本文是一篇机械自动化类论文，本文提出利用电场对微球和微泡进行操控的方法，搭建试验平台，研究不同电场强度作用下相同尺寸微球在导电溶液中迁移的运动规律和相同电场强度作用下不同尺寸微球在导电溶液中迁移的运动规律。
第1章 绪论
1.1课题研究背景及意义
微球迁移在众多领域均彰显出广泛的应用潜能[1]。在医学领域，利用磁性微球或其它功能化微球将药物递送至特定病灶部位，如肿瘤组织。此方式提升了药物的有效性，尤其针对在癌症治疗中展现出巨大潜力，能够实现靶向药物递送，并且在减少药物损耗的同时也削减了对患者造成的不良影响。在材料科学的应用发展进程中，微球迁移同样发挥着极为关键的作用。微球能够通过电场、磁场或光场的作用在纳米尺度上进行定向排列或自组装，形成具有特定光学、电学或力学性能的纳米材料。这类材料在光子晶体[2]、传感器[3]以及电池材料[4]等方面有着广泛应用。微球迁移技术凭借其高精度和多样性在生物医学、材料科学、环境工程、光学与电子以及能源等诸多领域展现出重要的应用价值。
微球迁移通过借助外部力或场对微米或纳米球形颗粒予以操控，促使其沿特定方向移动或呈定向排列。当前，常见的微球操控方法涵盖光镊[5]、磁性操控[6]、声控[7]以及电泳[8]等微纳操纵技术。这些方法各具特性，并且能够实现对微球的操纵和定位。
微泡具备体积微小、稳定性强、停留时间久、比表面积大以及自增压效应显著等诸多优势[9]。目前，微泡已在生物医学、动力、环境、石油、冶金等多个领域广泛应用[10]。其中，微泡在生物医学领域应用尤为显著，并且已经步入当代医学前沿范畴。微泡在超声以及微泡介导基因治疗中发挥着极其重要的作用[11]，在超声造影剂[12]、药物运输介质[13]以及药物研发[14]等医学领域已经得到广泛研究。在医学应用过程中，药物和氧气输送的理想气泡尺寸在一定区间内[15]，微泡外壳可用于包覆药物，受到超声激发时微泡能够在目标位置破裂并释放药物。这种靶向释药方式能够有效提高治疗效率并且降低副作用，为优化现代医学治疗手段提供有力的技术支撑与创新思路。
1.2微球迁移研究现状
1.2.1光镊
光镊作为一种光学技术，利用光的辐射压力实现纳米至微米范围内微粒的悬浮、测量与操纵[22–24]。其基本原理为通过高度聚焦激光束对微小颗粒施加作用力，进而达成对微粒的捕获与操控[25]，光镊几何原理和系统如图1.1所示。光镊亦被称作单光束梯度力阱，该概念于1986年被Ashkin等[26]首次提出，这项微纳操纵技术主要被应用于微粒操纵[27]、蛋白质结晶[28]以及单分子力谱[29]等领域。
近年来，伴随激光技术的发展，光镊微纳操纵技术也取得了一定发展。其中，近场光镊是基于近场光学理论构建起来的一项能够对微粒实现稳定捕获和操控的新技术[32]，能够更加精确对微粒进行操控。
Brambilla等[33]用亚波长光纤结构实现了对微粒的捕获与操纵，试验装置如图1.2所示。激光可调控锥体附近粒子的运动状态及其方向，粒子能够沿光传播方向稳定推进。在此过程中，梯度力促使粒子维持相对稳定的运动状态，吸收力与散射力驱动微粒沿光传播方向加速运动，实现了微粒不同速度的运动状态。值得注意的是，周围介质的粘性阻力与推进力方向相反会限制微粒的持续加速。该研究聚焦于微粒在光纤结构中的运动操控，暂未涵盖如流体环境更为复杂的外部条件，导致其应用场景的拓展维度受限。
第2章 理论基础
2.1介电泳机理
2.1.1极化原理
当电极承载电流时，电介质内的自由电荷发生迁移并重新分布，这种现象被称为极化[89]。介电泳是指不带电的微球在非均匀电场中因极化作用而产生的运动行为。基于微球极化原理，研究介电泳机理的关键在于需要把握微球极化后的受力情形。微球于均匀电场和非均匀电场中的极化状态如图2.1所示，其中，E表示所施加的电场强度，d表示微球直径。在电场力作用下微球表面的自由电荷以及溶液中的离子均会重新分布直至两者达到相对平衡状态，即极化状态[90]。
依据静电学理论，极化过程中粒子表面与溶液接触区域会产生相应的异号感应电荷。由于粒子与溶液具有不同的极化特性，两者内部所诱导的感应电荷数量并非完全一致[91]。如图2.1(b)所示，当微球处于非均匀电场条件下，若此情境中溶液的极化率高于微球，溶液中所生成的极化感应电荷数量多于微球内部的感应电荷数量。通过图2.1(b)发现，微球内部与溶液左边界的衔接处会积聚一定量的正电荷，而在微球内部与溶液的左侧分界面处则会形成一定数量的负电荷，两者共同构成一个电偶极子并记为±Q。电偶极子的带电量与其间距离的乘积被定义为偶极矩，p表示感应偶极矩，则有p=Qd，其中，d既代表微球直径也表示电偶矢径，且感应偶极矩方向与电场方向相反。根据上述式子可知，感应偶极矩大小取决于电偶极子的带电量以及电偶矢径，其主要用于表征微球在电场作用下极化程度的关键物理参数。
2.2电流体动力学理论
2.2.1静电学方程
在电流体动力学系统中，电场强度发挥着主导性作用。通常而言，静电场呈现无旋特性且其旋度值为零[92]。
施加电场作用下，微泡受到的电场力主要由两个部分组成：其一为自由电荷在电场环境下的传导效应，此过程中自由电荷依据电场的方向与强度进行定向移动从而对气泡施加作用力；其二是流体介质在电场作用下发生极化现象，使得介质内部电荷分布发生改变进而产生附加的电场力作用于微泡
在非极性流体体系中，电致伸缩效应的力学表现可以借由特定定律予以描述流体分子在电场中的极化行为。克劳修斯-莫索蒂定律将介电常数（表示材料极化能力）与分子极化率联系在一起。经过简化电致伸缩力表达式，电致伸缩力大小与电场强度的平方成正相关，同时还与流体的分子极化率及介电常数相关。换言之，当对流体施加外部电场时，会诱导分子发生极化现象，而这种极化过程导致介电常数改变将进一步对流体内部的机械力产生影响。
第3章 电场作用下微球稳定迁移试验研究及仿真分析 .................... 28
3.1 引言 ............................ 28
3.2 电场作用下微球在溶液中迁移试验平台搭建 ............................ 28
第4章 电场作用下单分散微泡运动状态试验研究 ............................ 46
4.1 引言 ..................... 46
4.2 微纳气泡 ............................... 46
第5章 总结与展望 .......................... 53
5.1 主要研究结论 ........................ 53
5.2 未来与展望 ..................... 54
第4章 电场作用下单分散微泡运动状态试验研究
4.1微纳气泡
在实际研究情境中，气泡尺寸分布呈现显著的非均一性特征。因此，研究人员通常借助平均直径或尺寸分布等关键参数来实现对气泡尺寸特性更为准确且科学的量化表征。为有效规避因多种尺寸定义方式并存而导致的概念混淆与数据不一致的问题，众多研究者在学术交流和研究成果发表中逐渐倾向于采用“微纳气泡”这一综合性术语[97]。相较于普通气泡，微泡展现出一系列的独特特性：稳定性更高、表面积和体积之比更高、传质效率更高以及界面电位更高等。根据气泡的尺寸大小和物理化学性质进行分类，如图4.1所示，该图直观展示了不同类型气泡在尺寸和性质维度上的分布特征。
第5章 总结与展望
5.1主要研究结论
在微纳技术领域，电场凭借其独特的物理特性占据至关重要的核心地位与应用价值。与此同时，微球与微泡作为微观尺度下具有独特性质的结构，在医学和生物技术领域展现出较大的应用价值，特别地在药物递送、分子成像以及基因治疗等领域。本文提出利用电场对微球和微泡进行操控的方法，搭建试验平台，研究不同电场强度作用下相同尺寸微球在导电溶液中迁移的运动规律和相同电场强度作用下不同尺寸微球在导电溶液中迁移的运动规律。研究电场作用下微泡迁移的运动状态，首先搭建稳定的试验平台，运用微加工技术制作微流控芯片，制备尺寸均匀分布的单分散微泡，为后续开展试验研究奠定坚实基础。随后，重点研究电场作用下在导电溶液中微泡迁移的运动状态以及可能发生的形变现象，揭示其在电场作用下的运动规律。
通过上述试验研究与理论探讨，为医学领域中靶向携带药物治疗这一关键技术提供了新颖且具有实际应用价值的方法与思路。借助对微泡迁移规律以及微泡形变的深入理解，能够更为准确调控药物递送的速度、位置以及所能够携带的药物数量，有效解决在传统药物配送过程中因药物剂量不准确以及配送位置偏差所引发的一系列负面问题，极大提高药物治疗的精准性与有效性。
本文的核心研究内容以及获得的结论如下：
（1）基于极化理论与电流体动力学理论，搭建试验平台开展具有针对性的两项试验研究：其一，聚焦于开展不同电场强度作用下相同尺寸微球在导电溶液中迁移的试验研究；其二，开展相同电场强度作用下不同尺寸微球在导电溶液中迁移的试验研究。为进一步验证试验结果的可靠性，基于相场模型，运用C语言编写相应程序代码，设置参数对上述试验研究进行全面的仿真验证。
（2）制备微流控芯片并以此为基础搭建稳定可靠的试验平台制备单分散微泡。开展相同电场强度作用下不同尺寸单分散微泡迁移运动状态的试验研究，通过调控液相进样速度制备半径分别约为50μm、100μm和150μm的微泡。
参考文献（略）
