DE102004062893A1 - Elektronisch steuerbare Mikropumpe auf Hydrogelbasis - Google Patents

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Abstract

Es werden zwei Prinzipien elektronisch kontrollierbarer Mikropumpen mit Aktoren (1) auf Basis smarter Hydrogele beschrieben. Sie verfügen über kaskadisch geschaltete elektrische oder elektronikkompatible Schnittstellen (7), über welche die Aktoren (1) hinsichtlich ihrer Auslenkung bzw. ihres Quellverhaltens so beeinflusst werden können, dass DOLLAR A È entweder eine flexible Membran (13) in eine Pumpenkammer (11) ausgelenkt und dadurch die gerichtete Förderung eines Mediums ausgelöst wird oder DOLLAR A È eine als antreibendes bzw. verdrängendes Element dienende elastische Membran (13) hinsichtlich ihrer Antriebs- bzw. Verdrängungseigenschaften gesteuert werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft Einrichtungen und Methoden zum Fördern bzw. Pumpen von Medien, die aus mehreren in Reihe geschalteten mikro- oder millimeterskalierten hydrogelbasierten Aktorsegmenten bestehen und welche über eine entsprechende kaskadierte Schnittstelle elektrisch oder elektronisch steuerbar sind.
  • Elektronisch steuerbare Mikropumpen auf Basis piezoelektrischer Aktoren sind kommerziell erhältlich. Eine Reihe von Patenten offenbaren derartige Einrichtungen. Stellvertretend seien US 5,224,843 und US 2003/0143122 A1 genannt. Bei piezoelektrischen Pumpen wird eine piezoelektrische Membran durch Ansteuern mit einer Wechselspannung in Schwingung versetzt. In Kombination mit einer Rückflusssperre wird ein gerichteter Fluss erzeugt.
  • US 5,659,171 offenbart eine Mikropumpe für Gase, bei der eine flexible Membran entweder aus einem bimorphen Material mit jeweils unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder aus einer Formgedächtnislegierung besteht. Auch bei diesen Einrichtungen wird ein Volumenstrom durch Auslenkung der Membran erreicht.
  • In DE 19637928 A1 wird stellvertretend für weitere Erfindungen eine elektrostatisch betriebene Mikropumpe beschrieben. Hier wird die Auslenkung der Membran durch elektrostatische Kräfte generiert.
  • Eine blasenbasierte Mikropumpe wird unter anderem in US 6,283,718 B1 vorgestellt. Durch wiederholtes Ausbilden und Kollabieren einer Gasblase kommt es infolge der Flüssigkeitsverdrängung zu einer Medienförderung.
  • Einen interessanten Antriebsmechanismus von Fördereinrichtungen bieten osmotische Pumpen. Bei ihnen verrichtet ein quellfähiges Material die zur Medienförderung notwendige Verdrängungsarbeit (F. Theeuwes, Elementary osmotic pump, J. Pharm. Sci. 64 (1975), 1987–1991). Dieses Prinzip wird mittlerweile vielfach in Medikamentiersystemen genutzt. So beschreiben z.B. DE 103 00 896 A1 , US 2004/0149780 A1, DE 38 21 424 A1 Einrichtungen, mit denen nach dem osmotischen Prinzip Wirkstoffe gefördert werden können. Aufgrund ihrer Fähigkeit, ihr Volumen um mehr als das Einhundertfache durch Quellmittelaufnahme zu ändern, werden meist Hydrogele genutzt.
  • Einen Überblick über Mikropumpenprinzipien und deren Anwendungen bieten u.a. N.-T. Nguyen, X. Huang, T.K. Chuan, MEMS-miropumps: a review, J. Fluids Eng. 124 (2002), 384–392 und D.J. Laser, J.G. Santiago, A review of micropumps, J. Micromech. Microeng. 14 (2004), R35–R64.
  • Hydrogele sind Polymernetzwerke, die bei Einwirkung des Quellmittels Wasser ihr Volumen ändern. Eine besondere Klasse der Hydrogele sind smarte Hydrogele. Dies sind Polymernetzwerke, welche einen reversiblen diskontinuierlichen Volumenphasenübergang bei Einwirkung bestimmter Umgebungsgrößen vollführen. Die Umgebungsgrößen können elektrische Feldgrößen, Strahlung, Temperatur, Ionen- und Stoffkonzentrationen sein.
  • Die integrierten Aktor-Sensor-Eigenschaften smarter Hydrogele werden z.B. in DE 198 12 436 A1 zur Realisierung selbsttätig regelnder Ventile genutzt. Für derartige Ventile wurden in K.-F. Arndt, D. Kuckling, A. Richter, Application of sensitive hydrogels in flow control, Polym. Adv. Technol. 11 (2000), 496–505 automatische Ventilfunktionen gegenüber dem pH-Wert, der Temperatur und Alkoholkonzentrationen nachgewiesen. In D.J. Beebe et al., Functional hydrogel structures for autonomous flow control inside microfluidic channels, Nature 404 (2000), 588–590 wurde die hervorragende Miniaturisierbarkeit von automatischen Hydrogelventilen demonstriert.
  • Unter Nutzung der sensorischen Eigenschaften smarter Hydrogele lassen sich z.B. nach DE 198 28 093 und DE 198 48 878 A1 Flüssigkeitssensoren entwickeln.
  • DE 198 12 436 A1 offenbart weiterhin eine automatische Fördereinrichtung, wobei das smarte Hydrogel in Abhängigkeit bestimmter Umgebungsgrößen eine Förderrate realisiert. Eine miniaturisierte automatische Fördereinrichtung ist in D. T. Eddington, D.J. Beebe, A valved responsive hydrogel microdispensing device with integrated pressure source, J. Microelectromech. Syst. 13 (2004) 4, 586–593 beschrieben. Nachteilig an den automatischen Fördereinrichtungen ist ihre Gebundenheit an bestimmte Prozessgrößen, die als Regelparameter dienen. Dadurch sind sie nicht universell, sondern nur in speziellen Fällen einsetzbar. Funktionselemente auf Basis smarter Hydrogele können nach DE 101 57 317 A1 auch elektrisch angesteuert werden. Die dort vorgestellten Mikroventile verfügen über eine elektrisch-thermische Schnittstelle, mit denen der Quellungsgrad temperatursensitiver Hydrogele und damit eine Ventilfunktion gesteuert werden kann.
  • Auf vergleichbare Weise wird in EP 1442887 A1 ein smartes, stimulussensitives Hydrogel zum Zwecke des Tröpfchen-Ausstoßens insbesondere für den Einsatz in Ink-Jet-Druckköpfen angesteuert. Der Hydrogelaktor stößt die Druckerflüssigkeit durch eine Düse aus.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, elektronisch steuerbare Mikropumpen zu entwickeln, welche on-chip-fähig und damit einfach in komplexe Systeme integrierbar, simpel aufgebaut, hinsichtlich ihrer Förderrate steuerbar sind und geringe Leistungsaufnahmen besitzen.
  • Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, dass ein oder mehrere Aktoren auf Basis von quellfähigen Polymernetzwerken mit Volumenphasenübergangsverhalten, den smarten Hydrogelen, bestehen durch thermisch-elektronische Schnittstellen, die kaskadisch angeordnet sein können, angesteuert werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
    •
  • Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
  • 1 den prinzipiellen Aufbau einer elektronisch steuerbaren Mikropumpe auf Basis temperatursensitiver smarter Hydrogele in Explosionsansicht,
  • 1a die Konfiguration nach 1 in Schnittdarstellung,
  • 2 das Volumenphasenübergangsverhalten temperatursensitiver smarter Hydrogele in Abhängigkeit von der Temperatur,
  • 3 die prinzipielle Funktionsweise einer elektronisch steuerbaren Mikropumpe auf Basis temperatursensitiver smarter Hydrogele,
  • 3a die Konfiguration der Pumpe in der Startphase der Medienförderung aus der Pumpenkammer,
  • 3b die Konfiguration der Pumpe in der Endphase der Medienförderung aus der Pumpenkammer,
  • 3c die Konfiguration der Pumpe in der Startphase der Medienbeladung der Pumpenkammer,
  • 3d die Konfiguration der Pumpe in der Endphase der Medienbeladung der Pumpenkammer,
  • 4 die Konfiguration einer Pumpe mit hydrogelbasierten Ventilen am Ein- und Ausgang der Pumpenkammer.
  • Anhand von 1 sollen zunächst der prinzipielle Aufbau und ein mögliches Fertigungsverfahren der erfindungsgemäßen Mikropumpen vorgestellt werden.
  • Die in 1 dargestellte Pumpe besteht aus drei Funktionsebenen. Der Kanalstrukturträger (9) enthält den Förderkreis mit der Pumpenkammer (11) sowie ihrem Eingang (12) und Ausgang (10).
  • Der Aktorstrukturträger (2) ist vom Förderkreis durch eine flexible Membran (13) getrennt. Er umfasst die Aktorkammer (5) mit dem Hydrogelaktor (1) und Quellmittelreservoire (3), welche von der Aktorkammer mit quellmitteldurchlässigen Aktorkammern (4) getrennt sein können. Abgedeckt wird die Ebene des Aktorstrukturträgers (2) durch den Strukturträger der elektrischen Ansteuerung (6), der wiederum die Heizstrukturen (7) und die entsprechenden elektrischen Kontaktierungen (8) umschließt.
  • Der Ansteuerlayer besteht aus Weichglas D263 (550 μm Dicke, Berliner Glas AG). Die Heizelemente (100nm Dicke, Widerstand ca. 50 Ω, Haftvermittlerschicht 10nm Titan) und die Leiterzüge wurden mit einer Platin-Dünnschicht-Lift-Off-Technologie (Malz & Schmidt MSBA-400SP) erzeugt und anschließend mit Siliziumdioxid passiviert (800nm Dicke, PECVD-Verfahren mit Plasmalab 80+ CVD, Oxford Technologies). Die elektrische Verbindung mit der Ansteuerelektronik kann durch Bonden realisiert werden.
  • Die Strukturen des Aktorstrukturträgers (2) inklusive der flexiblen Membran sowie der Kanalstrukturträger (9) wurden aus Polydimethylsiloxan (PDMS) (Sylgard 184, Dow Chemicals) gefertigt. Zur Strukturierung von (2) und (9) kam eine Masterabformtechnologie zum Einsatz. Dazu wurden Negativstrukturen der erforderlichen Geometrien photolithographisch in 4"-Siliziumwafern erzeugt (n-Si, <100> orientiert, 525μm dick, einseitig poliert, nasschemisch geätzt in KOH) und diese anschließend mit ca. 10nm dickem Teflon durch Sputtern (Plasmalab 80+, Oxford Technologies) beschichtet. Die Abformung der PDMS-Strukturen erfolgte durch Nutzung einer aus Teflon bestehenden Abformeinrichtung. Diese besteht aus zwei Teilen. Das untere Teil positioniert die Substrate, auf die das PDMS aufgebracht werden soll. Der obere Teil enthält den Abformmaster. Beide sind durch Führungen passgenau aufeinander abgestimmt. Das PDMS wird auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht, welches im Falle des Aktorstrukturträgers (2) der Ansteuerlayer (6) und beim Kanalstrukturträger (9) eine einfache Weichglas-Platte ist, dann wird das Abformmaster aufgesetzt und die ganze Anordnung ca. eine Stunde bei 100 °C temperiert. Nach Entfernung der Master liegen die PDMS-Positivstrukturen vor. Die flexible PDMS-Membran (13) wurde durch Spincoating hergestellt. Das PDMS wird auf einen Silizium-Wafer aufgebracht und anschließend bei etwa 3000 bis 4000 U/min für 20 bis 40s rotationsbeschichtet. Die erreichten Schichtdicken liegen bei 15 bis 50 μm. Alternativ kann die flexible Membran (13) auch direkt bei der Herstellung des Aktorstrukturlayers (2) mit erzeugt werden. Der Kanalstrukturträger (9) und der Aktorstrukturlayer (2) können nach jeweiligem Aktivieren der PDMS-Strukturoberflächen durch eine Sauerstoff-Plasmabehandlung oder ähnliches unter Druckeinwirkung gefügt werden.
  • Die Hydrogelaktoren (1) sind mit verschiedenen Methoden herstellbar. In einem einfachen Fall wird die Prepolymerlösung in die Räume der Aktorkammer (5) und Quellmittelreservoirs (3) gefüllt. Dazu können Anschlussstutzen genutzt werden, welche auf dem Strukturträger (6) platziert sein können. Dann wird ein Überdruck in der Aktorkammer (5) und den Quellmittelreservoirs (3) erzeugt, der die flexible Membran (13) vollständig in die Pumpenkammer auslenkt. Nach Fixierung der Anordnung wird das Hydrogel unter Nutzung von Belichtungsmasken in der Aktorkammer (5) polymerisiert. Als Resultat liegt die gequollene Positivstruktur des Hydrogels vor. Unvernetzte Polymerbestandteile werden anschließend in einem Waschgang mit einer Wasser-Alkohol-Mixtur entfernt. Alternativ kann zum Auslenken der Membran auch ein Unterdruck in der Pumpenkammer (11) erzeugt werden.
  • Statt Photostrukturierung ist auch eine Gießtechnik nutzbar, indem die Verbindungen der Aktorkammer (5) zu den Quellmittelreservoirs (3) vorübergehend mit Wachs oder ähnlichen Materialien geschlossen werden. Nach Einfüllen der Prepolymerlösung in die Aktorkammer (5) läuft in diesem Fall dessen Polymerisation zum Hydrogel spontan ab, da auch die Vernetzer in der Polymerlösung enthalten sind. Danach ist das Verschlussmaterial zu entfernen.
  • In einem anderen Fall ist getrocknetes Hydrogelgranulat in die Aktorkammer (5) verfüllbar. Bei diesem Verfahren ist allerdings die exakte Befüllung der Aktorkammer (5) mit dem Hydrogelmaterial schwierig.
  • Anhand der 1a, 2 und 3 werden prinzipielle Verhaltensweisen temperatursensitiver smarter Hydrogele, typische Vertreter, mögliche Synthese- und Strukturierungsverfahren sowie die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Mikropumpen erklärt.
  • Temperatursensitive smarte Hydrogele können zwei Verhaltensweisen beim Volumenphasenübergang aufweisen, die für einige Hydrogelbeispiele in 2 dargestellt sind. Die meisten temperatursensitiven smarten Hydrogele besitzen eine Lower Critical Solution Temperature (LOST) – Charakteristik, d.h., sie sind bei niedrigen Temperaturen gequollen und entquellen bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur. Für das bekannteste Hydrogel mit LCST-Charakteristik, das Homopolymer Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAAm), beträgt die Phasenübergangstemperatur 32,8 °C. Die Lage der Phasenübergangs- bzw. Schalttemperatur von NIPAAm-basierten Hydrogelen kann aber durch Copolymerisation und Variation der Syntheseparameter in einem Bereich von +5 °C und etwa 60 °C eingestellt werden. Mögliche Synthese- und Strukturierungsverfahren von PNIPAAm-basierten Hydrogelen sind z.B. in A. Richter et al., Electronically controllable microvalves based on smart hydrogels: magnitudes and potential applications, J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, 748–753 beschrieben.
  • Ähnlich gute Phasenübergangs-Eigenschaften mit LCST-Charakteristik besitzt z.B. das ebenfalls in 2 gezeigte Poly(Methylvinylether) (PVME). Die Lage der Phasenübergangstemperatur dieses Hydrogels liegt bei etwa 37 °C. PVME wird mit hoch-energetischer Strahlung (Elektronenbestrahlung, Gamma-Bestrahlung) vernetzt (K.-F. Arndt, T. Schmidt, H. Menge, Poly (vinyl methyl ether) Hydrogel Formed by High Energy Radiation, Macromol. Symp. 164 (2001) 313–322).
  • Weitere Vertreter mit LCST-Charakteristik basieren z.B. auf Hydroxypropylcellulose (B. Kabra, S.H. Gehrke, R. Spontak, Microporous Responsive HPC Gels 1. Synthesis and Microstructure, Macromolecules 31(1998), 2166–2173). Temperatursensitive Hydrogele mit einer Upper Critical Solution Temperature (UCST)-Charakteristik sind bei geringen Temperaturen entquollen und quellen bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur. Praktisch nutzbare UCST-Gele sind allerdings sehr selten. 2 zeigt das UCST-Verhalten eines durch Copolymerisation von Hydroxyethyl Methacrylat (HEMA) und Acetoacetoxyethyl Methacrylat(AAEM) hergestellten Hydrogels HEMA/AAEM, dessen Synthese in V. Boyko et al., Preparation and characterization of acetoacetoxyethyl methacrylate-based gels, Macromol. Chem. Phys. 204 (2003), 2031–2039 beschrieben ist. In einer 60wt% : 40wt% Ethanol/Wasser-Mischung liegt dessen Phasenübergangstemperatur bei 31,5°C.
  • Hinsichtlich des Energieverbrauchs eignen sich für die erfindungsgemäßen Mikropumpen nach 1, 3 und 4 besonders Aktoren auf Basis von Hydrogelen mit UCST-Charakteristik, da diese nur zum Quellen beheizt werden müssen. LCST-Hydrogel-Aktoren müssen dagegen beheizt werden, um den entquollenen Zustand zu halten.
  • Ein Aktor auf Basis von HEMA/AAEM und einer 60wt% : 40wt% Ethanol/Wasser-Mischung als Quellmittel ist bei Raumtemperatur entquollen (1a). Zum Aktivieren der Pumpe ist die gewünschte Anzahl von Heizmäandern (7) zu aktivieren, so dass der Hydrogelaktor (1) an den entsprechenden Abschnitten über die Phasenübergangstemperatur von ca. 31,5 °C beheizt wird. Dadurch quillt der Hydrogelaktor (1) an den beheizten Abschnitten unter Quellmittelaufnahme aus den Reservoirs (3). Wie in 3a schematisch dargestellt ist, lenkt der gequollene Hydrogelabschnitt (1a) die flexible Membran (13) in die Pumpenkammer (11) aus. Nun wird zunächst ein Teil der Pumpenkammer-Flüssigkeit in den Eingang (12) zurückgedrängt, ein anderer in die gewünschte Richtung gefördert. Nach Erreichen des Pumpenkammerbodens (9) ist der Eingang verschlossen. Werden weitere Aktorsegmente durch Beheizen mit den Heizmäandern (7) aktiviert, findet nun eine gerichtete Entleerung der Pumpenkammer (11) über den Ausgang (10) statt (3b). Zum Auffüllen der Pumpenkammer (11) mit neuer Flüssigkeit sind die Heizmäander (7) der Reihe nach und von der Eingangsseite beginnend abzuschalten (3c). Nach Unterschreiten der Phasenübergangstemperatur entquellen die Aktorsegmente (1b) unter Quellmittelabgabe in die Quellmittelreservoirs (3) und die flexible Membran (13) kehrt in ihre undeformierte Ausgangslage zurück. Infolge des entstehenden Unterdrucks füllt sich die Pumpenkammer (11) über den Eingang mit Flüssigkeit (3d).
  • Wird ein Hydrogelaktor mit LCST-Charakteristik verwendet, z.B. auf Basis von PNIPAAm, so entspricht die Konfiguration nach 1a einem vollständig beheizten Hydrogelaktor (1). Zum Fördern eines Mediums aus der Pumpenkammer (11) ist zunächst das eingangsseitig liegende Heizsegment (7) abzuschalten, so dass der PNIPAAm-Aktor nach Unterschreiten der Phasenübergangstemperatur quillt und den Eingang verschließt (3a). Durch das Abschalten weiterer Segmente quellen weitere Aktorsegmente, so dass der Pumpenkammerinhalt durch den Ausgang (10) ausgeschüttet wird (3b). Der Beladevorgang der Pumpe nach 3c erfolgt durch sequentielles Beheizen des Aktors (1) von der Eingangsseite her. Auch hier füllt sich die Pumpenkammer (11) infolge des entstandenen Unterdruckes.
  • Eine Trennung des Aktorkreislaufes mit Aktorkammer (5) und Quellmittelreservoir (3) vom Prozesskreislauf ist nicht zwangsläufig notwendig und sollte nur realisiert werden, wenn eine Ausführung des Aktorkreislaufes als geschlossenes System erforderlich ist. Dies ist z.B. der Fall, wenn das Prozessmedium nicht als Aktorquellmittel nutzbar ist. Kann das Prozessmedium als Quellmittel des Aktors (1) genutzt werden, besteht kein Bedarf mehr an dieser Trennung und die Quellmittelreservoirs (3) können entfallen.
  • Die Anordnungen nach 1 und 3 besitzen den Nachteil, dass die jeweils äußeren Aktorsegmente eine Ventilfunktion erfüllen und deshalb kaum pumpend tätig sind. Deshalb ist es empfehlenswert, zusätzlich Ventilelemente vorzusehen. In das Design von 1 können solche Ventile integriert werden, indem die Aktoreinheit um Segmente erweitert wird, welche in den Eingang (12) und Ausgang (10) hineinragen und diese bei Bedarf durch Auslenken der Membran (13) verschließen.
  • Für Ventilfunktionen sind jedoch hydrogelbasierte Ventile, deren Aktor direkt im durchströmbaren Querschnitt platziert ist, besser als membranbasierte Aufbauten geeignet (siehe DE 101 57 317 A1 und A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, 748–753). 4 zeigt einen möglichen Aufbau einer Mikropumpe mit derartigen Ventilen. Möglichst nah an Ein- und Ausgang (10, 12) der Pumpenkammer (11) werden durch eine entsprechende Layoutänderung des PDMS-Teils des Kanalstrukturträgers (9) im Strömungsquerschnitt befindliche Aktorkammern, welche durch Wälle (15) begrenzt werden, realisiert. In diese Kammern kann ein temperatursensitives Hydrogel, z.B. Partikel auf Basis von PNIPAAm, eingebracht werden. Ihr Quellungs- und damit der Ventilzustand wird über Heizmäander (7) gesteuert. Die Ventile können auch als passive Richtungsventile, wie z.B. Klappen- oder Kugelventile, ausgeführt sein. Damit ist aber kein Pumpen-Betrieb in beiden Richtungen möglich.
  • Eine Konstruktion mit geringem Energiebedarf für LCST-Hydrogele ist in den 5 und 6 gezeigt. Im Gegensatz zu den bisherigen Aufbauten nach 1, 3 und 4 wird hier der Hydrogelaktor (1) direkt im durchströmbaren Querschnitt bzw. in der Pumpenkammer (11) platziert. Durch Aufnahme des Prozessmediums quillt der Aktor (1), beispielsweise PNIPAAm und lenkt die flexible Membran (13) aus (5). Zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstromes in Richtung Ausgang (10) werden die Heizstrukturen (7), welche sich auf dem Kanalstrukturträger (16) befinden, ausgangsseitig beginnend der Reihe nach beheizt. Dadurch entquillt das Hydrogel (1b) und setzt das Prozessmedium frei. Die flexible Membran (13) erzeugt nun infolge ihrer elastischen Rückstellkräfte ein Austreiben des Mediums (siehe 5a), welches zum Ausgang (10) hin fließt, da der Eingang (12) durch gequollenes Hydrogel (1a) verschlossen ist (5b). Zum Beladen der Pumpe muss nach 5c zunächst der Pumpenausgang (10) durch Ausschalten des ausgangsseitigen Heizmäanders (7) verschlossen werden. Dann werden die anderen Heizelemente (7) vom Ausgang (10) zum Eingang (12) hin deaktiviert (5d). Nach Unterschreiten der Phasenübergangstemperatur quellen die Aktorelemente unter Prozessmedienaufnahme und spannen die flexible Membran (13) infolge der Auslenkung wieder vor (5).
  • Auch bei diesem Prinzip können die notwendigen Ventilfunktionen durch passive Richtungsventile oder, wie in 6 gezeigt, durch aktive Ventile realisiert werden. Die Ventile in 6 können nach dem gleichen Prinzip wie die in 4 funktionieren.
  • Ein besonderer Vorteil des Funktionsprinzips der Pumpen nach 5 und 6 sind der einfache Pumpenaufbau und die vielfältige Gestaltbarkeit der Pumpe infolge der Aktorintegration in den Arbeitskreis. Die flexible Membran dient hier als antreibendes Funktionselement, der Hydrogelaktor als Rückstellelement der Membran. Solche Pumpen lassen sich ohne große Layoutänderungen in mikrofluidische Schaltungen integrieren. Sie können z.B. auch in Schläuche integriert werden. Dabei kann die elastische Schlauchhülle als antreibendes Element bzw. Äquivalent zur flexiblen Membran (13) genutzt werden.
  • Die vorgestellten Pumpen auf Hydrogelbasis besitzen drei wesentliche Vorteile gegenüber anderen Mikropumpenprinzipien.
    • • Sie sind on-chip-fähig und können in nahezu jedes mikrofluidische Layout integriert werden. Dadurch können sie sehr nahe an den Ort des Medienverbrauchs, beispielsweise einen Reaktor, platziert werden, was das Totvolumen der Anordnung reduziert.
    • • Durch Variation der konstruktiven Parameter können Förderrate und Fördervolumen optimal an den Prozess angepasst werden.
    • • Ohne Ventile und bei Einsatz aktiver Ventile können die Pumpen in beliebiger Richtung betrieben werden. Es ist sogar möglich, dass die Pumpen mehr als einen Ein- und Ausgang haben, indem die nicht benötigten Ein- und Ausgänge z.B. durch aktive Ventile verschlossen werden.
  • Die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Pumpen sind sehr vielfältig. Sie können in integrierten und nichtintegrierten fluidischen Schaltungen Anwendung finden. Prinzipiell lassen sich die Anwendungen von Mikropumpen in vier Kategorien einteilen: Fluidische Regulationssysteme, Gas- und Flüssigkeitsmessgeräte, Medizinische Geräte, und andere Einrichtungen. Besonderen Bedarf besitzt die Biotechnologie, z.B. bei der DNA- und Protein-Analyse sowie der Wirkstoffhandhabung. Insbesondere Lab-on-Chip-Aufbauten, Analysegeräte, biologische, biochemische und chemische Reaktoraufbauten, Abgabesysteme, Mischer und Separatoreinrichtungen der Biotechnologie, Medizintechnik, Verfahrenstechnik und Pharmazie erscheinen als besonders geeignete Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Pumpen. Ein besonderes Anwendungsgebiet sind extrakorporale und implantierbare Medikamentenpumpen, die beispielsweise zur Insulinabgabe genutzt werden können.
  • Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind u.a. in N.-T. Nguyen, X. Huang, T.K. Chuan, MEMS-miropumps: a review, J. Fluids Eng. 124 (2002), 384–392 und D.J. Laser, J.G. Santiago, A review of micropumps, J. Micromech. Microeng. 14 (2004), R35–R64 genannt.
  • In den vorangegangen Beschreibungen der erfindungsgemäßen Mikropumpen wurde die Steuerung des Quellungsgrades der Hydrogelaktoren durch Beheizen mit resistiven Heizwiderständen geschildert, wobei die über dem Widerstand abfallende Verlustleistung die Heizleistung ist. Eine Erwärmung der Hydrogelaktoren ist aber auch durch energiereiche Strahlung, insbesondere Licht, möglich, indem diese durch Absorption im oder am Hydrogel in Wärme umgesetzt wird. Als Lichtquellen eignen sich z.B. besonders solche mit einem Spektrum im infraroten Bereich und Laser.
  • Tatsächlich sind temperatursensitive Hydrogele zur Zeit zur Zeit die smarten Hydrogele, welche die geeignetsten steuerbaren aktorischen Eigenschaften besitzen. Sie lassen sich schnell, reversibel und reproduzierbar in ihrem Quellverhalten beeinflussen.
  • Zum elektronikkompatiblen Steuern des Quellungsgrades smarter Hydrogele über Umgebungsgrößen können aber auch andere physikalische Größen, die einfach durch elektronische bzw. elektrische Mittel erzeugt werden können und Volumenphasenübergänge in quellfähigen Polymernetzwerken auslösen, genutzt werden. Sehr einfach elektrisch erzeugbare Steuergrößen sind elektrische und magnetische Feldgrößen, Licht und Temperatur. Elektrische und magnetische Feldgrößen sowie Licht sind derzeit relativ schwierig zum Steuern des Quellungsgrades smarter Hydrogele verwendbar, da die Hydrogel-Effekte zum Teil nur eingeschränkt reversibel und langsam sind.
  • Das zeitliche Verhalten der Pumpen wird von Materialeigenschaften, konstruktiven Parametern und Betriebsparametern bestimmt.
  • Das hydrogelspezifische Zeitverhalten hängt unter anderem von der Art des Hydrogels, vom Anteil der das Volumenphasenübergangsverhalten verursachenden Gruppen innerhalb des Hydrogels und in geringerem Maße von den Vernetzungseigenschaften des eingesetzten Hydrogels ab. Konstruktive Parameter mit erheblichem Einfluss auf die Pumpendynamik sind insbesondere die Dicke der Membran bzw. die elastische Rückstellkraft des antreibenden Elementes. Frinzipiell gilt: Je größer eine dem Quellvorgang entgegenwirkende Kraft ist, umso langsamer quillt das Hydrogel, wobei sich bei großen Gegenkräften auch der erreichbare Hub des Hydrogelaktors vermindert. Eine Schlussfolgerung daraus ist, dass Pumpen nach 1, 3 und 4 beim Entleeren der Pumpenkammer (11) infolge Membranauslenkung langsamer sein werden als beim Beladen der Pumpenkammer (11). Das in 5 und 6 dargestellte Pumpenprinzip wird hingegen beim Beladen der Pumpenkammer (11) mehr Zeit benötigen als beim Entleeren.
  • Eine weitere wesentliche konstruktive Größe ist die Wärmekapazität der zu beheizenden Anordnung. Je größer diese bzw. das aufzuheizende Volumen ist, umso geringer ist die Pumpendynamik. Bei dem Pumpenprinzip mit Quellmittelreservoir kann insbesondere der Strömungswiderstand der quellmitteldurchlässigen Aktorkammerwand (4) das zeitliche Aktorverhalten beeinflussen.
  • Der wichtigste zeitlich wirksame Betriebsparameter ist die Heizleistung der Heizelemente. Je größer die applizierte Heizleistung ist, umso schneller entquillt der Hydrogelaktor. Zur Regulation der applizierten Temperatur können in das Pumpenlayout Temperatursensoren integriert werden.
  • Das maximale Fördervolumen pro Vollhub des Hydrogelaktors ist jeweils mit dem Aktorhub identisch. Beim Pumpenprinzip nach 1, 3 und 4 entspricht dies in etwa der Größe der Pumpenkammer (11). Bei dem in 5 und 6 gezeigten Prinzip ist ein Aktorhub die Differenz zwischen voll ausgelenkter Membran infolge vollständiger Aktorquellung und relaxierter Membran bei vollständiger Aktorentquellung. Die Größe der möglichen Teilhübe wird von der Größe der einzelnen Heizelemente (7) bzw. der daraus resultierenden Unterteilung des Aktors (1) in Aktorsegmente bestimmt. Durch Regulation der Heiztemperatur können allerdings auch Zustände der Aktoren (1) zwischen vollständig entquollen und gequollen realisiert werden.
    • 1
    Hydrogelaktor
    1a
    gequollener Hydrogelaktor
    1b
    entquollener Hydrogelaktor
    2
    Aktorstrukturträger
    3
    Quellmittelreservoir
    4
    Quellmitteldurchlässige Aktorkammerwand
    5
    Aktorkammer
    6
    Strukturträger der elektrischen Ansteuerung
    7
    Heizstruktur/Heizmäander
    8
    Leiterzug
    9
    Kanalstrukturträger
    10
    Ausgang
    11
    Pumpenkammer
    12
    Eingang
    13
    Flexible Membran
    14
    Hydrogelaktor des Ventils
    15
    Aktorkammerwand des Ventils
    16
    Strukturträger der elektrischen Ansteuerung
    und Kanalstrukturträger

Claims (16)

  1. Elektronisch kontrollierbare Mikropumpe auf Hydrogelbasis zum Fördern von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass – sie über ein oder mehrere Aktoren (1, 1a, 1b) auf Basis quellfähiger Polymernetzwerke mit Volumenphasenübergangsverhalten (smarte Hydrogele) verfügt – die Auslenkung bzw. der Volumenquellungsgrad der Aktoren (1, 1a, 1b) durch eine elektrisch bzw. elektronisch kompatible Schnittstellengröße gesteuert werden kann – die Einrichtung über ein oder mehrere kaskadisch oder anderweitig räumlich getrennt angeordnete Schnittstellenelemente verfügt, und – sie eine vom Aktor (1, 1a, 1b) auslenkbare flexible bzw. elastische Membran (13) besitzt, die a) als Trennung zwischen einer Aktorkammer (5) und einer Pumpenkammer (11) dient, oder b) als antreibendes bzw. verdrängendes Element des zu fördernden Mediums verwendet wird, wobei – Aktorkammer (5) und Pumpenkammer (11) identisch sind und der Aktor (1, 1a, 1b) direkt im durchströmbaren Querschnitt angeordnet ist – der Aktor (1, 1a, 1b) die Auslenkung der Membran (13) und damit ihre Verdrängungseigenschaft bzw. den Pumpenhub steuert.
  2. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellengröße die Temperatur ist.
  3. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der thermisch-elektrischen Schnittstelle – durch resistive Heizwiderstände (7), oder – durch Licht- bzw. Strahlungseinwirkung erzeugt wird.
  4. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Steuergröße Temperatur für den Hydrogelaktor (1, 1a, 1b) ein Temperatursensor in unmittelbarer Hydrogelnähe integriert ist.
  5. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellengröße Licht ist.
  6. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellengröße eine elektrische und/oder magnetische Feldgröße ist.
  7. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass temperatursensitive Hydrogele mit Lower Critical Solution Temperature – Charakteristik verwendet werden, insbesondere Hydrogele auf Basis von N-Isopropylacrylamid und Poly(Vinylmethylether).
  8. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass temperatursensitive Hydrogele mit Upper Critical Solution Temperature – Charakteristik verwendet wird, insbesondere Hydrogele auf Basis von Hydroxyethyl Methacrylat und Acetoacetoxyethyl Methacrylat.
  9. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeentkopplung der Heizelemente (7) untereinander der Ansteuerlayer (6, 16) mit Wärmewiderständen versehen ist, wobei die Wärmewiderstände – Materialverdünnungen, – Materialien bzw. Materialkombinationen mit einem hohen Wärmewiderstand – Luftschlitze oder andere Hohlräume sein können.
  10. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Membranen aus elastischen Materialien bestehen, insbesondere Polydimethylsiloxan (PDMS) und Polyurethan (PUR).
  11. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1a, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkreislauf, bestehend aus einer Aktorkammer (5), dem Aktor (1, 1a, 1b), dem Quellmittel und einer oder mehreren quellmitteldurchlässigen Aktorkammerwänden (4), vom Prozesskreislauf, der im Regelfall aus Eingang (12), Pumpenkammer (11) und Ausgang (13) besteht, vollständig getrennt ist, insbesondere durch eine flexible Membran (13).
  12. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1a, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkreislauf über eine Verbindung zum Prozesskreislauf verfügt, so dass der Aktor (1, 1a, 1b) das Prozessmedium als Quellmittel nutzen kann.
  13. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Eingangs (12) und/oder in der Nähe des Ausgangs (10) passive eindirektionale Richtungsventile, z.B. Klappenventile oder Kugelventile, zum Zwecke des Erzeugens eines eindirektionalen Flusses angeordnet sind.
  14. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Eingangs (12) und/oder in der Nähe des Ausgangs (10) aktive und elektronisch steuerbare Ventile angeordnet sind, die einen Fluss in jede gewünschte Richtung in die und aus der Pumpenkammer (11) ermöglichen, wobei dies insbesondere elektronisch kontrollierbare Mikroventile auf Basis smarter Hydrogele sind, die mit den gleichen Schnittstellengrößen gesteuert werden können wie der Aktor (1, 1a, 1b) und im Idealfall aus dem gleichen Material bestehen.
  15. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1a, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenkammer (11) über mehrere Eingänge (12) und oder mehrere Ausgänge (10) verfügt.
  16. Steuerbare Einrichtung nach Anspruch 1a, 13, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge (12) und/oder Ausgänge (10) über passive und/oder aktive Ventile verfügen.
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