Микропинцет с градиентом магнитного поля и способ его изготовления Российский патент 2023 года по МПК B25J7/00 A61B17/00 B81B7/00 

Изобретение относится к области биомедицинских сенсоров и манипуляторов новых поколений. Актуальными задачами биомедицины являются позиционирование, анализ, перемещение биологических микро- и нанообъектов [Sarkar R., Rybenkov V.V. // Frontiers in Physics. 2016. V.4. №48. P.20. Doi: 10.3389/fphy.2()16.()0048, Henighan Т., Chen A., Vieira G., Hauser A.J., Yang F.Y., Chalmers J.J., Sooryakumar R. // Biophys J. 2010. V.98. №3. P. 412-417. Doi: 10.1016/j.bpj.2009.10.036, Kollmannsberger P., Fabry B. // The Rev. Sci. Instr. 2007. V. 78. P. 114301. Doi: 10.1063/1.2804771], выпрямление молекул РНК и ДНК [Vlaminck I., Dekker С.// Ann. Rev. Biophys. 2012. V. 41. P. 453-472. Doi: 10.1146/annurev-biophys-122311-100544, Lipfert J., Wiggin M., Kerssemakers J.. Pedaci F., Dekker N.H. // Nature Commun. 2011. V. 2. №439. P. 1-9. Doi: 10.1038/ncommsl450], торсионная деформация длинных биологических молекул [Iwijn De Vlaminck, Cees Dekker // Annu. Rev. Biophys. 2012. V. 41. P. 453-472. Doi: 10.1146/annurev-biophys-122311-100544] и др. Реализацию таких задач обычно осуществляю с помощью микрофлюидной техники и манипуляторов, зонды которых получены дорогим литографическим методом. Принцип работы магнитного микропинцета основан на захвате, удержании и перемещении ферромагнитных частиц и/или магнитомеченных биологических объектов при помощи магнитных полей рассеяния, В качестве микропинцета может выступать магнитный микропровод. Основным требованием, выдвигаемым к таким магнитным манипуляторам, является подбор магнитного материала, который создавал бы необходимое магнитное поле, при этом характеризовался биосовместимостью. Дизайн формы микропровода для максимизации магнитной силы на конце [Thiaville A., D., Miltat J. // Phys. Status Solidi A.1998. V. 170. №439. P. 125-135. Doi: 10.1002/(SICI)l 521-396X(199811)170:K125::AID-PSSA125>3.0.CO;2-8, Chen L., Offenhausser A., Krause H.J. // Journal of Applied Physics. 2015. V. 118. №12. P. 124701. Doi: 10.1063/1.4931981], а также разработка процесса прикрепления/отсоединения ферромагнитных микро- и нанообъектов и меченных ими биообъектов, чувствительность к частицам с малой магнитной силой [Bijamov A., Shubitidze F., Oliver P.M., Vezenov D.V. // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. №10. P. 104701. Doi: 10.1063/1.3510481, Barbie M., Mock J.J., Gray A.P., Schultz S. // Applied Physics Lett. 2001. V. 79. P. 1897-1899. Doi: 10.1063/1.1402963] являются необходимыми для работы с отдельными клетками и магнитомеченными объектами. Требования к создаваемой геометрии магнитного микропинцета (контролируемый размер острия в несколько мкм) возникает из условий совместимости размеров магнитомеченных клеток с размерами микропроводов. Заостренная вершина микропровода должна создавать на своем конце магнитное поле рассеяния достаточное для захвата, удержания и перемещения магнитомеченной клетки.

Практическое применение магнитных микропроводов в качестве магнитных пинцетов связано с бурным развитием спинтронических приложений для биологии и медицины. Магнитные микропровода на основе переходных металлов потенциально могут быть использованы в качестве сенсоров магнитного поля, температуры, механических напряжений и деформации [Jiang S. D., Eggers Т., Thiabgoh О., Xing D. W., Fei W. D., Shen H. X., Liu J. S., Zhang J. R., Fang W. В., Sun J. F., Srikanth H. & Phan M. H., Scientific Reports 7, 46253 (2017)., Zhukova A., Zhukov V., Blancoc J. M., Cobeno A. F., Vazquez M., and Gonzalez J., J. Magn. Magn. Mater. 258, 151 (2003), Gudoshnikov S. A., Grebenshchikov Yu. В., Ljubimov B. Ya., Palvanov P. S., Usov N. A., Ipatov M., Zhukov A., and Gonzalez J., Phys. Status Solidi A 206, 613 (2009), Ye J., del Real R. P., Infante G., and Vazquez M., J. Appl. Phys. 113, 043904 (2013)]. Однако они обладают рядом недостатков (слабая магнитная сила, невозможность варьировать диаметр, наличие хрупкой стеклянной оболочки и тд), что затрудняет их практическое применение в области биомедицины. Перспективным является создание медицинских магнитных микроманипуляторов на основе последнего поколения магнитов со сверхвысокой магнитной энергией - сплавов с редкоземельными металлами. Основным преимуществом сплавов редкоземельных металлов является их высокая магнитокристаллическая анизотропия, благодаря которой становится возможным достижение значительных магнитных полей в микрообъемах. Микромагниты из сплава PrDyFeCoB востребованы в производстве высокоточных гироскопов для систем навигации, для систем магнитной стабилизации камер GoPro, звуковых магнитных мембран в звуковых головках и тд. Микропровода на основе PrDyFeCoB могут быть использованы в качестве магнитных пинцетов и манипуляторов, поскольку содержат редкоземельные компоненты в сплаве, обладающие высокой остаточной намагниченностью. труднодостижимой в микропроводах на основе только переходных металлов [Koplak O.V., Morgunov R.B., 2021, Mat. Sc. Eng. В. 263. 114845, Morgunov R.B., Koplak O.V., Piskorskii V.P., Korolev D.V., Valeev R.A., Talantsev A.D., 2020, JMMM. 497, 166004]. Химический дизайн конца микропровода PrDyFeCoB позволит сконцентрировать магнитный поток у его вершины и увеличить силу притяжения магнитных частиц и/или меченных ими биологических микрообъектов. Двухфазная структура микропровода может быть использована для переключения его намагниченности с помощью внешнего однородного магнитного поля. Локальная намагниченность, структура, фазовый и химический состав микропровода, а соответственно и его магнитные поля рассеяния могут изменяться для определения оптимальных параметров магнитного манипулятора (микропинцета).

Известен способ оптической литографии, который используется для создания ячеек и заостренных зондов для захвата и удержания магнитных частиц и меченных ими биообъектов [А. Н. В. de Vries, В. Е Krenn, R.van Driel, V. Subramaniam, J. S. Kanger, Nano Lett. 2007, 7, 5, 1424-1427, https://doi.org/10.1021/n1070603+]. Оптическая литография является довольно сложным и трудоемким методом нанесения резиста включающим последовательное напыление слоев определенных химических элементов с точностью 1-3 мкм, что требует дорогостоящей аппаратуры, высокой квалификации персонала и специальных условий (чистая комната и т.п.). Заостренную вершину зонда магнитного манипулятора можно создать только путем вмешательства в производство самих магнитных зондов, когда на уже заостренную платформу из ферромагнитного материала напыляется слой фоторезиста с заданной толщиной.

Кроме того в отличие от оптической, электронная литография является значительно более точным, но во столько же раз более дорогим методом, используемым лишь в лабораторных условиях для создания единичных экземпляров зондов для манипуляторов, поскольку требует специальной подготовки поверхности и материалов, высокого класса чистых комнат и наличия высокоразрешающего электронного микроскопа для анализа полученных результатов [de Vries А. Н. В., Krenn В. Е., van Driel R., Kanger J. S. // Biophys. J. 2005. V. 88. P. 2137-2144. Doi: 10.1529/biophysj. 104.052035, R.E. Maringer, C.E. Mobley, Casting of metallic filament and fiber, J. Vac. Sci. And Technol. 11 (1974) 1067, https://doi.Org/10.1116/1.1318681]. В нашей работе [Morgunov R., Koplak O., Focused magnetization in sharpened rare-earth microwires with four switchable magnetic states, Materials Letters 273 (2020) 127954 https://doi.Org/10.1016/j.matlet.2020.127954] мы разработали прототип магнитного пинцета, основанного на химическом заострении микропровода αFe/PrDyFeCoB смесями кислот HNO₃+HCl, H₂SO₄+HNO₃, HNO₃. Такая процедура позволяет получить заостренную форму конца микропровода с радиусом магнитного полюса до ~ 1 мкм, позволяющего захватывать микрочастицы диаметром 1-5 мкм. При этом затруднительно было их использовать при работе с массивами микрочастиц и «большими» клетками. Получение микропроводов с ядром из α-Fe и оболочки PrDyFeCoB достаточно трудоемкий процесс, требующий соблюдения определенных технических условий при изготовлении (объем нагревающейся капли расплава, температура охлаждения расплава, скорость охлаждения и тд). Прототип не решает проблему локального отклика заостренного зонда на захваченную им ферромагнитную частицу или магнитомеченный биообъект.Такой отклик требует подведения токопроводящих дорожек к зонду.

Задачей изобретения является создание микропинцетов на основе редкоземельных и переходных металлов (PrDyFeCoB) для захвата, удержания, манипулирования, анализа и адресного позиционирования магнитных микро- и наночастиц, а также меченных ими биообъектов и способ их изготовления.

Поставленная задача решается микропинцетом с высоким градиентом магнитного поля на основе PrDyFeCoB сплава для захвата, удержания, манипулирования и адресного позиционирования магнитных микрочастиц и их массивов, представляющим собой микропровод длиной 4÷15 мм, диаметром 30-120 мкм, имеющий цилиндрическую или линзообразную ферму сечения, при этом один из концов имеет заостренную иглообразную вершину радиусом 0,5÷3 мкм.

Так же задача решается способом изготовления микропинцета по п. 1., включающим обработку микропровода состава PrDyFeCoB смесями кислот при повышенной температуре с последующей промывкой дистиллированной водой и сушкой, в котором обработку проводят смесью кислот HNO₃ (65-68% масс.)+HCl (32-35% масс.) при соотношении 1:3 при температуре 381 К, периодичностью 10-12 обработок с интервалом между ними не более 1 сек..

Технический результат, который заложен изобретением в решаемую проблему, заключается в существенном уменьшении стоимости, времени, сложности проведения эксперимента и не требует высокой квалификации персонала по сравнению с распространенным литографическим методом при создании заостренных магнитных микропинцетов. Микропровода на основе PrDyFeCoB обладают высокой намагниченностью насыщения, что увеличивает силу захвата, что является необходимым для «больших» и «тяжелых» биологических клеток. Результатом является создание конусообразной (параболической) или вытянутой иглообразной формы конца микропровода, с полем рассеяния на его конце, достаточным для захвата и манипулирования ферромагнитными микро- и наночастицами, а также меченными ими биологическими объектами. Выполнен детальный анализ структуры, локального элементного состава, интегральных и локальных магнитных свойств, химического заострения микропровода, проведен контроль изменения геометрии и градиента магнитного поля рассеяния у заостренной вершины микропровода. Установлено, что найденный режим химического заострения микропроводов близок к пассивации материала под действием концентрированных кислот. В результате использования найденного режима химического травления поверхности получается практически идеальная параболическая или вытянутая иглообразная формы наконечника микропровода.

Были получены аморфных микропровода PrDyFeCoB с включениями α-Fe, методом висящей капли расплава, при которых возможно варьировать диаметр микропроводов от 30 до 120 мкм и их длину от 4 до 15 мм. Благодаря высокому разнообразию формирующийся фаз ((PrDy)₁(FeCoB)₂, (PrDy)₂(FeCoB)₁, (PrDy)₁(FeCoB)₄B₁, (PrDy)₂(FeCoB)₁₄B₁) в процессе кристаллизации, сплав PrDyFeCoB является практически идеальным кандидатом для создания магнитных микропинцетов, для которых настройка функциональных свойств возможна путем изменения доли кристаллической и аморфной фазы. А также задача усиления градиента магнитного поля решается способом изготовления заостренной иглообразной вершины путем периодичного травления в смеси химических кислот.

Сущность изобретения заключается в следующем. В качестве растворителя использовалась царская водка, приготовленная в стеклянной пробирке следующим образом. К одной части (1 мл) концентрированной азотной кислоты (HNO₃, 65-68% масс.) добавлялось три части (3 мл) концентрированной соляной кислоты (HCl, 32-35% масс.), далее смесь в стеклянной колбе помещалась на электрическую нагревательную плиту и доводилась до температуры кипения (381 К). Для того, чтобы проводить химическое растворение части микропровода в кипящем растворителе, смесь кислот оставалась на нагревательной плите еще на 10-12 секунд после начала закипания. Заострение микропровода происходило следующим образом: колба с кипящим растворителем снималась с плиты, и в него (растворитель) сразу же одним концом погружался на 1 с одиночный микропровод, удерживаемый пинцетом с керамическими наконечниками, затем микропровод вынимался из растворителя на 1 с. Процедура «погружения/изъятия» микропровода повторялась 10-12 раз в зависимости от диаметра микропровода. При этом контроль заострения вершины до необходимых параметров производился под лупой с увеличительным стеклом, что позволило наблюдать динамику формирования заостренной части микропровода, погружаемого в смесь кислот. После химического травления микропровод, удерживаемый керамическим пинцетом, сразу же промывался в дистиллированной воде комнатной температуры (~ 296 К) в течение 5-7 секунд и сушился на фильтровальной бумаге на воздухе при комнатной температуре в течение 15 минут. Весь эксперимент проводится в вентилируемом лабораторном помещении при комнатной температуре и нормальном давлении. Длина погружаемой части образца в химический растворитель равна длине заостренной части, что позволяет варьировать размер заостренной вершины микропровода от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров в зависимости от требований к получаемому продукту. Результат химического дизайна микропровода оценивался с помощью оптической или сканирующей электронной микроскопий. Градиент поля магнитного потока на конце одиночного микропровода, определяемый с помощью микроскопа Керра, имеет довольно высокое значение до ~ 3.7⋅10⁹ Э/м, достаточное для воздействия на биологические процессы внутри клеток в отсутствие ферромагнитных маркеров в них. Высокая сила магнитного притяжения заостренного микропровода DyPrFeCoB достигающая ~ 900 пН, позволяет манипулировать ферромагнитными микрочастицами DyPrFeCoB размером 1-10 мкм, так и их массивами. Радиус дальнодействия заостренных микропроводов 5-10 мкм, что является достаточным для решения биологических и медицинских задач захвата и позиционирования клеток. Узкая петля магнитного гистерезиса микропроводов DyPrFeCoB с коэрцитивной силой Н_с=10÷100 Э позволяет переключать (откреплять микрочастицу или магнитомеченную клетку) в слабых магнитных полях. Заостренные магнитные микропровода могут быть использованы в устройствах медицинской спинтроники и биофизики в качестве магнитных микропинцетов, сенсоров и манипуляторов способных к захвату, удержанию и адресному позиционированию ферромагнитных частиц и магнитомеченных клеток исключительно за счет магнитного притяжения без интенсивного облучения и/или механического воздействия на изучаемый биологический объект.

Методики аттестации заостренных микропроводов

Магнитные микропровода и их получение

Микропровода PrDyFeCoB были получены методом экстракции висящей капли расплава [Savage, S.J., Froes, F.H. Production of Rapidly Solidified Metals and Alloys. JOM 36, 20-33 (1984). https://doi.org/10.1007/BF03338423]. Нагрев расплава из переходных и редкоземельных металлов PrDyFeCoB проводили в индукционной вакуумной печи.

Ферробор и кобальт плавили в керамическом тигле в вакууме 10^-3 Па. Затем в расплав добавляли Pr и Dy. Охлажденный слиток полученного расплава PrDyFeCoB измельчали в несколько этапов до достижения среднего размера частиц ~ 30 мкм. Полученный порошок прессовали в призму длиной 8-10 см и диаметром 1.0-1.5 см и спекали в вакуумной печи 1.3⋅10^-3 Па при 1413 К. Спеченная призма подвешивалась над быстро вращающимся (линейная скорость 30-60 м/с) водоохлаждаемым латунным цилиндром. Высокоэнергетический электронный пучок направлялся на свободный конец призмы для локального нагрева и образовывания капли расплава. Расплавленная капля падает на водоохлаждаемый цилиндр, и таким образом, формируется микропровод радиусом 10÷100 мкм и длиной 1÷10 мм, который быстро охлаждается с высокой скоростью ~ 10⁶ К/с, достаточной для формирования аморфной фазы PrDyFeCoB и ферромагнитных включений α-Fe.

Рентгенограмма микропроводов

Структурный анализ микропроводов PrDyFeCoB проводили на рентгеновском дифракционном спектрометре ДРОН-2УМ, обеспечивающем 20-сканирование в диапазоне 10-80° при CuKα-облучении. Шаг сканирования составлял 0.02°.

Химический дизайн иглообразных микропроводов

К одной части (1 мл) царской водки концентрированной азотной кислоты (HNO₃, 65-68% масс.) добавлялось три части (3 мл) концентрированной соляной кислоты (HCl, 32-35% масс.). Смесь доводилась до температуры кипения (381 К) и оставалась на нагревательной плите еще на 10-12 секунд после начала закипания. Далее колба с кипящим растворителем снималась с плиты, и в нее сразу же одним концом погружался на 1 с одиночный микропровод, затем микропровод вынимался из растворителя на 1 с. Процедура «погружения/изъятия» микропровода повторялась 10-12 раз в зависимости от диаметра микропровода. Контроль качества заостренной вершины микропровода осуществлялся методами оптической и электронной микроскопии.

SEM и EDX анализ морфологии и элементного состава микропроводов

Локальный химический состав, определяемый энергодисперсионным анализом (EDX), а также изображения микропроводов PrDyFeCoB были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) SUPRA 25 (Zeiss), оснащенного приставкой «Inca Energy» EDX. Размеры анализируемой области составили 1-10 мкм² площади и 0.1 - 10 мкм глубины в зависимости от величины ускоряющего напряжения.

Оптическая микроскопия

Для получения оптических изображений микропроводов PrDyFeCoB использовали оптический микроскоп AxioImager.Al (Zeiss), который также позволяет работать с биологическими объектами в различных режимах съемки изображения и наблюдать за присоединением и откреплением микрочастиц и магнитомеченных клеток.

SQUID магнитометрия

Магнитные гистерезисы при параллельной и перпендикулярной ориентации микропровода PrDyFeCoB относительно направления внешнего магнитного поля были записаны с помощью магнитометра SQUID MPMS XL (Quantum Design) при температуре 300 К и в диапазоне магнитного поля от -10 кОе до +10 кОе.

Магнитооптические измерения

Локальный гистерезис намагниченности поверхности микропровода был получен при помощи магнитооптического эффекта Керра на микроскопе Durham Nano-МОКЕЗ. Поперечную составляющую намагниченности сканировали вдоль оси микропровода. Внешнее магнитное поле было направлено вдоль оси микропровода, лазерный луч (длина волны 660 нм, диаметр 6 мкм) и ось микропровода лежали в одной плоскости.

Локальное распределение намагниченности вблизи конца микропровода PrDyFeCoB получено методом магнитооптических индикаторных пленок (МОИП), основанном на магнитооптическом эффекте Фарадея в оптически прозрачной гранатовой пленке, которая покрывала микропровод [Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Dedukh L.M., Khapikov A.F., Bennett L.H., McMichael R.D., Swartzendruber L.J., Shapiro A.J., Donahue M.J., Magneto-optical indicator film (MOIF) microscopy of granular and layer structures, J. App.Phys. 79 (1996) 6073, https://doi.org/10.1063/L362096.]. Конец микропровода был покрыт магнитоиндикаторной пленкой железоитриевого граната, позволяющей визуализировать отраженный линейно поляризованный свет, сфокусированный в поляризационном микроскопе. В нулевом внешнем магнитном поле намагниченность индикаторной пленки лежит в ее плоскости. Поскольку микропровод обладает собственным полем в гранатовой пленке возникает отклонение намагниченности от ее ориентации в плоскости. Таким образом, результирующий МОИП-сигнал был прямо пропорционален перпендикулярной составляющей намагниченности микропровода PrDyFeCoB. Темные и светлые контрасты областей на магнитооптическом изображении соответствуют изменению интенсивности в зависимости от направления и величины локального отклонения вектора намагниченности.

Просвечивающая электронная микроскопия

Электронные изображение структуры и локальные электронограммы микропровода PrDyFeCoB получены с помощью просвечивающего электронного микроскопа Jeol JEM-2100, оснащенного высококачественной электронной пушкой с LAB6 катодом и магнитными линзами.

Примеры конкретного исполнения изобретения

Микропровода PrDyFeCoB имели гладкую поверхность с низким параметром шероховатости и практически цилиндрическую форму (фиг.1 СЭМ изображение микропровода PrDyFeCoB (а) и его поперечное сечение (б))..

Рентгеновский дифракционный спектр микропроводов PrDyFeCoB с α-Fe включениями (фиг.2 Спектр рентгеновской дифракции микропровода. Кружками показаны рефлексы жесткой магнитной фазы 2-14-1, треугольник - линия α-Fe, кристаллографические индексы указаны для рефлексов фазы Лавеса 1-2, остальные пики относятся к фазе 1-4-1.) содержит гало, соответствующее аморфной фазе PrDy-FeCo-B, а также пики, соответствующие фазам α-Fe, (PrDy)₂(FeCo-B)₁₄B₁(2-14-1) и (PrDy)₁(FeCo)₄B₁(1-4-1).

Химический состав торца и поверхности микропровода PrDyFeCoB определялись по интенсивностям соответствующих пиков EDX (фиг.3 Типичный энерго-дисперсионный спектр EDX микропровода (а); распределение химических элементов Pr, Dy, Со, Fe в поперечном сечении микропровода (б) и вдоль его длины (в).). Локальная структура микропроводов была аттестована с помощью просвечивающей электронной микроскопии (фиг.4 Ламель, полученная из микропровода PrDyFeCoB (а), локальная электронограмма (б) и бесструктурный фрагмент аморфного микропровода (в), включения фазы 2-14-1 с периодом 0.9 nm в аморфной матрице микропровода (г).). Для этого были подготовлены ламели с толщиной слоя микропровода несколько десятков нанометров (фиг.4а). На фиг.4б представлена электронограмма ламели аморфного микропровода PrDyFeCoB с кристаллическими включениями, что подтверждается изображением аморфного фрагментом микропровода с единичными кристаллическими включения фазы 2-14-1 с периодом 0.9 nm в аморфной матрице микропровода (фиг 4в, г). Наличие размытых широких дифракционных колец на электронограмме, представляющих собой гало, и точечных рефлексов, скопление которых так же образует дифракционное кольцо, свидетельствует о наличие в образце ламели микропровода двух фаз: аморфной и кристаллической соответственно. Наличие двух фаз также видно и на полевой зависимости производной магнитного момента dM/dH микропровода PrDyFeCoB (вставка фиг.5. Петля гистерезиса М(Н), зарегистрированная в параллельной и перпендикулярной ориентациях магнитного поля. На вставке показана полевая зависимость производной dM/dH.).

Для концентрации магнитного потока у вершины микропровода, травлением в смеси кислот HNO₃+HCl (1:3) были получены заостренные микропровода PrDyFeCoB с радиусом вытянутой иглообразной вершины 0.5÷3 мкм (фиг.6 Электронное (а,б) и оптическое (в,г) изображение микропроводов, после химического травления в смеси кислот HNO₃+3HCl.). Поверхность микропровода оставалась гладкой и однородной по всей длине. Микронное значение радиуса является важным условием использования микропроводов PrDyFeCoB в качестве магнитных манипуляторов для биологических объектов [Aermes, С., Hayn, A., Fischer, Т. et al. Sci Rep 10, 13453 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-70428-w]. В следствие выдержки микропровода в смеси кислот происходит пассивация в концентрированных кислотах HNO₃ и H₂SO₄ в результате следующих химических реакций:

что способствует образованию параболической и вытянутой иглообразной вершин.

Магнито-оптическое изображения доменной структуры микропровода представлено на фиг.7- магнито-оптическое изображение микропровода с заостренной вершиной. Темные и светлые контрасты областей соответствуют разным направлениям вектора намагниченности. Перемагничивание микропровода происходит в продольном магнитном поле 30 мТл, что сопровождается изменением черно-белого контраста на МОИП-изображении.

В магнитных микропроводах DyPrFeCoB их цилиндрическая форма и сильная анизотропия способствуют быстрому движению доменных стенок, что обуславливает процесс быстрого и практически мгновенного их перемагничивания. Исходя из этого, химически заостренный микропровод является эффективным концентратором магнитного поля, что является неотъемлемым условием захвата биологических объектов с агнитными метками. Градиент поля магнитного потока ∇B вблизи конца заостренного микропровода определяет максимальную силу удержания магнитных частиц и зависит от расстояния по параболической оси r по формуле:

где M_s=7.9 кЭ - намагниченность насыщения, β ~ 10^{6 м-1} - постоянный коэффициент в уравнении параболы y(R)=βR², μ₀=4π10^-7 (Тл÷м)/А - магнитная проницаемость вакуума. В магнитах параболической формы максимальный градиент поля магнитного потока ∇B достигается при R=1/4β=0.25 мкм. Следовательно, преобразовав выражение (3), получим Примеры микропроводов с заостренными вершинами и их параметры приведены в таблице 1. Поскольку редкоземельные элементы, входящие в состав микропроводов, имеют высокую намагниченность насыщения, ∇B на конце микропровода заметно выше, чем в работе [Lee Н., Purdon A.M., Westervelt R.M. Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. P. 1063-1065. Doi: 10.1063/1.1776339].

Максимальный градиент магнитного поля массивов микропроводов составляет ~ 10¹⁰ Э/м, что близко к градиенту ~ 3.7 ⋅ 10⁹ Э/м одиночного заостренного микропровода DyPrFeCoB, что является достаточной величиной для воздействия на клетки даже в отсутствие ферромагнитных маркеров. Такие значения градиента магнитного поля у вершины и значительная неоднородность внешнего магнитного поля может быть использована для изменения функций и пространственной организации клетки [Lee Н., Purdon А.М., Westervelt R.M. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. P. 1063-1065. Doi: 10.1063/1.1776339, Zablotskii V., Polyakova Т., Lunov O., Dejneka A. // Scientific Reports. 2016. V. 6. P. 37407. Doi: 10.1038/srep37407, Zablotskii V., Pastora J. M., Larumbea S., Perez-Landazabala J.I., Recartea V., Gomez-Polo C. // AIP Conf. Proc. 2010. V. 1311. P. 152-157. Doi: 10.1063/1.3530005]. Например, предельное значение градиента магнитного потока ∇B для позиционирования и магнитно-ассистированной миграции мезенхимальных стволовых клеток составляет 10⁹-10¹⁰Э/м; для включения/выключения канала в клетках с механочувствительными ионными каналами -10⁷ Э/м; для фиксации опухоли из обогащенных железом раковых клеток - 10⁸-10⁹ Э/м; для магнитно-вспомогательного деления раковых клеток с низким натяжением мембран -10⁷-10⁹ Э/м; для изменения пути дифференцировки и экспрессии генов мезенхимальных стволовых клеток -10⁶ Э/м; для эндоцитоза с магнитной поддержкой РС-3 клеток и фибропластов -10⁶ -10⁷ Э/м; для набухания клеток моноцитарной лейкемии ТН3-1 -10⁷ Э/м [Zablotskii V., Polyakova Т., Lunov О., Dejneka А. // Scientific Reports. 2016. V. 6. P. 37407. Doi: 10.1038/srep37407]. Согласно расчетам (таблица 1), магнитный поток заостренного микропровода на три порядка выше, чем у такого же микропровода до химического травления. Магнитная сила на заостренной вершине микропровода F ~ m∇B=150 ÷ 950 пН (здесь m - намагниченность частицы), действующая на микрочастицу из того же материала радиусом ~ 1 мкм (фиг.8 Оптическое изображение заостренного магнитного микропровода по методу 2, захватывающего микрочастицу PrDyFeCoB (а, в, д) и ядра клеток Hela (б, г, е).), очень близка к ультравысокому градиенту ~ 10¹⁰Э/м, экспериментально обнаруженному вблизи вершины редкоземельных микропинцетов, изготовленных дорогим литографическим методом. Максимальное расстояние r₁=3.99 мкм, r₂=12.98 мкм, r₃=2.25 мкм, r₄=13.87 мкм, r₅=2.05 мкм для микропроводов 1-5 (см. таблица 1), ограничивающее способность пинцета удерживать частицу весом 200 пН, было получено при учете обратно пропорциональной зависимости магнитной силы от расстояния между частицей и пинцетом Экспериментально установлена верхняя граница активной зоны ~ 10 мкм для микропроводов PrDyFeCoB с кристаллическими включениями. Варьируя толщину исходного микропровода, открывается возможность получить магнитный пинцет с заданным радиусом дальнодействия (см таблицу 1). Заостренными иглообразными микропроводами PrDyFeCoB были захвачены массивы микрочастиц такого же состава (фиг.8 а,в,д). Микропровода способны захватывать и перемещать на 10-100 микрон от одной до 10 микрочастиц, диаметром 10-15 мкм. Благодаря высокому градиенту магнитного поля у вершины микропровода становится возможным манипулировать ядрами клеток HeLa без дополнительных магнитных маркеров (фиг.8 6,г,е). При этом микропровод не влияет на жизнеспособность клеток, не цитотоксичен и может применяться для манипулирования биологическими микрообъектами (фиг.9. Оптическое изображение микропровода, заостренного по методу 2 с захваченной клеткой Hela.).

Таким образом, предложен улучшенный способ химического дизайна микропроводов PrDyFeCoB, при котором изготовленные предлагаемым способом магнитные микропинцеты, обладают следующими преимуществами:

а) Для их создания не требуется дорогая, трудоемкая и длительная по времени процедура, связанная с литографическим процессом.

б) Химическое травление поверхности микропровода производится локально, что позволяет создавать зонды с заданной геометрией.

в) Подбор режима травления в кислотах позволяет получать микропровода как с параболической, так и с иглообразной вершиной.

г) Возможна повторная доработка геометрической формы конца микропровода в случае, если созданный радиус или длина наконечника в целом не удовлетворяют нужным параметрам.

д) Радиус заостренной вершины микропровода составляет от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон, что достаточно для работы с микро- и нанообъектами.

е) Заостренные микропровода стабильны со временем, не цитотоксичны что позволяет работать с биологическими объектами непосредственно в питательной среде.

Таким образом, химическое травление может быть использовано для изготовления микропроводов на основе сплава PrDyFeCoB с параболической и вытянутой иглообразной вершинами для концентрации магнитного потока и усиления силы притяжения ферромагнитных частиц и магнитомеченных клеток. Химическое растворение конца микропровода DyPrFeCoB смесью кислот HNO₃+HCl (1:3) позволяет получить вытянутую иглообразную вершину конца микропровода с радиусом магнитного полюса до ~ 0.73 мкм, что позволяет использовать такие заостренные микропровода в качестве магнитного пинцета. При этом применение для химического травления кислот HCl, H₂SO₄, Н₃РО₄ не позволило достичь ни параболической, ни иглообразной геометрии.

Благодаря высокой магнитокристаллической анизотропии DyPrFeCoB сплава, получен значительный градиент поля магнитного потока вблизи заостренного конца одиночного микропровода, который имеет довольно высокое значение до ~ 3.7⋅10⁹ Э/м, достаточное для захвата и позиционирования живых микробиообъектов. Дальнодействие микропровода за счет силы магнитного притяжения до ~ 880 пН, составляет ~ 5-10 мкм. Микропровода, заостренные таким методом, позволяют работать как с отдельными микрочастицами, так и одновременно с массивами микрочастиц.

Основная область применения заостренных микропроводов - устройства медицинской спинтроники и биофизики, способные к захвату, удержанию и адресному позиционированию ферромагнитных частиц и магнитомеченных клеток без интенсивного облучения и механического воздействия на изучаемый биологический объект.

Группа изобретений относится к области биомедицинских сенсоров и манипуляторов новых поколений. Способ изготовления микропинцета с градиентом магнитного поля включает обработку микропровода состава PrDyFeCoB смесями кислот при повышенной температуре с последующей промывкой дистиллированной водой и сушкой. При этом обработку проводят смесью концентрированных кислот HNO₃ 65-68% масс. + HCl 32-35% масс. при соотношении 1:3 при температуре 381 К, периодичностью 10-12 обработок, длительностью 1 с каждая обработка, с интервалом между ними не более 1 с, а градиент магнитного поля составляет от 0.55⋅10⁹ до 3.7⋅10⁹ Э/м. Также раскрывается микропинцет, изготовленный указанным способом. Группа изобретений обеспечивает уменьшение стоимости, времени, сложности проведения эксперимента и не требует высокой квалификации персонала по сравнению с распространенным литографическим методом при создании заостренных магнитных микропинцетов. 2 н.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления микропинцета с градиентом магнитного поля, включающий обработку микропровода состава PrDyFeCoB смесями кислот при повышенной температуре с последующей промывкой дистиллированной водой и сушкой, отличающийся тем, что обработку проводят смесью концентрированных кислот HNO₃ 65-68% масс. + HCl 32-35% масс. при соотношении 1:3 при температуре 381 К, периодичностью 10-12 обработок, длительностью 1 с каждая обработка, с интервалом между ними не более 1 с, а градиент магнитного поля составляет от 0.55⋅10⁹ до 3.7⋅10⁹ Э/м.

2. Микропинцет, изготовленный способом по п. 1, с градиентом магнитного поля от 0.55⋅10⁹ до 3.7⋅10⁹ Э/м на основе PrDyFeCoB сплава для захвата, удержания, манипулирования и адресного позиционирования магнитных микрочастиц и их массивов, представляющий собой микропровод длиной 4÷15 мм, диаметром 30-120 мкм, имеющий цилиндрическую или линзообразную форму сечения, при этом один из концов имеет заостренную иглообразную вершину радиусом 0.73÷3 мкм.