DE102006025095B4 - Hydrogelbasierte Einrichtung - Google Patents

Abstract

Einrichtung mit einem Hydrogel, in wenigstens einer Kammer (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Lage eines funktionell genutzten Bereiches der Volumenänderung des Hydrogels zu der eine Funktion der Einrichtung bestimmenden Komponente einstellbar ist, wobei wenigstens eine Kammerwand semipermeabel durchlässig für eine Prozessflüssigkeit und undurchlässig für das Hydrogel ausgebildet ist und wobei das Volumen der Kammer (1) einstellbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft Einrichtungen auf Hydrogelbasis, wie z. B. Ventile, Pumpen, Sensoren oder Aktoren.
• Einrichtungen auf Hydrogelbasis verwenden vornehmlich „smarte" bzw. „stimuliresponsive" Hydrogele. Das sind quellfähige Polymernetzwerke mit integrierten Aktor-Sensor-Funktionen. Sie besitzen die Fähigkeit, bei Einwirkung bestimmter Umgebungsgrößen einen diskontinuierlichen Volumenphasenübergang durchführen. Ihr Volumen ändert sich dabei vom gequollenen zum entquollenen Zustand um bis zu 99% unter Abgabe des Quellmittels, welches wässriger Natur ist. Dieser Vorgang ist reversibel und reproduzierbar. Mittlerweile ist eine große Vielzahl smarter Hydrogele mit speziellen Sensitivitäten beispielsweise gegenüber der Temperatur, elektrischen Feldgrößen, Licht bestimmter Wellenlänge, dem pH-Wert sowie Stoff- und lonenkonzentrationen bekannt.
• Weitere Vertreter quellfähiger Polymernetzwerke sind Gele, die andere Medien als Wasser als Quellmittel benötigen, und leitfähige Polymere wie vernetztes Polythi-ophen und Polypyrrol.
• Die weiteren Ausführungen erfolgen ausschließlich anhand „smarter" Hydrogele, die jedoch als Repräsentant quellfähiger Polymernetzwerke aufzufassen sind.
• DE 198 12 436 A1 , WO 0107506 A3 , WO 03051286 A3 sowie die Publikationen [K. -F. Arndt et al., Polym. Adv. Tech. 11 (2000), S. 496–505; D. J. Beebe et al., Nature 404 (2000), S. 588–590; M. E. Harmon et al., Polymer 44 (2003), S. 4547–4556; A. Baldi et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003), S. 613–621] offenbaren bzw. beschreiben Einrichtungen auf Basis von „stimuli-responsiven" oder „smarten" Hydrogelen mit Ventilfunktionen.
• Die Hydrogele fungieren dabei als Aktoren, die bei Veränderung einer bestimmten, kritischen Umgebungsgröße selbsttätig sowie hilfsenergiefrei mit einer Volumenänderung reagieren und damit ein Schließen bzw. Öffnen des Ventils bewirken. Dabei können die Aktoren direkt im durchströmbaren Querschnitt angeordnet sein und selbst den Ventilsitz bilden oder als Stellglied auf den Ventilsitz einwirken.
• DE 198 12 436 A1 sowie z.B. die Publikationen [H. Suzuki et al., Sens. Actuat. B 83 (2002), S. 53–59; D. T. Eddington, D. J. Beebe, J. Microelectromech. Syst. 13 (2004), S. 586–593] stellen Einrichtungen auf Basis "smarter " Hydrogele vor, die automatische Funktionen als fluidische Antriebe bzw. Pumpen realisieren. Bei ihnen wird die Volumenänderung der Hydrogele zur Verdrängung bzw. Beförderung des Prozessmediums genutzt.
• DE 198 28 093 A1 , DE 198 48 878 A1 , DE 101 29 985 C2 , DE 101 29 986 C2 , DE 101 29 987 C2 sowie eine Reihe von Publikationen [z.B. S. Herber et al. Sens. Actuat. B 103 (2004), S. 284–289; X. Liu et al., Sens. Actuat. B 96 (2003), S. 468–472; I. S. Han et al., Biomacromolecules 3 (2002), S. 1271–1275] beschreiben Einrichtungen, bei denen „smarte" Hydrogele als Messgrößenaufnehmer von Sensoren genutzt werden. Bei ihnen werden die Stimulus-spezifischen Volumenänderungen mit Transducern in ein entsprechendes elektrisch verwertbares Signal umgewandelt. Die Transducer wandeln dabei entweder Eigenschaftsänderungen der Hydrogele (z. B. Masse, Volumen, mechanische Festigkeit) um oder die Hydrogele verrichten mechanische Arbeit und beanspruchen bzw. verformen die Transducerelemente mechanisch.
• Den aktorischen Einrichtungen wird ein großes Anwendungspotenzial zugeschrieben, da die Hydrogelaktoren Aktor- und Sensor-Funktionen in einem einzigen Element vereinen und damit aufwändige Steuerungen und Regelungen ersetzen können.
• Auch hydrogelbasierte Sensoren besitzen ein bedeutendes Anwendungspotenzial, da mit ihnen Messaufgaben realisiert werden können, die mit anderen Methoden nicht bzw. nur sehr schwierig durchführbar sind.
• Die DE 10 2006 020 716 B4 beschreibt einen Mikrofluidikprozessor mit Hydrogelelementen, welcher autark durch Zusammenschaltung verschiedener aktiver Elemente unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Prozessmedien realisiert. Die Hydrogele sind dabei elektrisch oder thermisch schaltbar ausgebildet. Weiterhin wird eine Kammer enthaltend eine Membran beschrieben, welche durch Hydrogelquellung ausgelenkt wird und das in der Kammer enthaltene Prozessmedium aus der Kammer drückt.
• Daneben beschreibt die DE 10 2004 061 731 A1 einen Mikrokontaktstempel mit einzeln steuerbaren Stempelpixeln, wobei die Stempelpixel aus einem Hydrogelelement ausgebildet sind, welches elektrisch oder thermisch steuerbar einen Volumenphasenübergang realisiert.
• Aus der DE 198 12 436 A1 ist eine automatische, von Hydrogelen getriebene Fördereinrichtung mit einstellbarer Abgabecharakteristik bekannt, wobei über das Hydroegelelement eine individuelle Einstellbarkeit des Pumpverhaltens erreicht wird, sodass die Abgabe des Insulins in Abhängigkeit der individuellen Patientenanforderung erfolgt. Das Hydrogel wirkt dabei als Aktor, welcher über die Umgebungsbedingungen (Temperatur, pH-Wert, etc.) seine Funktion bewirkend einstellbar ist.
• Weiterhin beschreibt die DE 696 32 067 T2 ein Gerät zum Verabreichen von Medikamenten, wobei die Dosierungsformeinheit eine osmotische angetriebene Abgabevorrichtung, bei der durch die Aufnahme einer Prozessflüssigkeit durch eine halbdurchlässige Membran ein Kolben vorgetrieben wird.
• Trotz ihrer herausragenden Eigenschaften konnten sich die aktorischen Funktionselemente auf Hydrogelbasis, z.B. in Form automatischer Ventile, Pumpen und Regeleinrichtungen, bislang in der Praxis nicht durchsetzen. Dies liegt zu einem großen Teil an dem Umstand, dass die durch Hydrogelsynthese und Konstruktion vorgegebenen Schalt-, Förder- und Regeleigenschaften nicht nachträglich an die besonderen Prozessgegebenheiten angepasst werden können.
• Aufgabe der Erfindung ist es, hydrogelbasierte Einrichtungen zu schaffen, welche eine nachträgliche Einstellung der Schalt-, Förder- oder Regeleigenschaften resp. Des Arbeitspunktes bzw. -bereiches möglich machen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 12 angegeben.
• Durch die Veränderung des Verhältnisses des Kammervolumens zu dem im Arbeitspunkt wirksamen Hydrogelvolumens wird das Hydrogel innerhalb der Volumengrenzen der Kammer früher oder später, d. h., bei geringerer oder stärkerer Quellung, hinsichtlich der gewünschten Funktion wirksam. Der Arbeitspunkt bzw. der -bereich können dadurch besser auf den jeweiligen Prozess eingestellt werden.
• Wenigstens eine Kammerwand ist immer semipermeabel, durchlässig für die Prozessflüssigkeit und undurchlässig für das Hydrogel bzw. die Hydrogelkugeln. Alle Kammerwände, einschließlich der semipermeablen Membran können steif sein. Wenigstens eine Kammerwand, darunter auch die semipermeable Membran kann aber auch elastisch verformbar sein.
• Wenn alle Wände steif sind, füllt das Hydrogel beim Quellen das gesamte Kammervolumen aus. Das Hydrogel versperrt den weiteren Durchfluss.
• Eine Kammer mit einer elastischen Membran kann als Aktuator genutzt werden. Beim Quellen drückt das Hydrogel die Membran nach außen.
• Bei beiden Lösungen kann das Kammervolumen in einfacher Weise mittels Schraubtrieb verändert werden. Einmal, indem die Kammer zweigeteilt ist und beide Hälften ineinander verschraubt sind. Zum anderen, indem in die Kammer ein Kolben hineingeschraubt wird.
• Auch die elastische Membran kann zur Einstellung des Kammervolumens genutzt werden, indem ihr Mittel zur Durchbiegung der Membran zugeordnet werden. Beispielsweise kann in Halbleitertechnologie eine Miniaturkammer aus Silizium hergestellt werden, deren eine Wand besonders stark abgedünnt ist. Mit einem piezoresistiven Aktor auf dieser elastischen Membranwand kann das Kammervolumen vergrößert oder verkleinert werden.
• Die Veränderung des Kammervolumens kann manuell oder auch mechanisiert und durch Prozesssteuerung erfolgen.
• Einige Hydrogele weisen voneinander abhängige Mehrfachsensitivitäten auf. Bei diesen kann das im Arbeitspunkt wirksame Hydrogelvolumen durch die Steuerung wenigstens eines zweiten Umgebungsparameters eingestellt werden. Vorzugsweise wird durch die Einstellung der Temperatur die Abhängigkeit der Sensitivität des Hydrogels von einem Prozessparameter (auf den die Einrichtung reagieren soll) geändert und damit der Arbeitspunkt bzw. -bereich der Einrichtung eingestellt.
• Die Temperaturveränderung kann einfach realisiert werden und ist mittels Prozesssteuerung automatisierbar.
• Es versteht sich von selbst, dass beide Maßnahmen, die Veränderung des Kammervolumens und die Veränderung der Sensitivitätskennlinie, auch gekoppelt werden können.
• Im übertragenen Sinn gelten die genannten Einstellmöglichkeiten auch für sensorische Aufbauten.
• Die Einrichtungen zum definierten Einstellen des Arbeits-, Schalt-, Regel- und/oder Messpunktes bzw. -bereiches von Funktionsaufbauten mit hydrogelbasierten Stelleinrichtungen und/oder Aktoranordnungen können als „Chemostat" bezeichnet werden, da sie letztlich die Funktion eines chemischen Reglers erfüllen (in Analogie zum „Thermostat" genannten Temperaturregler). Funktionsaufbauten mit Messgrößenaufnehmern auf Hydrogelbasis und Einstellmöglichkeiten des Messbereiches bzw. -punktes werden nachfolgend als „einstellbare Sensoren" benannt.
• Ihre Anwendungsmöglichkeiten sind außerordentlich groß. Sie können bei Prozessen zum Einsatz kommen, bei denen die zu regelnde Größe (Regelgröße) an einen vorgegebenen Wert (Soll- oder Führungswert) angeglichen werden muss, wie dies z. B. beim Konstanthalten von Stoff- oder Ionenkonzentrationen vorliegt.
• Sie sind ebenso für Prozesse geeignet, bei denen eine Ausgangs- bzw. Regelgröße, z. B. eine Konzentration des Stoffes 2, einer andersartigen Eingangs- bzw. Führungsgröße, beispielsweise die Konzentration eines Stoffes 1, folgt.
• Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
• 1 den prinzipiellen Aufbau eines Chemostaten mit mechanischer Einstellmöglichkeit und einem direkt im Strömungsquerschnitt platzierten Aktor,
• 2 den prinzipiellen Aufbau eines Chemostaten mit mechanischer Einstellmöglichkeit und einem Aktor als Stellantrieb, [0031]
• 3 die Konfiguration eines mikrotechnischen Chemostaten mit mechanischer Einstellmöglichkeit,
• 4 den Aufbau eines Mikro-Chemostaten mit mechanischer Einstellmöglichkeit und integriertem Sensor,
• 5 das Quellverhalten von Poly(N-Isopropylacrylamid) in Abhängigkeit des Gehaltes verschiedener Alkohole in Wasser,
• 6 die Schaltkonzentration von Ethanol in Wasser eines Chemostaten nach 1 in Abhängigkeit vom Membran-Stellweg,
• 7 die Schaltkonzentration von Ethanol in Wasser eines Chemostaten nach 2 in Abhängigkeit von der Stellantrieb-Distanz zum Ventilsitz,
• 8 den Aufbau eines Mikro-Chemostaten mit einem elektronikkompatiblen Heiz- oder Peltierelement als nichtmechanische Einstellmöglichkeit,
• 9 die Abhängigkeit der Phasenübergangstemperatur eines Copolymers aus Hydroxyethyl-Methacrylat und Acetoacetoxyethyl-Methacrylat von der Alkoholkonzentration in Wasser,
• 10 einen Grenzwert-Sensor mit mechanisch einstellbarem Grenzwert,
• 11 eine automatische Verdrängerpumpe mit mechanischer Einstellmöglichkeit Pumpen-Arbeitspunktes.
• Anhand von 1 soll zunächst eine erste Ausführung und dann die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Chemostaten vorgestellt werden.
• Die Kammer (1) wird aus den Ventilkörperteilen (3) und (4) gebildet, die miteinander verschraubt sind. Als Material für die als semipermeable Aktorkammern fungierenden Membranen (2) kommt eine Metallgaze zum Einsatz, die eine Maschenweite von 53 μm sowie eine Drahtdicke von 24 μm aufweist und an den Stirnflächen von (3) und (4) befestigt wird.
• Um den Abstand der Membranen (2) verstellbar und damit die Größe der Aktorkammer (1) variabel zu gestalten, ist das Innenteil (4) innerhalb des Ventilzylinders (3) mittels der Verschraubung verschiebbar. Zum Vermeiden von Kriech- bzw. Leckflüssen ist ein Dichtring (5) vorgesehen.
• Durch ein Feingewinde ist das Volumen der Kammer (1) präzise einstellbar. Im geschilderten Beispiel kann der Abstand der zwei Membranen (2) zwischen 0 mm und 12 mm variiert werden. Durch Gravur einer mm-Teilung mit Nonius auf dem Ventilkörperteil (4) lässt sich eine Einstellbarkeit mit einer Präzision von 0,1 mm realisieren.
• Als Hydrogel kommt Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAAm)-Granulat der Größenfraktion von (300 ± 100) μm zum Einsatz. Dessen Synthese und Strukturierung ist in [K. -F. Arndt et al., Polym. Adv. Tech. 11 (2000), S. 496–505] beschrieben. Die Maschenweite der Gaze (2) ist so gewählt, dass die Hydrogelpartikel nicht aus der Aktorkammer (1) ausgespült werden können.
• Im weiteren wird die Funktionsweise eines PNIPAAm-basierten Chemostaten nach 1 für die Regulation einer Ethanolkonzentration erläutert. Die zylindrische Aktorkammer (1) besitzt einen Durchmesser von 5 mm und ist mit 20 mg PNIPAAm-Granulat gefüllt. Als Ausgangsposition x₀ des Chemostaten wird der vollständig geschlossene Ventilzustand bei einem Prozessmedium mit 30wt% Ethanolanteil in Wasser bei einem Druckabfall von 1 bar definiert.
• Das Quellverhalten von PNIPAAm in Abhängigkeit von Alkoholanteilen in Wasser ist in 5 dargestellt. In reinem Wasser und bei Raumtemperatur (21°C) ist PNIPAAm vollständig gequollen. Ab etwa 5wt% Ethanolanteil entquillt PNIPAAm stark und erreicht einen nahezu entquollenen Zustand ab 20wt% Alkohol.
• Jedem Quellungsgrad des Hydrogelaktormaterials und damit jeder Ethanolkonzentration lässt sich genau ein Arbeitspunkt zuordnen, bei dem das Ventil geschlossen ist und einen Druckabfall von 1 bar ermöglicht. Dieser Arbeits- oder Schaltpunkt lässt sich durch entsprechende Variation der Größe der Aktorkammer (1) mittels Veränderung des Abstandes der zwei wasserdurchlässigen Aktorkammerwände (2) einstellen. Das resultierende Verhalten des Chemostaten nach 1 ist in 6 dargestellt. Im Bereich von 10 bis 20wt% Ethanol in Wasser lässt sich die Schaltkonzentration des Chemostaten sehr präzise einstellen. In diesem Bereich zeigt der Zusammenhang Schaltkonzentration – Membran-Stellweg einen nahezu linearen Zusammenhang, wobei sich die Schaltkonzentration rechnerisch mit einer Präzision von 0,125wt% pro Skaleneinheit von 0,1 mm einstellen lässt. Wiederholungsmessungen weisen darauf hin, dass in der Praxis die Schaltkonzentration mit einer Präzision von 1wt% einstellbar ist.
• Im Bereich unterhalb von 10wt% und oberhalb 20wt% Ethanolanteil in Wasser sind die Änderungen im Aktor-Quellungsgrad zu gering, um noch eine definierte Einstellung der Ethanol-Schaltkonzentration mit dem Chemostaten zu ermöglichen.
• Das Volumen der Kammer (1) kann auch während des Prozesses verändert werden, indem beispielsweise dem drehbaren Gehäuseteil (4) ein Schrittmotor zugeordnet wird.
• Die Konfiguration nach 1 ist bei Verwendung von PNIPAAm als Aktormaterial in reinem Wasser ein normal geschlossenes Ventil, da das Material hier seinen größten Quellungsgrad aufweist. Um PNIPAAm auch für Ventile mit einer normal geöffneten Ventilcharakteristik nutzen zu können, müssen diese einen anderen Aufbau besitzen.
• 2 zeigt einen Chemostat-Aufbau, der bei Verwendung von PNIPAAm in reinem Wasser bei Raumtemperatur normal geöffnet ist.
• Die Kammer (1) des Hydrogelaktors befindet sich hier in einem Stellglied-Körper (8). Beim Quellen des Aktors lenkt er eine elastische Stellmembran (9) aus, welche z.B. aus einer 25 μm dicken Polyurethan-Folie bestehen kann. Der dadurch realisierte Aktorhub wird genutzt, um über eine elastische Trennmembran (12), welche die beiden Medien (6) und (7) voneinander trennt, den Ventilsitz (11) zu öffnen, so dass das Medium (6) durch den Ventilauslass (13) in das Medium (7) gelangen kann. Entquillt der Aktor, wird der Ventilsitz (11) geschlossen und der Medienstrom beendet. Die Einstellung des Ventil-Schaltpunktes erfolgt auch hier mit einem Feingewinde zwischen Stellglied (8) und Ventilkörper (10).
• 7 zeigt die Einstellbarkeit der Ethanol-Schaltkonzentration in Abhängigkeit von der Stell-Distanz des Stellgliedes (8) bei Raumtemperatur (21°C). Die Aktorkammer (1) besitzt im besprochenen Beispiel einen Durchmesser von 5 mm und eine Höhe von 9 mm. Als Aktormaterial wird 53,7 mg PNIPAAm der Partikelgröße (300 ± 100) μm verwendet.
• Oberhalb 20wt% Ethanol und unterhalb 5wt% Ethanol konnten mit dem Chemostaten keine reproduzierbaren Regelfunktionen erzielt werden. Zwischen diesen beiden Konzentrationen liegt aber ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der Schaltkonzentration und der Stell-Distanz des Stellgliedes vor. Mit diesem Chemostat-Aufbau lässt sich ebenfalls eine Einstell-Präzision von etwa 1wt% erreichen.
• Anhand von 2 soll ein erster möglicher Anwendungsfall von Chemostaten diskutiert werden. Bei der Herstellung von Druckerzeugnissen mit dem Offset-Druckverfahren wird zum Erreichen optimaler Druckergebnisse als Benetzer Isopropanol eingesetzt. Die Alkoholkonzentration im Druckmedium ist stets im Bereich von 5 bis 10% zu halten, da sonst die Druckqualität beeinträchtigt wird. Derzeit wird die Alkoholkonzentration sensorisch überwacht. Das Konstanthalten der Alkoholkonzentration lässt sich sehr einfach mit dem Chemostaten nach 2 realisieren. Nimmt der Alkoholgehalt im Druckmedium (7) so stark ab, dass die durch die entsprechende Distanz x des Stellgliedes (8) eingestellte kritische Schaltkonzentration, beispielsweise 7,5wt% Isopropanol, erreicht wird, so quillt der Aktor, lenkt die elastische Membran (9) aus und öffnet den Ventilsitz (11). Nun kann über den Auslass (13) das Medium (6), z.B. reiner Isopropanol, der Druckflüssigkeit (7) zugeführt werden. Mit zunehmender Isopropanolkonzentration in (7) entquillt der Hydrogelaktor solange, bis sich der Ventilsitz (11) wieder schließt. Bei erneutem Unterschreiten der Schaltkonzentration wiederholt sich der Vorgang.
• Chemostate mittlerer und großer Leistung bzw. Durchflussraten sind besonders für nasschemische Prozesse geeignet, bei denen Konzentrationen bestimmter Prozessgrößen konstant zu halten sind. Dies können pH-Werte, freie und/oder Gesamtsäuregehalte, Konzentrationen bestimmter An- und Kationen, Tenside sowie bestimmte Lösungsmittel sein. Wesentliche Anwendungen sind in der Oberflächenbehandlung, Lackier- und Beschichtungstechnologie, Reinigung/Lebensmittelindustrie, der Analytik und Umwelttechnik zu finden. Die Chemostaten können in diesen Anwendungsbereichen einstellbare Öffnungsfunktionen (Zuleiten bestimmter Medien) und/oder Abschaltfunktionen (z.B. Notaus-Funktion bei überschreiten kritischer Parameter wie Schadstoffkonzentrationen) realisieren.
• Von besonderer Bedeutung ist das Anwendungspotenzial hydrogelbasierter Chemostaten in den Bereichen der Biotechnologie, Medizintechnik, Pharmazie und Chemie.
• In der Medizintechnik lässt sich beispielsweise der Abgabepunkt bzw. -bereich von Injektions- bzw. Infusionssystemen, welche direkt durch eine körpereigene Führungsgröße geregelt werden (sogenannte künstliche Organe), individuell an den Bedarf eines Patienten anpassen. In der Biotechnologie ermöglichen Chemostate das bedarfsgerechte Regulieren von Nähr- und/oder Wirkstoffkonzentrationen, wie z. B. Pharmaka und Enzymen.
• Da hier oft kleinste Stoffmengen zu handhaben sind, empfiehlt sich der Einsatz miniaturisierter Chemostate. 3 und 4 stellen beispielhaft mögliche Mikro-Chemostat-Aufbauten vor.
• Der Mikro-Chemostat nach 3 lässt sich beispielsweise in Silizium- bzw. Siliziumdioxid-Technologie fertigen. Zur Strukturierung der Ventilkörperteile (17) und (18) inklusive des Gitters (14a) (dies ist im Beispiel Bestandteil von (17)) kann ein nasschemisches Ätzverfahren, wie es detailliert in [A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003), S. 748–753] beschrieben ist, verwendet werden. Das Ventilkörperteil (16) enthält ein Gewinde, welches aus Messing, einem anderen Metall oder Kunststoff mit der erforderlichen chemisch-mechanischen Beständigkeit gefertigt werden kann. Das Teil (15) zur Einstellung der Größe der Aktorkammer (1) kann ebenfalls aus Metall oder einem geeigneten Kunststoff bestehen. Für die auf das Gewindeteil (15) aufgeklebte Membran (14b) kann eine Metallgaze oder entsprechend perforiertes Blech Verwendung finden. Der je nach Beschaltung als Ein- oder Ausgang nutzbare Anschluss (19) kann einen nicht dargestellten Schlauchadapter tragen. Die Funktionsweise dieses Mikro-Chemostaten entspricht der zu 1 geschilderten.
• Der Aufbau von 4 stellt eine Modifikation von 3 dar, der zusätzlich ein Transducer-Element (21) (Transducer entspricht hier dem Wandler des nichtelektrischen Ausgangssignals des Messgrößenaufnehmers in ein elektrisch auswertbares Signal) enthält, welcher eine elektronische Überwachung des Prozessmediums ermöglicht. Konstruktiv erfordert dies eine Umgestaltung der Anschlussmöglichkeiten, der mit dem Anschluss (20) Rechnung getragen wird, welcher über einen Strömungsschlitz (22) (dieser dient hauptsächlich der formschlüssigen Platzierung des Hydrogels) als Verbindung zur Aktorkammer verfügt. Die Schlitz-Höhe richtet sich konstruktiv nach der Passiergröße der Hydrogel-Partikel, welche dem minimalen Durchmesser dieser Teilchen im trockenen Zustand entspricht. Das Gitter (14) ist bei der dargestellten Konfiguration als perforierte Metallfolie ausgeführt. Der Transducer (21) kann z. B. nach dem in [G. Gerlach et al., Sens. Actuat. B 111–112 (2005), S. 555–561] geschilderten Prinzip der piezoresistiven Biegemembran arbeiten.
• Bei einer anderen Gestaltung der Kammer kann eine solche piezoresistive Biegemembran auch als aktives Element zur Verstellung des Kammervolumens genutzt werden.
• Die elektronische Überwachung des Prozessmediums ist insbesondere bei medizintechnischen Anwendungen der Chemostaten als automatische Infusions- bzw. Injektionseinheiten wichtig.
• Zunächst wird durch die einstellbare Regeleinheit (hier der Hydrogelaktor) die bedarfsgerechte automatische Regelfunktion realisiert. Diese Einheit besitzt zudem Notaus- sowie/oder Notan-Funktionen. Über das integrierte Sensorsystem und eine nachgeschaltete Elektronik (in 4 nicht dargestellt) kann durch eine z.B. mikrocontroller-basierte Datenverarbeitung der aktuelle Wert der Prozessgröße visuell, akustisch und/oder taktil angezeigt, in einen Speicher abgelegt und über eine Schnittstelle diagnostischen Systemen des Arztes zugeführt werden.
• Das medizinische Anwendungsfeld ist die bedarfs-/ereignisabhängige bzw. spiegelgeführte Medikamentierung, im Allgemeinen in Form einer Depot-Medikamentierung. Eine bedarfsgerechte Wirkstoffverabreichung ist bei außerordentlich vielen Therapien wünschenswert. Dies betrifft z.B. Herz-Kreislauf-Erkrankungen (beispielsweise Verabreichung von Beta-Blockern, Kalzium-Antagonisten), die Medikamentierung von Psychopharmaka, die Schmerztherapie oder die Behandlung von Infektionskrankheiten wie Malaria.
• Als Anwendungsbeispiel für einen Mikro-Chemostaten in der Medizintechnik soll eine Blutglukose-geführte Insulinabgabe-Einheit, auch künstliche Pankreas bzw. Bauchspeicheldrüse genannt, diskutiert werden. Eine derartige Einheit besitzt den Zweck, in Abhängigkeit vom Blutglukoselevel dem Patienten Insulin bedarfsgerecht zuzuführen.
• Ein automatisches Mikroventil auf Hydrogelbasis mit einer Sensitivität gegenüber Glukosekonzentrationen wurde bereits in [A. Baldi et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003), S. 613–621] vorgestellt. Aus Anwendungssicht besitzt dieses jedoch mehrere Nachteile. So ist die Einrichtung nicht patientenspezifisch anpassbar, da der Schaltpunkt durch das Hydrogel und die Konstruktion fest vorgegeben ist. Zudem ist für Patient und Dieser Text wurde durch das DPMA aus Originalquellen übernommen. Er enthält keine Zeichnungen. Die Darstellung von Tabellen und Formeln kann unbefriedigend sein. medizinisches Personal eine Anzeige der aktuellen Blutglukosekonzentration wichtig. Ohne diese Möglichkeit wäre die Geräteakzeptanz wohl auf beiden Seiten deutlich niedriger. Diagnostisch ist zudem eine Aufzeichnung des Blutglukoselevels sinnvoll.
• Diese Funktionen lassen sich mit einem Aufbau nach 4 realisieren. Die aus therapeutischer Sicht erforderliche Einstellung der Chemostat-Schaltkonzentration des Blutglukosegehaltes erfolgt durch entsprechende Betätigung der Justageschraube (15). Über das Transducer-Element (21) wird der aktuelle Quellungszustand des Hydrogels verfolgt. Dies kann beispielsweise durch die Aufnahme der Widerstandsänderung eines piezoresistiven Transducers infolge der Auslenkung der Membran von (21) erfolgen. Mit einer nicht dargestellten elektronischen Einheit kann eine Datenverarbeitung, z. B. mit einem Mikrocontroller, erfolgen, mit der sich der aktuelle Blutglukosewert visuell mit einem LC-Display oder anderweitig anzeigen lässt. Enthält die elektronische Baugruppe zudem noch einen Speicher sowie eine entsprechende Schnittstelle, kann der zeitliche Verlauf des Glukosespiegels aufgezeichnet und an ein Gerät des Arztes übermittelt werden. Dies kann konventionell über Kabel oder drahtlos erfolgen.
• Die geschilderte Kombination des Transducers mit der Aktoreinheit ist ein konstruktiver Spezialfall. Aus funktionellen und anderen Gründen wird in vielen Anwendungsfällen eine Trennung von Sensoreinheit und Aktoreinheit notwendig sein.
• Prinzipiell kann ein Chemostat auch durch Kontrolle einer bestimmten Umgebungsgröße eingestellt werden. Dies ist genau dann möglich, wenn das eingesetzte Hydrogel über mehr als eine Sensitivität verfügt, die zudem definiert voneinander abhängen müssen. Besonders attraktiv sind temperatursensitive Hydrogele mit zusätzlichen Sensitivitäten. Da die Temperatur technisch sehr einfach kontrollierbar ist, kann sie für Chemostaten zur nichtmechanischen Einstellung des Schalt- oder Arbeitspunktes genutzt werden. Einen derartigen Chemostaten zeigt 8. Der dargestellte Mikro-Chemostat besitzt einen Drei-Lagen-Aufbau. Das Ventilkörperteil (23) besitzt Anschlüsse an einen Prozesskreislauf mit dem Medium (7). Das Ventilkörperteil (24) enthält einen weiteren Anschluss (20) für das Medium (6). Zudem trägt es die Aktorkammer (1), welche über einen Strömungsschlitz (22) mit (20) verbunden ist. Die Teile (23) und (24) sind durch den Layer (25) verbunden, der im Bereich der Aktorkammer perforiert ist und eine flüssigkeitsdurchlässige Aktorkammerwand bildet. In unmittelbarer Umgebung der Aktorkammer (1) befindet sich ein Heiz- oder Peltierelement (26) und ein Temperatursensor (27).
• Die Funktion des Mikro-Chemostaten nach 8 wird am Beispiel eines alkohol-sensitiven Chemostaten beschrieben.
• Als Aktormaterial wird ein Copolymer aus Hydroxyethyl-Methacrylat (HEMA) und Acetoacetoxyethyl-Methacrylat (AAEM) verwendet, welches eine gekoppelte Temperatur- und Alkohol-Sensitivität aufweist. Wie 9 zeigt, hängt die Lage von dessen Phasenübergangstemperatur PÜT von der Art und der Konzentration des Alkohols in Wasser ab [V. Boyko et al., Macromol. Chem. Phys. 204 (2003), S. 2031–2039].
• Zum Einstellen beispielsweise der Ethanol-Schaltkonzentration des Chemostaten wird das Hydrogel in der Aktorkammer (1) mit dem Heiz- oder Peltierelement (26) auf die erforderliche Temperatur erwärmt, welche durch den integrierten Temperatursensor (27) regel- und damit konstanthaltbar ist. Soll die Ethanol-Schaltkonzentration auf 10 mol% eingestellt werden, so muss entsprechend 9 das Hydrogel in der Aktorkammer (1) auf 45°C erwärmt werden. Ist eine Schaltkonzentration von 15 mol% einzustellen, ist der Hydrogelaktor auf ca. 43°C, für 20 mol% auf etwa 38°C zu temperieren.
• Andere Beispiele temperatursensitiver Hydrogele mit voneinander abhängigen Mehrfach-Sensitivitäten sind Polymere und Copolymere auf Basis von N-Isopropylacrylamid und Copolymere sowie Poly(Methylvinylether) (PVME). Diese zeigen beispielsweise neben der Temperatursensitivität solche gegenüber Salzkonzentrationen. Durch entsprechende Copolymerisation lassen sich zudem bei vielen Hydrogelen, insbesondere N-Isopropylacrylamid-basierten, Vorzugssensitivitäten gegenüber bestimmten Ionen, wie Metallionen, erreichen, die durch Veränderung der Umgebungstemperatur beeinflussbar sind.
• Es gibt mittlerweile eine außerordentlich große Vielzahl von Hydrogelen mit einer fast ebenso großen Anzahl von Sensitivitäten. Einen kleinen Überblick darüber gewährt z.B. [A. Richter: Hydrogel-based μTAS: Techniques and Applications. In C. T. Leondes: MEMS/NEMS Handbook: Techniques and Applications, Vol. 2, Springer 2005].
• Die erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich ebenfalls zum Einstellen des Messbereiches von Sensoren mit hydrogel-basierten Messgrößenaufnehmern. Insbesondere die nichtmechanische Einstellung unter Nutzung mehrfach-sensitiver Hydrogele ist hier interessant. Bei Verwendung temperatursensitiver Hydrogele lässt sich beispielsweise im übertragenen Sinn das anhand der 8 und 9 geschilderte Prinzip zur Messbereichseinstellung der Sensoren verwenden.
• Besonders attraktiv ist die Möglichkeit, durch entsprechende Sensorbeheizung bestimmte Vorzugssensitivitäten zu aktivieren und damit den Sensor-Charakter zu verändern. Damit können mit einem einzigen Sensor mehrere unterschiedliche Messaufgaben realisiert werden.
• Insbesondere für Grenzwert-Sensoren und Dosimeter (Einrichtung, welche die auftretenden Einzeldosen summiert) ist auch eine mechanische Einstellung der Grenzwerte sinnvoll. Einen möglichen Grenzwert-Sensor-Aufbau zeigt 10. Das als Messgrößenaufnehmer fungierende Hydrogel befindet sich in der Kammer (32). Über die perforierte Abdeckung steht das Hydrogel im direkten Kontakt zum Prozessmedium. Verändert sich der zu überwachende Parameter (z.B. der pH-Wert) derartig, dass ein Quellvorgang des Hydrogels ausgelöst wird, so wirkt dieses auf den Transducer (31) ein. Der Transducer (31) kann beispielsweise ein Leiterzug sein, der mechanisch zerstört wird, er kann ein öffen- oder schließbarer Kontakt oder eine piezoresistive Membran sein. Bei Überschreiten eines bestimmten Quellungszustandes wird das Hydrogel je nach Transducer-Art die Leiterbahn zerstören, den Kontakt betätigen oder einen Widerstandswert überschreiten, so dass jeweils das Grenzwertsignal vorliegt. Durch Variation der Größe der Aktorkammer (32) mittels Betätigen der Einstellschraube (30) kann die Lage des Grenzwertes eingestellt werden.
• Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch zum Einstellen des Arbeitspunktes von automatischen fluidischen Antrieben und Fördereinrichtungen auf Hydrogelbasis genutzt werden. Anhand der in 11 dargestellten automatischen Verdrängerpumpe wird eine mechanische Einstellmöglichkeit beschrieben.
• Der Strukturträger (37) besitzt Anschlüsse (38, 39) zu einem die Führungsgröße beinhaltenden Prozessmedium. Der Quellungszustand des Hydrogelaktors (35) hängt von der Führungsgröße, die beispielsweise eine Lösungsmittelkonzentration ist, ab. Die Einschraubtiefe der Einstellschraube (34) bestimmt den Quellungszustand des Aktors (35), ab dem die elastische Membran (42) in die Pumpenkammer (41) ausgelenkt wird und die Pumpenförderung des geregelten Mediums durch den Pumpenausgang (43) einsetzt.
• Für die Einstellung des Arbeitspunktes automatischer fluidischer Antriebe und Fördereinrichtungen auf Hydrogelbasis kann selbstverständlich auch das bereits geschilderte Prinzip der nichtmechanischen Einstellung eingesetzt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Hydrogelkammer, Aktorkammer

2

Semipermeable Membran

3

Ventilkörperteil 1

4

Ventilkörperteil 2

5

Dichtring

6

Medium 1

7

Medium 2

8

Stellglied-Körper

9

Elastische Stellmembran

10

Ventilkörper

11

Ventilsitz

12

Elastische Trennmembran

13

Ventilauslass

14, 14a, 14b

Gitter, semipermeable Membran

15

Teil zur Einstellung der Aktorkammergröße

16

Ventilkörperteil 1 mit Gewinde

17

Ventilkörperteil 2

18

Ventilkörperteil 3

19

Eingang; Ausgang

20

Eingang; Ausgang

21

Sensor-Transducer

22

Strömungsschlitz

23

Ventilkörperteil 1

24

Ventilkörperteil 2

25

Layer mit Gitter

26

Heizelement

27

Temperatursensor

28

Sensorteil mit Kammer für Messgrößenaufnehmer

29

Sensorteil mit Gewinde

30

Einstellschraube

31

Transducer

32

Kammer für Messgrößenaufnehmer

33

Perforierte Kammerabdeckung

34

Einstellschraube

35

Hydrogelaktor

36

Pumpenteil mit Gewinde

37

Strukturträger des Aktorkreislaufs

38

Anschluss 1 zu Prozesskreislauf 1

39

Anschluss 2 zu Prozesskreislauf 2

40

Pumpenkammerträger

41

Pumpkammer

42

Elastische Membran

43

Pumpenausgang

x₀

Ausgangsposition des Stellweges bzw. der Stell-Distanz

x

aktueller Stellweg

x_max

maximaler Stellweg bzw. maximale Stell-Distanz

Claims (12)

1. Einrichtung mit einem Hydrogel, in wenigstens einer Kammer (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Lage eines funktionell genutzten Bereiches der Volumenänderung des Hydrogels zu der eine Funktion der Einrichtung bestimmenden Komponente einstellbar ist, wobei wenigstens eine Kammerwand semipermeabel durchlässig für eine Prozessflüssigkeit und undurchlässig für das Hydrogel ausgebildet ist und wobei das Volumen der Kammer (1) einstellbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Stellglied fungierender Aktor oder Messgrößenaufnehmer in seiner Distanz gegenüber der Stelle, auf welche er eine aktorische oder stellende Wirkung ausübt, einstellbar ist.
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der Kammer (1) wenigstens zweigeteilt ist und wenigstens ein Teil in oder auf eines der anderen Teile ein- oder aufschraubbar ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der Kammer (1) wenigstens eine elastisch verformbare Membranwand (14) enthält.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Membran (14) zugleich semipermeabel ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Membran Mittel zu ihrer Ausbiegung etwa in Richtung der Normalen auf die Membran zugeordnet sind.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass einem Schraubtrieb oder dem Mittel zur Ausbiegung der Membran ein elektrisch ansteuerbarer Antrieb. zugeordnet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch ansteuerbarer Antrieb als ein Schrittmotor oder ein Piezoaktor ausgebildet ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellweg messbar ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrogel voneinander abhängige Mehrfachsensitivitäten besitzt, der Einsatz der Einrichtung auf der Abhängigkeit der Sensitivität des Hydrogels von einem Prozessparameter beruht und ein anderer, die Abhängigkeit der Sensitivität des Hydrogels vom Prozessparameter verändernder Umgebungsparameter zur Einstellung eines Arbeitspunktes oder -bereichs der Einrichtung steuerbar ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrogel eine Abhängigkeit gegenüber dem Prozessparameter Phasenübergangskonzentration von Stoffen oder Ionen und zugleich eine Temperaturabhängigkeit aufweist, beide Abhängigkeiten in Bezug zueinander stehen und der Kammer (1) eine steuerbare Wärmequelle zur funktionserforderlichen Einstellung des Arbeitspunktes bzw. -bereichs der Einrichtung zugeordnet ist.
12. Einrichtung nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Volumens der Kammer (1) zu dem in einem Arbeitspunkt wirksamen Hydrogelvolumen durch die Veränderung des Volumens der Kammer (1) und durch die Steuerung eines Umgebungsparameters einstellbar ist.

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