移至电子束蒸镀机中，依次蒸镀金属钛、金属镍和金属钛；

(f)将步骤(e)中蒸镀的产物转移至浓度为2mol/l的氢氧化钠溶液中，加入质量分数为20％的柠檬酸钠溶液，所述氢氧化钠溶液与柠檬酸钠溶液体积比为1:1；超声处理10min，之后放置1h，取出硅片，过滤溶液得到所述磁性l型微纳米机器人。

本实施例中用于电子束蒸镀制备磁性l型微型机器人的模板的光学图片如图3所示，由图3可以看出，本实用新型所述磁性l型微型机器人的制备方法能用来大批量制备磁性l型微纳米机器人。

本实施例中制备得到的磁性l型微纳米机器人正面和反面的扫描电镜图如图4和图5所示，由图4和图5可以看出，所述磁性l型微纳米机器人的制备精度高，其制备过程的精度达5nm。

实施例2

本实施例所述磁性l型微纳米机器人包含三层结构，其中间层为金属镍层，所述镍层的两侧表面覆盖有金属钛层；所述金属镍层的厚度为70nm，所述两个金属钛层的厚度均各自独立的为15nm；所述磁性l型微纳米机器人的线宽为0.5μm；其长边的长度为1μm，其短边的长度为1μm。

本实施例所述磁性l型微纳米机器人的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(a)采用电子束蒸镀的方法在硅片表面蒸镀厚度为250nm的金属铝层；

(b)在步骤(a)中的金属铝层的表面旋涂电子束胶，所述电子束胶的型号为ar-7520.07；所述旋涂的速率为4000r/min，之后将其置于85℃的加热板上进行一次烘烤1.5min；

(c)将经一次烘烤的样品转移至电子束曝光机中，选择曝光参数为500μc/cm²；之后将其置于装有电子束显影液的玻璃器皿中，摇晃玻璃器皿2min；之后取出样品转移至85℃的加热板上进行二次烘烤1min；

(d)将经二次烘烤的样品转移至icp等离子刻蚀机中，在功率为450w的条件下刻蚀40s；

(e)将步骤(d)中经刻蚀的样品转移至电子束蒸镀机中，依次蒸镀金属钛层、金属镍层和金属钛层；

(f)将步骤(e)中蒸镀的产物转移至浓度为1.5mol/l的氢氧化钠溶液中，加入质量分数为20％的柠檬酸钠溶液，所述氢氧化钠溶液与柠檬酸钠溶液体积比为1:1；超声处理15min，之后放置1.5h，取出硅片，过滤溶液得到所述磁性l型微纳米机器人。

实施例3

本实施例所述磁性l型微纳米机器人包含三层结构，其中间层为金属镍层，所述镍层的两侧表面覆盖有金属钛层；所述金属镍层的厚度为70nm，所述两个金属钛层的厚度均各自独立的为15nm；所述磁性l型微纳米机器人的线宽为0.3μm；其长边的长度为0.6μm，其短边的长度为0.6μm。

本实施例所述磁性l型微纳米机器人的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(a)采用电子束蒸镀的方法在玻璃片表面蒸镀厚度为100nm的金属铝层；

(b)在步骤(a)中的金属铝层的表面旋涂电子束胶，所述电子束胶的型号为ar-7520.07；所述旋涂的速率为2500r/min，之后将其置于80℃的加热板上进行一次烘烤3min；

(c)将经一次烘烤的样品转移至电子束曝光机中，选择曝光参数为700μc/cm²；之后将其置于装有电子束显影液的玻璃器皿中，摇晃玻璃器皿1min；之后取出样品转移至90℃的加热板上进行二次烘烤2min；

(d)将经二次烘烤的样品转移至icp等离子刻蚀机中，在功率为150w的条件下刻蚀60s；

(e)将步骤(d)中经刻蚀的样品转移至电子束蒸镀机中，依次蒸镀金属钛层、金属镍层和金属钛层；

(f)将步骤(e)中蒸镀的产物转移至浓度为2.5mol/l的氢氧化钠溶液中，加入质量分数为20％的柠檬酸钠溶液，所述氢氧化钠溶液与柠檬酸钠溶液体积比为2:1；超声处理20min，之后放置2h，取出硅片，过滤溶液得到所述磁性l型微纳米机器人。

实施例4

本实施例所述磁性l型微纳米机器人包含三层结构，其中间层为金属钴层，所述层的两侧表面覆盖有金属钛层；所述金属钴层的厚度为50nm，所述两个金属钛层的厚度均各自独立的为20nm；所述磁性l型微纳米机器人的线宽为0.5μm；其长边的长度为1μm，其短边的长度为1μm。

本实施例所述磁性l型微纳米机器人的制备方法与实施例1的区别仅在于，步骤(e)中电子束蒸镀的过程的参数，使得所得磁性l型微纳米机器人的结构符合上述条件。

性能测试：

使用设备：电子束曝光机，设备品牌：nanobeam，设备精度5nm。

对实施例1-4制备得到的磁性l型微纳米机器人进行磁场驱动性能的测试，每组测试取样数为10个，并测试其制备过程的精度，测试结果见表1；

此处所述“最快速度”指的是保证运动姿态在最大效率的轨道上，即45°对应的游泳速度。

表1

由上表可以看出，本实用新型所述磁性l型微纳米型机器人在磁场的驱动下，其在水中的最快速度可达5-10μm/s，且本实用新型所述磁性l型微纳米型机器人的制备方法的制备精度高，可达20nm以下。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

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