1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 52, № 3, 2023

Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 3, стр. 227-235

Быстрый электрохимический микронасос для портативного модуля доставки лекарств

И. В. Уваров 1, *, П. С. Шлепаков 1, 2, **, А. М. Абрамычев 1, 2, В. Б. Световой 3

1 Ярославский филиал Физико-технологического института имени К.А. Валиева Российской академии наук
150007 Ярославль, ул. Университетская, 21, Россия

2 Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
150003 Ярославль, ул. Советская, 14, Россия

3 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук
199071 Москва, Ленинский просп., 31, Россия

* E-mail: i.v.uvarov@bk.ru
** E-mail: p.shlepakov@bk.ru

Поступила в редакцию 20.02.2023
После доработки 01.03.2023
Принята к публикации 02.03.2023

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.

Ключевые слова: микрофлюидика, микронасос, электрохимический актюатор, электролиз переменной полярности, нанопузырьки, перистальтический насос

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 материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал