Быстрый электрохимический микронасос для портативного модуля доставки лекарств
- Авторы: Уваров И.В.1, Шлепаков П.С.1,2, Абрамычев А.М.1,2, Световой В.Б.3
-
Учреждения:
- Ярославский филиал Физико-технологического института имени К.А. Валиева Российской академии наук
- Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
- Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук
- Выпуск: Том 52, № 3 (2023)
- Страницы: 227-235
- Раздел: МЭМС–УСТРОЙСТВА
- URL: https://journals.rcsi.science/0544-1269/article/view/138570
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0544126923700345
- EDN: https://elibrary.ru/UEFVBL
- ID: 138570
Цитировать
Аннотация
Микрофлюидные устройства способны осуществлять прецизионную доставку лекарств в организм человека. Для этой цели они должны оснащаться компактным насосом, обеспечивающим высокий расход жидкости и точную дозировку. В настоящей работе представлен микронасос на основе быстрого электрохимического актюатора, отвечающий этим требованиям. Он содержит три актюатора, работающих в перистальтическом режиме. Устройство изготавливается на основе стеклянных и кремниевых пластин с использованием стандартных процессов микротехнологии. Рабочая часть насоса имеет размер около 3 мм3, что на порядок меньше по сравнению с мембранными насосами других типов. Малый размер актюаторов обеспечивает сверхвысокую точность дозировки жидкости, составляющую 0.14 нл. В то же время, высокая частота работы актюаторов позволяет развивать удельную скорость перекачки, сравнимую с насосами других типов.
Об авторах
И. В. Уваров
Ярославский филиал Физико-технологического института имени К.А. ВалиеваРоссийской академии наук
Email: i.v.uvarov@bk.ru
Россия, 150007, Ярославль, ул. Университетская, 21
П. С. Шлепаков
Ярославский филиал Физико-технологического института имени К.А. ВалиеваРоссийской академии наук; Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Email: p.shlepakov@bk.ru
Россия, 150007, Ярославль, ул. Университетская, 21; Россия, 150003, Ярославль,
ул. Советская, 14
А. М. Абрамычев
Ярославский филиал Физико-технологического института имени К.А. ВалиеваРоссийской академии наук; Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Email: p.shlepakov@bk.ru
Россия, 150007, Ярославль, ул. Университетская, 21; Россия, 150003, Ярославль,
ул. Советская, 14
В. Б. Световой
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. ФрумкинаРоссийской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: p.shlepakov@bk.ru
Россия, 199071, Москва, Ленинский просп., 31
Список литературы
- Tang W., Jiang D., Li Z., Zhu L., Shi J., Yang J., Xiang N. Recent advances in microfluidic cell sorting techniques based on both physical and biochemical principles // Electrophoresis. 2019. V. 40. № 6. P. 930–954. https://doi.org/10.1002/elps.201800361
- Xu X., Huang X., Sun J., Wang R., Yao J., Han W., Yin M. Recent progress of inertial microfluidic-based cell separation // Analyst. 2021. V. 146. № 23. P. 7070–7086. https://doi.org/10.1039/D1AN01160J
- Fujii S.I., Tokuyama T., Abo M., Okubo A. Fluorometric determination of sulfite and nitrite in aqueous samples using a novel detection unit of a microfluidic device // Anal. sci. 2004. V. 20. № 1. P. 209–212. https://doi.org/10.2116/analsci.20.209
- Bodor R., Madajová V., Kaniansky D., Masár M., Jöhnck M., Stanislawski B. Isotachophoresis and isotachophoresis—zone electrophoresis separations of inorganic anions present in water samples on a planar chip with column-coupling separation channels and conductivity detection // J. Chromatogr. A. 2001. V. 916. № 1–2. P. 155–165. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(00)01080-3
- Garcia-Cordero J.L., Maerkl S.J. Microfluidic systems for cancer diagnostics // Current opinion in biotechnol. 2020. V. 65. P. 37–44. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2019.11.022
- Luan Q., Macaraniag C., Zhou J., Papautsky I. Microfluidic systems for hydrodynamic trapping of cells and clusters // Biomicrofluidics. 2020. V. 14. № 3. P. 031502. https://doi.org/10.1063/5.0002866
- Riahi R., Tamayol A., Shaegh S.A.M., Ghaemmaghami A.M., Dokmeci M.R., Khademhosseini A. Microfluidics for advanced drug delivery systems // Curr. Opin. Chem. Eng. 2015. V. 7. P. 101–112. https://doi.org/10.1016/j.coche.2014.12.001
- Pons-Faudoa F.P., Ballerini A., Sakamoto J., Grattoni A. Advanced implantable drug delivery technologies: transforming the clinical landscape of therapeutics for chronic diseases //Biomed. microdevices. 2019. V. 21. № 2. P. 1–22. https://doi.org/10.1007/s10544-019-0389-6
- Wang Y.N., Fu L.M. Micropumps and biomedical applications–A review // Microelectron. Eng. 2018. V. 195. P. 121–138. https://doi.org/10.1016/j.mee.2018.04.008
- Gidde R.R., Pawar P.M., Ronge B.P., Dhamgaye V.P. Design optimization of an electromagnetic actuation based valveless micropump for drug delivery application // Microsyst. Technol. 2019. V. 25. № 2. P. 509–519. https://doi.org/10.1007/s00542-018-3987-y
- Pawinanto R.E., Yunas J., Alwani A., Indah N., Alva S. Electromagnetic micro-actuator with silicon membrane for fluids pump in drug delivery system // lab-on a chip.2019. V. 1. № 2. P. 3. https://doi.org/10.18178/ijmerr.8.4.576-579
- Conrad H., Schenk H., Kaiser B., Langa S., Gaudet M., Schimmanz K., Lenz M. A small-gap electrostatic micro-actuator for large deflections // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 1–7. https://doi.org/10.1038/ncomms10078
- Lee I., Hong P., Cho C., Lee B., Chun K., Kim B. Four-electrode micropump with peristaltic motion // Sens. Actuator A Phys. 2016. V. 245. P. 19–25. https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.04.010
- Chia B.T., Liao H.H., Yang Y.J. A novel thermo-pneumatic peristaltic micropump with low temperature elevation on working fluid // Sens. Actuator A Phys. 2011. V. 165. № 1. P. 86–93. https://doi.org/10.1016/j.sna.2010.02.018
- Sassa F., Al-Zain Y., Ginoza T., Miyazaki S., Suzuki H. Miniaturized shape memory alloy pumps for stepping microfluidic transport // Sens. Actuators B: Chem. 2012. V. 165. № 1. P. 157–163. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.12.085
- Pečar B., Križaj D., Vrtačnik D., Resnik D., Dolžan T., Možek M. Piezoelectric peristaltic micropump with a single actuator // J. Micromech. Microeng. 2014. V. 24. № 10. P. 105010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/24/10/105010
- Sayar E., Farouk B. Multifield analysis of a piezoelectric valveless micropump: effects of actuation frequency and electric potential // Smart mater. and struct. 2012. V. 21. № 7. P. 075002. https://doi.org/10.1088/0964-1726/21/7/075002
- Kim H., Hwang H., Baek S., Kim D. Design, fabrication and performance evaluation of a printed-circuit-board microfluidic electrolytic pump for lab-on-a-chip devices // Sens. Actuator A Phys. 2018. V. 277. P. 73–84. https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.04.042
- Geipel A., Goldschmidtboeing F., Jantscheff P., Esser N., Massing U., Woias P. Design of an implantable active microport system for patient specific drug release // Biomed. microdevices. 2008. V. 10. P. 469–478. https://doi.org/10.1007/s10544-007-9147-2
- Yi Y., Chiao M., Wang B. An electrochemically actuated drug delivery device with in-situ dosage sensing // Smart Mater. and Struct. 2021. V. 30. № 5. P. 055003. https://doi.org/10.1088/1361-665X/abee34
- Cobo A., Sheybani R., Tu H., Meng E. A wireless implantable micropump for chronic drug infusion against cancer. Sens. Actuator A Phys. 2016. V. 239. P. 18–25. https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.01.001
- Uvarov I.V., Lokhanin M.V., Postnikov A.V., Melenev A.E., Svetovoy V.B. Electrochemical membrane microactuator with a millisecond response time // Sens. Actuator B: Chem. 2018. V. 260. P. 12–20. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.12.159
- Svetovoy V.B. Spontaneous chemical reactions between hydrogen and oxygen in nanobubbles // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2021. V. 52. P. 101423. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2021.101423
- Uvarov I.V., Svetovoy V.B. Nanoreactors in action for a durable microactuator using spontaneous combustion of gases in nanobubbles // Sci. Reports. 2022. V. 12. № 1. P. 20895. https://doi.org/10.1038/s41598-022-25267-2
- Shlepakov P.S., Uvarov I.V., Svetovoy V.B. Ruthenium as an electrode material for the fast electrochemical actuator // St. Petersburg State Polytech. Univ. J. Phys. and Math. 2022. V. 15. № 3.2. P. 280–284. https://doi.org/10.18721/JPM.153.351
- Zhao B., Cui X., Ren W., Xu F., Liu M., Ye Z. G. A controllable and integrated pump-enabled microfluidic chip and its application in droplets generating // Sci. Reports. 2017. V. 7. № 1. P. 1–8. https://doi.org/10.1038/s41598-017-10785-1
- Uvarov I.V., Melenev A.E., Selyukov R.V., Svetovoy V.B. Improving the performance of the fast electrochemical actuator // Sens. Actuator A Phys. 2020. V. 315. P. 112346. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112346
- Postnikov A.V., Uvarov I.V., Penkov N.V., Svetovoy V.B. Collective behavior of bulk nanobubbles produced by alternating polarity electrolysis // Nanoscale. 2018. V. 10. № 1. P. 428–435. https://doi.org/10.1039/C7NR07126D
- Yi Y., Buttner U., Carreno A.A., Conchouso D., Foulds I.G. A pulsed mode electrolytic drug delivery device // J. Micromech. Microeng. 2015. V. 25. № 10. P. 105011. https://doi.org/10.1088/0960-1317/25/10/105011
- Svetovoy V.B., Sanders R.G., Lammerink T.S., Elwenspoek M.C. Combustion of hydrogen-oxygen mixture in electrochemically generated nanobubbles // Phys. Rev. E. 2011. V. 84. № 3. P. 035302. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.84.035302
- Stout J.M., Baumgarten T.E., Stagg G.G., Hawkins A.R. Nanofluidic peristaltic pumps made from silica thin films // J. Micromech. Microeng. 2019. V. 30. № 1. P. 015004. https://doi.org/10.1088/1361-6439/ab4cc9
- Forouzandeh F., Arevalo A., Alfadhel A., Borkholder D.A. A review of peristaltic micropumps // Sens. Actuator A Phys. 2021.V. 326. P. 112602. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112602
- Tanaka Y. A peristaltic pump integrated on a 100% glass microchip using computer controlled piezoelectric actuators // Micromachines. 2014. V. 5. № 2. P. 289–299. https://doi.org/10.3390/mi5020289
- Jeong O.C., Konishi S. Fabrication of a peristaltic micro pump with novel cascaded actuators // J. Micromech. Microeng. 2008. V. 18. № 2. P. 025022. https://doi.org/10.1088/0960-1317/18/2/025022
- Uvarov I.V., Melenev A.E., Lokhanin M.V., Naumov V.V., Svetovoy V.B. A fast electrochemical actuator in the non-explosive regime. // J. Micromech. Microeng. 2019. V. 29. № 11. P. 114001. https://doi.org/10.1088/1361-6439/ab3bde
- Uvarov I.V., Melenev A.E., Svetovoy V.B. Fast Electrochemical Actuator with Ti Electrodes in the Current Stabilization Regime // Micromachines. 2022. V. 13. № 2. P. 283. https://doi.org/10.3390/mi13020283
- Dumont-Fillon D., Tahriou H., Conan C., Chappel E. Insulin micropump with embedded pressure sensors for failure detection and delivery of accurate monitoring // Micromachines. 2014. V. 5. № 4. P. 1161–1172. https://doi.org/10.3390/mi5041161
- Spieth S., Schumacher A., Holtzman T., Rich P.D., Theobald D.E., Dalley J.W., Zengerle R. An intra-cerebral drug delivery system for freely moving animals // Biomed. microdevices, 2012. V. 14. № 5. P. 799–809. https://doi.org/10.1007/s10544-012-9659-2
- Mousoulis C., Ochoa M., Papageorgiou D., Ziaie B. A skin-contact-actuated micropump for transdermal drug delivery // IEEE. Trans. Biomed. Eng. 2011. V. 58. № 5. P. 1492–1498. https://doi.org/10.1109/TBME.2011.2113347
- Zhang Z., Zhao P., Xiao G., Watts B.R., Xu C. Sealing SU-8 microfluidic channels using PDMS // Biomicrofluidics. 2011. V. 5. № 4. P. 046503. https://doi.org/10.1063/1.3659016
- Uvarov I.V., Shlepakov P.S., Melenev A.E., Ma K., Svetovoy V.B., Krijnen G.J. A Peristaltic Micropump Based on the Fast Electrochemical Actuator: Design, Fabrication, and Preliminary Testing // Actuators. 2021. V. 10. № 3. P. 62. https://doi.org/10.3390/act10030062
- Golishnikov A.A., Kostyukov D.A., Putrya M.G. Research and development of deep anisotropic plasma silicon etching process to form MEMS structures // Russian Microelectronics. 2012. V. 41. № 7. P. 365–369. https://doi.org/10.1134/S1063739712070062