WO2006066541A1 - Elektronisch steuerbare mikropumpe auf hydrogelbasis - Google Patents

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Andreas Richter
Andrij Pich
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Technische Universität Dresden
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Definitions

  • the invention relates to devices and methods for conveying or. Pumping of media consisting of several series-connected micro- or millimeter-scale hydrogel-based actuator segments and which can be electrically or electronically controlled via a corresponding cascaded interface.
  • Patents disclose such devices. Representative US 5, 224, 843 and US 2003/0143122 Al mentioned.
  • piezoelectric pumps a piezoelectric diaphragm is vibrated by driving with an AC voltage.
  • a backflow barrier In combination with a backflow barrier becomes a directional
  • US 5,659,171 discloses a micropump for gases in which a flexible membrane is made of either a bimorph material having a different thermal expansion coefficient or a shape memory alloy. Even with these devices, a volume flow is achieved by deflection of the membrane.
  • Collapse of a gas bubble leads to media conveyance as a result of the fluid displacement.
  • Osmotic pumps offer an interesting drive mechanism of delivery devices.
  • a swellable material performs the displacement work necessary for promoting the medium (F. Theeuwes, Elementary osmotic pump, J. Pharm., 64 (1975), 1987-1991). This principle is now widely used in medicament systems.
  • Hydrogels are polymer networks that change their volume when exposed to the swelling agent water.
  • a special class is
  • hydrogels 25 of the hydrogels are smart hydrogels. These are polymer networks that perform a reversible discontinuous volume phase transition when exposed to certain environmental variables.
  • the environmental parameters can be electrical field quantities, radiation, temperature, ion and substance concentrations
  • DE 198 12 436 A1 also discloses an automatic conveyor device, wherein the smart hydrogel realizes a delivery rate as a function of specific environmental variables.
  • a miniaturized automatic conveyor is in D. T.
  • Functional elements based on smart hydrogels can also be electrically driven according to DE 101 57 317 A1.
  • the microvalves presented there have an electrical interface, with which the degree of swelling of temperature-sensitive hydrogels and thus a valve function can be controlled.
  • the hydrogel actuator ejects the printer fluid through a nozzle.
  • the object of the invention is to develop electronically controllable micropaphores which are on-chip-capable and thus easy to integrate into complex systems, constructed in a simple manner, controllable in terms of their delivery rate and have low power consumption.
  • 0 1 shows the basic structure of an electronically controllable micropump based on temperature-sensitive smart hydrogels in an exploded view
  • FIG. 1a shows the configuration according to FIG. 1 in a sectional illustration
  • Fig. 2 shows the volume phase transition behavior of temperature-sensitive smart hydrogels as a function of the temperature
  • FIG. 3 shows the basic mode of operation of an electronically controllable micropump based on temperature-sensitive, smart hydrogels
  • FIG. 3a the configuration of the pump in the starting phase of 5 stipulatef ⁇ rd réelle from "the pump chamber
  • FIG. 3b shows the configuration of the pump in the final phase of the medium pumping from the pump chamber
  • Fig. 3c the configuration of the pump in the start phase of the media loading of the pump chamber
  • Fig. 3d the configuration of the pump in the final phase of the media loading of the pump chamber
  • Fig. 4 the configuration of a pump with hydrogel-based valves at the inlet and outlet of the pump chamber.
  • a pump shown in Figure 1 consists of three functional levels 9, 2 and 2.
  • a channel structure support 9 includes a delivery circuit with a pump chamber 11 and its input 12 and output 10.
  • An actuator structural support 2 is separated from the delivery circuit by a flexible or elastic membrane 13. It comprises an actuator chamber 5 with a hydrogel actuator 1 and swelling agent reservoirs 3, which can be separated from the actuator chamber 5 with swelling agent-permeable actuator chambers 4.
  • the functional level of the actuator structure carrier 2 is covered by a structural support of the electrical drive 6, which in turn encloses structures of heating elements 7 and corresponding electrical conductor tracks 8.
  • the structural support for the electrical control 6 is made of soft glass D263 (550 microns thickness, Kirk Glas AG).
  • Heating elements 7 100 nm thickness, resistance approximately 50 ⁇ , adhesion promoter layer 10 nm of titanium
  • conductor tracks 8 were produced using a platinum thin-layer lift-off technology (Malz & Schmidt MSBA-400SP) and subsequently passivated with silicon dioxide " (US Pat. 800nm thickness, PECVD process with Plasmalab 80+ CVD, Oxford Technologies)
  • the electrical connection to the control electronics can be realized by bonding.
  • the structures of the Aktor Modell Designismes 2 including the flexible or. elastic membrane 13 and the channel structure support 9 were made of polydimethylsiloxane (PDMS) (Sylgard 184, 5 Dow Chemicals).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • negative structures of the required geometries were produced photolithographically in 4 VV silicon wafers (n-Si, ⁇ 100> oriented, 525 ⁇ m thick, 0 one-side polished, wet-chemically etched in KOH) and then coated with approx. coated on thick teflon by sputtering (Plasmalab 80+, Oxford Technologies).
  • the impression of the PDMS structures was made by using a Teflon impression device. This consists of two parts. 5 The lower part positions the substrates to which the PDMS is to be applied. The upper part contains the impression master. Both are precisely matched by guides.
  • the PDMS is applied to the substrate to be coated, which in the case of Aktor Designmons 2 0 An Kunststoff fürtechnik 6 and the channel support 9 is a simple soft-glass plate, then the impression master is placed and the whole arrangement approx. Tempered at 100 0 C for one hour. After removal of the masters, the PDMS positive structures are present.
  • the flexible resp. elastic membrane 5 13 of PDMS was produced by spin coating.
  • the PDMS is applied to a silicon wafer and then spin-coated at about 3000 to 4000 rpm for 20 to 40 seconds.
  • the achieved layer thicknesses are 15 to 50 microns.
  • the flexible or elastic membrane 13 can also be generated directly during the production of the actuator structural support 2.
  • the channel structure carrier 9 and the Aktor fürtechnik 2 can be joined after J e fraudm activation of the PDMS structure surfaces by an oxygen plasma treatment or the like under pressure. " 5 ⁇
  • the Hydrogelaktoren 1 can be produced by various methods.
  • the prepolymer solution becomes filled in the spaces of the actuator chamber 5 and 3 Banlstoffreservoirs.
  • connecting stubs can be used, which can be placed on the structural support 6.
  • an overpressure is generated in the actuator chamber 5 and the swelling agent reservoir 3, which deflects the flexible or elastic membrane 13 completely into the pump chamber 11.
  • the hydrogel is polymerized in the actuator chamber 5 using exposure masks.
  • Non-crosslinked polymer components are then removed in a wash with a water-alcohol mixture.
  • a negative pressure in the pump chamber 11 can be generated for deflecting the flexible or elastic membrane 13.
  • a casting technique can also be used in that the connections of the actuator chamber 5 to the swelling agent reservoirs 3 are temporarily closed with wax or similar materials. After the prepolymer solution has been introduced into the actuator chamber 5, in this case its polymerisation to the hydrogel proceeds spontaneously since the crosslinkers are also contained in the polymer solution. Thereafter, the closure material is removed.
  • Temperature-sensitive smart " hydrogels can exhibit two volume-phase-transition behaviors that are illustrated for some hydrogel examples in Figure 2. Most temperature-sensitive smart hydrogels have a Lower Critical Solution Temperature (LCST) characteristic; H. , they are swollen at low temperatures and escaping when the phase transition temperature is exceeded.
  • LCST Critical Solution Temperature
  • PNIPAAm homopolymer poly (iV-isopropylacrylamide)
  • the phase transition temperature is 32, 8 0 C.
  • the position of the phase transition or switching temperature of NIPAAm-based hydrogels can be adjusted by copolymerization and variation of the synthesis parameters in a range of +5 0 C and about 60 0 C.
  • PNIPAAm-based hydrogels Possible synthesis and structuring methods of PNIPAAm-based hydrogels are e.g. 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.
  • phase transition properties with LCST characteristic has z. B. also shown in Figure 2 poly (methyl vinyl ether) (PVME).
  • the position of the phase transition temperature of this hydrogel is about 37 ° C.
  • PVME is cross-linked with high-energy radiation (electron irradiation, gamma irradiation) (K. -F. Arndt, T. Schmidt, H. Menge, poly (vinyl methyl ether) hydrogel Formed by High Energy Radiation, Macromol., Symp. 2001) 313-322).
  • FIG. 2 shows the UCST behavior of a hydrogel HEMA / AAEM prepared by copolymerization of hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and acetoacetoxyethyl methacrylate (AAEM), whose synthesis in V. Boyko et al. , Preparation and characterization of acetoacetoxyethyl methacrylate-based gels, Macromol. Chem. Phys. 204 (2003), 2031-2039. In a 60wt%: 40wt% ethanol / water mixture whose phase transition temperature is 31, 5 0 C.
  • HEMA hydroxyethyl methacrylate
  • AAEM acetoacetoxyethyl methacrylate
  • actuators based on hydrogels with UCST characteristics are suitable for the micropumps according to the invention according to FIGS. 1, 3 and 4, since these have to be heated only for swelling.
  • actuators based on hydrogels with LCST characteristics have to be heated in order to maintain the swollen state.
  • the configuration according to FIG. 1a corresponds to a fully heated actuator 1.
  • the heating element 7 located on the input side is to be switched off so that the PNIPAAm actuator 1 swells after falling below the phase transition temperature and closes the entrance (Figure 3a).
  • the PNIPAAm actuator 1 swells after falling below the phase transition temperature and closes the entrance ( Figure 3a).
  • FIG. 3b The loading operation of the pump according to FIG. 3c is effected by sequential heating of the actuator 1 from the input side. Again, the pump chamber 11 fills due to the resulting negative pressure.
  • a separation of the Aktornikonnees with actuator chamber 5 and Banlstoffreservoir 3 from the process cycle is not necessarily necessary and should only be realized if an execution of Aktornikonnees is required as a closed system. This is eg. the case when the process medium is not usable as Aktorquellstoff. If the process medium can be used as the swelling agent of the actuator 1, there is no longer any need for this separation and the swelling agent reservoirs 3 can be dispensed with.
  • FIGS. 1 and 3 have the disadvantage that the respective outer actuator segments of the actuator 1 fulfill a valve function and are therefore hardly pumpingly active. Therefore, it is advisable to additionally provide valve elements / In the design of Figure 1, such valves can be integrated by the actuator unit is extended by segments, which in the input 12 and output 10 hineinra- and if necessary by deflecting the flexible or. close elastic membrane 13.
  • FIG. 4 shows a possible construction of a micropump with such valves.
  • As close as possible to input and output 10, 12 of the pump chamber 11 are realized by a corresponding layout change of the PDMS part of the channel structure support 9 in the flow cross-section located actuator chambers, which are limited by ramparts 15.
  • a temperature-sensitive hydrogel, z. B. Particles based on PNIPAAm are introduced. Their source and thus the valve state is controlled by means of meandering heating elements 7.
  • the valves can also be used as passive directional valves, such.
  • FIGS. 5 and 6 A low energy design for LCST hydrogels is shown in FIGS. 5 and 6.
  • the actuator 1 is here directly in the flow-through cross-section or. in the
  • the actuator 1 for example PNIPAAm, swells and deflects the flexible or elastic membrane 13 (FIG. 5).
  • the heating elements 7, which are located on the channel structure carrier 16, are heated on the output side starting in sequence.
  • the hydrogel portion Ib in the actuator 1 and depletes releases the process medium.
  • the flexible or elastic membrane 13 is now produced as a result of its elastic restoring forces a "stripping" of the medium (see Figure 5a), which flows to the output 10 out because the input 12 is closed by the swollen Hydrogelab Songs Ia of the actuator 1 ( Figure 5b).
  • the pump outlet 10 must first be closed by switching off the output-side heating element 7. Then the other heating elements 7 are deactivated from the output 10 to the input 12 (FIG. 5d). After falling below the phase transition temperature, the hydrogel sections Ia swell under process media intake and stretch the flexible or elastic membrane 13 as a result of the deflection again ( Figure 5).
  • valves in FIG. 6 can function on the same principle as those in FIG.
  • the presented hydrogel-based pumps have three major advantages over other micropumping principles. First, they are on-chip capable and can be integrated into almost any microfluidic layout. This allows them to very close to the place of media consumption, such as a reactor / are placed ', which reduces the dead volume of the device. Secondly, by varying the design parameters, the delivery rate and delivery volume can be optimally adapted to the process.
  • the pumps can be operated without valves and with the use of active valves in any direction. It is even possible that the pumps have more than one input and output by the unneeded inputs and outputs z. B. be closed by active valves.
  • the control of the degree of swelling of the hydrogel actuators has been described by heating with resistive heating resistors, the power dissipated across the resistor being the heating power.
  • heating of the hydrogel actuators is also possible by high-energy radiation, in particular light, in that it is converted into heat by absorption in or on the hydrogel.
  • light sources are z. B. especially those with a spectrum in the infrared range and lasers.
  • temperature-sensitive hydrogels are currently the smart hydrogels that have the most suitable controllable actuator properties. They can be influenced quickly, reversibly and reproducibly in their swelling behavior.
  • hydrogels above ambient sizes can also be used for other physical quantities that can be generated simply by electronic or electrical means and trigger volume phase transitions in swellable polymer networks.
  • Very simple electrically 'producible control variables are electric and magnetic field sizes, light and temperature. Electric and magnetic field quantities as well as light are time relatively difficult to control the degree of swelling of smart hydrogels, since the hydrogel effects are partially reversible and slow.
  • the temporal behavior of the pumps is determined by material properties, design parameters and operating parameters.
  • the hydrogel-specific time behavior depends, inter alia, on the type of hydrogel, on the proportion of the groups which cause the volume phase transition behavior within the hydrogel and, to a lesser extent, on the crosslinking properties of the hydrogel used.
  • Another significant design feature is the heat capacity of the arrangement to be heated. The larger this or the volume to be heated, the lower the pump dynamics. In the case of the pump principle with swelling agent reservoir, in particular the flow resistance of the swelling medium-permeable actuator chamber wall 4 can influence the temporal actuator behavior.
  • the most important temporally effective operating parameter is the Heating power of the heating elements.
  • temperature sensors can be integrated into the pump layout.
  • the maximum delivery volume per full stroke of the hydrogel actuator is in each case identical to the actuator stroke. In the pump principle according to FIGS. 1, 3 and 4, this corresponds approximately to the size of the pump chamber 11.
  • an actuator stroke is the difference between fully deflected flexible or elastic diaphragm 13 as a result of complete actuator swelling and relaxed flexible or elastic membrane 13 with complete actuator swelling.
  • the size of the possible partial strokes is determined by the size of the individual heating elements 7 and. the resulting subdivision of the actuator 1 determined in Aktorsegmente. By regulating the heating temperature, however, states of the actuators 1 between completely swollen and swollen can be realized.
  • the applications of the pumps according to the invention are very diverse. They can be used in integrated and non-integrated fluidic circuits.
  • the applications of micropumps can be divided into four categories: fluid regulation systems, gas and liquid measuring devices, medical devices, and other devices.
  • biotechnology e.g. B. in the DNA and protein analysis as well as the drug handling.
  • lab-on-chip assemblies, analyzers, biological, biochemical and chemical reactor assemblies, delivery systems, mixers and separators of biotechnology, medical engineering, process engineering, and pharmaceuticals appear to be particularly suitable applications of the inventive pumps.
  • a special field of application are Extracorporeal and implantable drug pumps that can be used for insulin delivery, for example.
  • Other applications are u. a. in N. -T.
  • Actuator chamber wall of the valve 16 Structural support for the electrical control and, at the same time, channel structure support

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Abstract

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

Description

Elektronisch steuerbare Mikropumpe auf Hydrogelbasis
Technisches Gebiet
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 kaska- dierte Schnittstelle elektrisch bzw. elektronisch steuerbar sind .
Stand der Technik
Elektronisch steuerbare Mikropumpen auf Basis piezoelektri- scher Aktoren sind kommerziell erhältlich . Eine Reihe von
Patenten offenbaren derartige Einrichtungen . Stellvertretend seien US 5 , 224 , 843 und US 2003/0143122 Al 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 j eweils unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder aus einer Formgedächtnislegierung besteht . Auch bei diesen Einrichtungen wird ein Volumenstrom durch Auslenkung der Membran erreicht .
In DE 19637928 Al 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 Bl vorgestellt . Durch wiederholtes Ausbilden und U
Kollabieren einer Gasblase kommt es infolge der Flüssigkeits- verdrängung zu einer Medienförderung.
Einen interessanten Antriebsmechanismus von Fördereinrichtun- 5 gen bieten osmotische Pumpen. Bei ihnen verrichtet ein quellfähiges Material die zur Medienfδrderung notwendige Verdrängungsarbeit (F . Theeuwes , Elementary osmotic pump, J. Pharm. Sei . 64 (1975) , 1987-1991) . Dieses Prinzip wird mittlerweile vielfach in Medikamentiersystemen
10 genutzt . So beschreiben z . B . DE 103 00 896 Al, US 2004/0149780 Al , DE 38 21 424 Al 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
15 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 20 D . J . Laser, J . G . Santiago, A review of micropumps , J. Micro- mech . Microeng . 14 (2004) , R35-R64.
Hydrogele sind Polymernetzwerke, die bei Einwirkung des Quellmittels Wasser ihr Volumen ändern. Eine besondere Klasse
25 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
30 sein .
Die integrierten Aktor-Sensor-Eigenschaften smarter Hydrogele werden z . B . in DE 198 12 436 Al zur Realisierung selbsttätig regelnder Ventile genutzt . Für derartige Ventile wurden in 35 'K.'-F . Arndt , "D . KuckIing, " A. Richter/ Application of sensitive hydrogels in flow control , Polym. Adv. Technol . 11 (2000) , 496 - 505 automatische Ventilfunktionen gegenüber dem pH- ril
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 Miniaturisierbar- 5 keit von automatischen HydrogelVentilen demonstriert .
Unter Nutzung der sensorischen Eigenschaften smarter Hydroge- Ie lassen sich z . B . nach DE 198 28 093 und DE 198 48 878 Al Flüssigkeitssensoren entwickeln .
10
DE 198 12 436 Al offenbart weiterhin eine automatische Fördereinrichtung, wobei das smarte Hydrogel in Abhängigkeit bestimmter Umgebungsgrößen eine Förderrate realisiert . Eine miniaturisierte automatische Fördereinrichtung ist in D . T .
15 Eddington, D . J . Beebe , A valved responsive hydrogel micro- dispensing device with integrated pressure source , J. Microe- lectromech. Syst . 13 (2004) 4 , 586 -593 beschrieben . Nachteilig an den automatischen Fördereinrichtungen ist ihre Gebundenheit an bestimmte Prozessgrößen, die als Regelparame-
20 ter dienen . Dadurch sind sie nicht universell , sondern nur in speziellen Fällen einsetzbar .
Funktionselemente auf Basis smarter Hydrogele können nach DE 101 57 317 Al auch elektrisch angesteuert werden. Die dort vorgestellten Mikroventile verfügen über eine elektrisch- 25 thermische Schnittstelle , mit denen der Quellungsgrad temperatursensitiver Hydrogele und damit eine Ventilfunktion gesteuert werden kann.
Auf vergleichbare Weise wird in EP 1442887 Al ein smartes ,
30 stimulussensitives Hydrogel zum Zwecke des Tröpfchen-
Ausstoßens insbesondere für den Einsatz in Ink-Jet- Druckkδpfen angesteuert . Der Hydrogelaktor stößt die Druckerflüssigkeit durch eine Düse aus .
35 " Darstellung der Erfindung' Aufgabe der Erfindung ist es, elektronisch steuerbare Mikro- purapen zu entwickeln, welche on-chip-fähig und damit einfach in komplexe Systeme integrierbar, simpel aufgebaut , hinsichtlich ihrer Förderrate steuerbar sind und geringe Leistungs- 5. aufnahmen besitzen .
Erfindungsgemäß wird dies gemäß Anspruch 1 erreicht , indem ein oder mehrere Aktoren auf Basis von quellfähigen Polymernetzwerken mit Volumenphasenübergangsverhalten, den smarten 0 Hydrogelen, durch elektrische bzw. elektronisch kompatible Schnittstellenelemente , die kaskadisch angeordnet sein können, als Fördereinrichtung eingesetzt werden . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 16 angegeben.
5 Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden . In den zugehörigen Zeichnungen zeigen :
0 Fig . 1 den prinzipiellen Aufbau einer elektronisch steuerbaren Mikropumpe auf Basis temperatursensitiver smarter Hydro- gele in Explosionsansicht ,
Figur Ia die Konfiguration nach Figur 1 in Schnittdarstel- 5 lung,
Fig . 2 das Volumenphasenübergangsverhalten temperatursensitiver smarter Hydrogele in Abhängigkeit von der Temperatur,
0 Figur 3 die prinzipielle Funktionsweise einer elektronisch steuerbaren Mikropumpe auf Basis temperatursensitiver smarter Hydrogele,
Fig . 3a die Konfiguration der Pumpe in der Startphase der 5 Medienfδrderung aus" der Pumpenkammer, Fig . 3b die Konfiguration der Pumpe in der Endphase der Medienförderung aus der Pumpenkammer,
Fig . 3c die Konfiguration der Pumpe in der Startphase der Medienbeladung der Pumpenkammer,
Fig . 3d die Konfiguration der Pumpe in der Endphase der Medienbeladung der Pumpenkammer,
Fig . 4 die Konfiguration einer Pumpe mit hydrogelbasierten Ventilen am Ein- und Ausgang der Pumpenkammer .
Anhand von Figur 1 sollen zunächst der prinzipielle Aufbau und ein mögliches Fertigungsverfahren der erfindungsgemäßen Mikropumpen vorgestellt werden.
Eine in Figur 1 dargestellte Pumpe besteht aus drei Funktionsebenen 9 , 2 und 2. Ein Kanalstrukturträger 9 enthält einen Förderkreis mit einer Pumpenkammer 11 sowie ihren Eingang 12 und Ausgang 10. Ein Aktorstrukturträger 2 ist vom Förderkreis durch eine flexible bzw. elastische Membran 13 getrennt . Er umfasst eine Aktorkammer 5 mit einem Hydrogelaktor 1 und Quellmittelreservoire 3 , welche von der Aktorkammer 5 mit quellmitteldurchlässigen Aktorkammern 4 getrennt sein können. Abgedeckt wird die Funktionsebene des Aktorstrukturträgers 2 durch einen Strukturträger der elektrischen Ansteuerung 6 , der wiederum Strukturen von Heizelementen 7 und entsprechende elektrische Leiterzüge 8 umschließt .
Der Strukturträger für die elektrische Ansteuerung 6 besteht aus Weichglas D263 (550 μm Dicke, Berliner Glas AG) . Die
Heizelemente 7 (lOOnm Dicke , Widerstand ca . 50 Ω, Haftvermittlerschicht lOnm Titan) und die Leiterzüge 8 wurden mit einer Platin-Dünnschicht-Lift-Off-Technologie (Malz & Schmidt MSBA-400SP) erzeugt und anschließend mit Siliziumdioxid pas- siviert "(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 bzw . elastischen Membran 13 sowie der Kanalstrukturträger 9 wurden aus Polydimethylsiloxan (PDMS) (Sylgard 184 , 5 Dow Chemicals) gefertigt . Zur Strukturierung des Aktorstrukturträgers 2 und des KanalStrukturträgers 9 kam eine Masterabformtechnologie zum Einsatz . Dazu wurden Negativstrukturen der erforderlichen Geometrien photolithographisch in 4 VV - Siliziumwafern erzeugt (n-Si , <100> orientiert , 525μm dick, 0 einseitig poliert , nasschemisch geätzt in KOH) und diese anschließend mit ca . lOnm 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 . 5 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 0 Ansteuerstrukturträger 6 und beim Kanalstrukturträger 9 eine einfache Weichglas-Platte ist , dann wird das Abformmaster aufgesetzt und die ganze Anordnung ca . eine Stunde bei 100 0C temperiert . Nach Entfernung der Master liegen die PDMS- Positivstrukturen vor . Die flexible bzw . elastische Membran 5 13 aus PDMS 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 bzw. elastische Membran 13 0 auch direkt bei der Herstellung des Aktorstrukturträger 2 mit erzeugt werden . Der Kanalstrukturträger 9 und der Aktorstrukturträger 2 können nach j eweiligem Aktivieren der PDMS- Strukturoberflachen durch eine Sauerstoff-Plasmabehandlung oder ähnliches unter Druckeinwirkung gefügt werden . "5~
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 bzw. elastische Membran 13 vollständig in die Pumpenkammer 11 auslenkt . Nach Fixierung der Anordnung wird das Hydrogel unter Nutzung von Belichtungsmasken in der Aktorkammer 5 polymerisiert . Als Resultat liegt die gequollene Positivstruktur des Hydrogelaktors 1 vor . Unvernetzte Polymerbestandteile werden anschließend in einem Waschgang mit einer Wasser-Alkohol-Mixtur entfernt . Alternativ kann zum Auslenken der flexiblen bzw. elastische Membran 13 auch ein Unterdruck in der Pumpenkammer 11 erzeugt werden .
Statt Photostrukturierung ist auch eine Gießtechnik nutzbar, indem die Verbindungen der Aktorkammer 5 zu den Quellmittel- reservoirs 3 vorübergehend mit Wachs oder ähnlichen Materialien geschlossen werden. Nach Einfüllen der Prepolymerlösung in die Aktorkammer 5 läuft in diesem Fall dessen Polymerisa- tion 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 Hydro- gelmaterial schwierig .
Anhand der Figuren Ia, 2 und 3 werden prinzipielle Verhal- tensweisen temperatursensitiver smarter Hydrogele , typische Vertreter, mögliche Synthese- und Strukturierungsverfahren sowie die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Mikropumpen erklärt .
Temperatursehsitive smarte "Hydrogele können zwei Verhaltensweisen beim Volumenphasenübergang aufweisen, die für einige Hydrogelbeispiele in Figur 2 dargestellt sind . Die meisten temperatursensitiven smarten Hydrogele besitzen eine Lower Critical Solution Temperature (LCST) - Charakteristik, d . h. , sie sind bei niedrigen Temperaturen gequollen und entquellen bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur . Für das bekannteste Hydrogel mit LCST-Charakteristik, das Homopolymer PoIy (iV-Isopropylacrylamid) (PNIPAAm) , beträgt die Phasenübergangstemperatur 32 , 8 0C . Die Lage der Phasenübergangs- bzw. Schalttemperatur von NIPAAm-basierten Hydrogelen kann aber durch Copolymerisation und Variation der Syntheseparameter in einem Bereich von +5 0C und etwa 60 0C eingestellt werden.
Mögliche Synthese- und Strukturierungsverfahren von PNIPAAm- basierten Hydrogelen sind z . B . in A. Richter et al . , Electro- nically 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 Figur 2 gezeigte PoIy (Methylvinylether) (PVME) . Die Lage der Phasenübergangs- temperatur dieses Hydrogels liegt bei etwa 37 0C . PVME wird mit hoch-energetischer Strahlung (Elektronenbestrahlung, Gamma-Bestrahlung) vernetzt (K. -F . Arndt , T . Schmidt , H . Menge, PoIy (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 Microstruc- ture, 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-GeIe sind " allerdings sehr" selten ." Figur 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 Phasenübergangs- temperatur bei 31 , 50C .
Hinsichtlich des Energieverbrauchs eignen sich für die erfindungsgemäßen Mikropumpen nach Figur 1 , 3 und 4 besonders Aktoren auf Basis von Hydrogelen mit UCST-Charakteristik, da diese nur zum Quellen beheizt werden müssen . Aktoren auf Basis von Hydrogelen mit LCST-charakteristik 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 (Figur Ia) . Zum Aktivieren der Pumpe ist die gewünschte Anzahl von Heizelementen 7 zu aktivieren, so dass der Aktor 1 an den entsprechenden Abschnitten über die Phasenübergangstemperatur von ca . 31 , 5 0C beheizt wird . Dadurch quillt der Aktor 1 an den beheizten Abschnitten unter Quellmittelaufnahme aus den Quellmittelreservoirs 3. Wie in Figur 3a schematisch dargestellt ist , lenkt der gequollene Hydroge- labschnitt Ia die flexible bzw. elastische 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 12 verschlossen .
Werden weitere Aktorsegmente durch Beheizen mit den Heizelementen 7 aktiviert , findet nun eine gerichtete Entleerung der Pumpenkammer 11 über den Ausgang 10 statt (Figur 3b) . Zum Auffüllen der Pumpenkammer 11 mit neuer Flüssigkeit sind die Heizelement 7 der Reihe nach und von der Eingangsseite beginnend abzuschalten (Figur 3c) . Nach Unterschreiten der Phasenübergangstemperatur entquellen die Aktorabschnitte Ib unter Quellmittelabgabe in die Quellmittelreservoirs 3 und die flexible bzw. elastische Membran 13 kehrt in ihre undefor- mierte Ausgangslage zurück. Infolge des entstehenden Unterdrucks füllt sich die Pumpenkammer 11 über den Eingang 12 mit Flüssigkeit (Figur 3d) .
Wird ein Aktor mit LCST-Charakteristik verwendet , z . B . auf Basis von PNIPAAm, so entspricht die Konfiguration nach Figur Ia einem vollständig beheizten Aktor 1. Zum Fördern eines Mediums aus der Pumpenkammer 11 ist zunächst das eingangssei- tig liegende Heizelement 7 abzuschalten, so dass der PNIPAAm- Aktor 1 nach Unterschreiten der Phasenübergangstemperatur quillt und den Eingang verschließt (Figur 3a) . Durch das Abschalten weiterer Segmente quellen weitere Aktorsegmente, so dass der Pumpenkammerinhalt durch den Ausgang 10 , ausgeschüttet wird (Figur 3b) . Der Beladevorgang der Pumpe nach Figur 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 Figur 1 und 3 besitzen den Nachteil , dass die j eweils äußeren Aktorsegmente des Aktors 1 eine Ventilfunktion erfüllen und deshalb kaum pumpend tätig sind. Deshalb ist es empfehlenswert , zusätzlich Ventilelemente vorzusehen / In das Design von Figur 1 können solche Ventile integriert werden, indem die Aktoreinheit um Segmente erweitert wird, welche in den Eingang 12 und Ausgang 10 hineinra- gen und diese bei Bedarf durch Auslenken der flexiblen bzw . elastischen Membran 13 verschließen.
Für Ventilfunktionen sind j edoch hydrogelbasierte Ventile , deren Aktor direkt im durchströmbaren Querschnitt platziert ist , besser als membranbasierte Aufbauten geeignet (siehe DE 101 57 317 Al und A. Richter et al . , J. Microelectromech. Syst . 12 (2003 ) 5 , 748 - 753 ) . Figur 4 zeigt einen möglichen Aufbau einer Mikropumpe mit derartigen Ventilen . Möglichst nahe 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 Quel- lungs- und damit der Ventilzustand wird über mäanderartig ausgebildete Heizelemente 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 Figuren 5 und 6 gezeigt . Im Gegensatz zu den bisherigen Aufbauten nach Figur 1 , 3 und 4 wird hier der Aktor 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 bzw. elastische Membran 13 aus (Figur 5) . Zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstromes in Richtung Ausgang 10 werden die Heizelemente 7 , welche sich auf dem Kanalstrukturträger 16 befinden, ausgangsseitig beginnend der Reihe nach beheizt . Dadurch entquillt der Hydrogelabschnitt Ib im Aktor 1 und setzt das Prozessmedium frei . Die flexible bzw. elastische Membran 13 erzeugt nun infolge ihrer elastischen Rückstell- kräfte ein' Austreiben "des Mediums (siehe Figur 5a) , welches zum Ausgang 10 hin fließt , da der Eingang 12 durch den gequollenes Hydrogelabschnitt Ia des Aktors 1 verschlossen ist (Figur 5b) . Zum Beladen der Pumpe muss nach Figur 5c zunächst der Pumpenausgang 10 durch Ausschalten des ausgangsseitigen Heizelementes 7 verschlossen werden. Dann werden die anderen Heizelemente 7 vom Ausgang 10 zum Eingang 12 hin deaktiviert (Figur 5d) . Nach Unterschreiten der Phasenübergangstemperatur quellen die Hydrogel -abschnitte Ia unter Prozessmedienaufnähme und spannen die flexible bzw. elastische Membran 13 infol ge der Auslenkung wieder vor (Figur 5) .
Auch bei diesem Prinzip können die notwendigen Ventilfunktio- nen durch passive Richtungsventile oder, wie in Figur 6 gezeigt , durch aktive Ventile realisiert werden . Die Ventile in Figur 6 können nach dem gleichen Prinzip wie die in Figur 4 funktionieren .
Ein besonderer Vorteil des Funktionsprinzips der Pumpen nach Figur 5 und 6 sind der einfache Pumpenaufbau und die vielfäl tige Gestaltbarkeit der Pumpe infolge der Aktorintegration in den Arbeitskreis . Die flexible bzw. elastische Membran 13 dient hier als antreibendes Funktionselement , der Aktor 1 als
Rückstellelement der flexiblen bzw . elastische Membran 13. 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 bzw . elastischen Membran 13 genutzt werden .
Vorteile der Erfindung
Die vorgestellten Pumpen auf Hydrogelbasis besitzen drei wesentliche Vorteile gegenüber anderen Mikropumpenprinzipien. Erstens sind sie on-chip-fähig und können in nahezu j edes 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 . Zweitens können durch Variation der konstruktiven Parameter Förderrate und Fördervolumen optimal an den Prozess ange- passt werden .
Drittens können die Pumpen ohne Ventile und bei Einsatz aktiver Ventile 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 .
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
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 wer- den. Sehr einfach elektrisch 'erzeugbare Steuergrößen sind elektrische und magnetische Feldgrößen, Licht und Temperatur. Elektrische und magnetische Feldgrößen sowie Licht sind der- zeit 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 Volumenphasenüber- gangsverhalten 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 13 bzw. die elastische Rückstellkraft des antreibenden Elementes . Prinzipiell 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 Figur 1 , 3 und 4 beim Entleeren der Pumpenkammer 11 infolge Membranauslenkung langsamer sein werden als beim Beladen der Pumpenkammer 11. Das in Figur 5 und 6 darge- stellte 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 quellmitteldurchläs- sigen 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 j eweils mit dem Aktorhub identisch. Beim Pumpenprinzip nach Figur 1 , 3 und 4 entspricht dies in etwa der Größe der Pumpenkammer 11. Bei dem in Figur 5 und 6 gezeigten Prinzip ist ein Aktorhub die Differenz zwischen voll ausgelenkter fle- xiblwe bzw. elastischer Membran 13 infolge vollständiger Aktorquellung und relaxierter flexiblen bzw. elastischen Membran 13 bei vollständiger Aktorentquellung . Die Größe der möglichen Teilhübe wird von der Größe der einzelnen Heizele- mente 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 .
Anwendungsgebiete der Erfindung
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 Einrich- tungen. Besonderen Bedarf besitzt die Biotechnologie , z . B . bei der DNA- und Protein-Analyse sowie der Wirkstoffhandha- bung . Insbesondere Lab-on-Chip-Aufbauten, Analysegeräte , biologische , biochemische und chemische Reaktoraufbauten, Abgabesysteme , Mischer und Separatoreinrichtungen der Bio- Technologie, 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 .
Bezugszeichenliste
1 Aktor aus Hydrogel Ia gequollener Aktor Ib entquollener Aktor
2 Aktorstrukturträger
3 Quellmittelreservoir
4 Quellmitteldurchlässige Aktorkammerwand
5 Aktorkämmer 6 Strukturträger der elektrischen Ansteuerung
7 Heizelemente
8 Leiterzug
9 Kanalstrukturträger
10 Ausgang 11 Pumpenkammer
12 Eingang
13 Flexible bzw. elastische Membran
14 Hydrogelaktor des Ventils
15 Aktorkammerwand des Ventils 16 Strukturträger der elektrischen Ansteuerung und zugleich Kanalstrukturträger

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisch steuerbare Mikropumpe auf Hydrogelbasis zum Fördern von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet , dass die Mikropumpe über einen oder mehrere Aktoren (1 , Ia, Ib) auf Basis quellfähiger Polymernetzwerke mit Volumenphasen- übergangsverhalten (smarte Hydrogele) verfügt die Auslenkung bzw. der Volumenquellungsgrad der Aktoren (1 , Ia, Ib) durch eine elektrisch bzw. elektronisch kompatible Schnittstellengröße steuerbar ist die Mikropumpe über ein oder mehrere kaskadisch oder anderweitig räumlich getrennt angeordnete Schnittstellenelemente verfügt - die Mikropumpe eine vom Aktor (1 , Ia, Ib) 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 för- dernden Mediums dient , wobei bl) Aktorkammer (5) und Pumpenkammer (11) identisch sind und der Aktor (1 , Ia, Ib) direkt im durchströmbaren Querschnitt angeordnet ist b2 ) der Aktor (1 , Ia, Ib) die Auslenkung der Membran (13 ) und damit ihre Verdrängungseigenschaft bzw. den Pumpenhub steuert .
2. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellengröße die Temperatur ist .
3. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der thermisch-elektrisch bzw . thermisch-elektronischen Schnittstelle durch resistive Heizelemente (7) oder durch Licht- bzw . Strahlungseinwirkung * erzeugt wird .
4. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 2 , dadurch gekenn zeichnet , dass zur Regelung der Steuergröße Temperatur für den Aktor (1 , Ia, Ib) ein Temperatursensor in unmittelbarer Nähe des Aktors (1 , Ia, Ib) integriert ist .
5. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellengröße Licht ist .
6. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass die Schnittstellengröße eine elektrische und/oder magnetische Feldgröße ist .
7. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (1 , Ia, Ib) aus einem temperatursen- sitiven Hydrogel mit Lower Critical Solution Temperature -
Charakteristik hergestellt ist , insbesondere auf Basis von N- Isopropylacrylamid oder PoIy (Vinylmethylether) .
8. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Aktor (1 , Ia, Ib) aus einem temperatursensitiven Hydrogel mit Upper Critical Solution Temperature - Charakteristik hergestellt ist , insbesondere auf Basis von Hydroxyethyl Methacrylat und Acetoacetoxyethyl Methacrylat .
9. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeentkopplung der Heizelemente (7) untereinander der Ansteuerstrukturträger (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 Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die flexible bzw. elastische Membran (13 ) aus elastischen Materialien wie Polydimethylsiloxan (PDMS) und / oder Polyurethan (PUR) besteht .
11. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass der Aktorkreislauf , bestehend aus einer Aktorkammer (5) , dem Aktor (1 , Ia, Ib) , einem Quellmittel für den Aktor (1) und einer oder mehreren quellmitteldurchlässigen Aktorkammerwänden (4) , vom Prozesskreislauf , bestehend aus Eingang (12 ) , Pumpenkammer (11) und Ausgang (13 ) , vollständig durch die flexible bzw. elastische Membran (13 ) getrennt ist .
12. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkreislauf über eine Verbindung zum Prozesskreislauf verfügt , so dass der Aktor (1 , Ia, Ib) das Prozessmedium als Quellmittel nutzen kann .
13. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass in der Nähe des Eingangs (12) und / oder in der Nähe des Ausgangs (10) passive eindirektionale Richtungs- ventile , z . B . Klappenventile oder Kugelventile , zum Zwecke des Erzeugens eines eindirektionalen Flusses angeordnet sind .
14. Steuerbare Mikropumpe 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 ( 14 , 15) angeordnet sind, die einen Fluss in j ede gewünschte Richtung in die bzw. aus der Pumpenkammer (11) ermöglichen .
15. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Pumpenkammer (11) über mehrere Eingänge (12 ) und / oder mehrere Ausgänge (10 ) verfügt .
16. Steuerbare Mikropumpe nach Anspruch 15 , dadurch gekenn- zeichnet, dass" die Eingänge (12) und /oder Ausgänge (10) über passive und / oder aktive Ventile verfügen .
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