Быстрый электрохимический микронасос для портативного модуля доставки лекарств

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

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. Валиева
Российской 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. Валиева
Российской 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. Валиева
Российской 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. Фрумкина
Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: p.shlepakov@bk.ru
Россия, 199071, Москва, Ленинский просп., 31

Список литературы

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. 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
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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
  37. 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
  38. 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
  39. 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
  40. 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
  41. 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
  42. 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

Дополнительные файлы


© И.В. Уваров, П.С. Шлепаков, А.М. Абрамычев, В.Б. Световой, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах