Bitsch, Lennart

Formålet med denne afhandling har været at evaluere mulighederne for at anvende mikrofluide systemer til medicinsk behandling. Vi har især fokuseret på sikkerhed i reciprokerende pumper, med henblik på en kontinuer insulin behandling, og har identificeret mikroventiler som værende kritiske komponenter. Vi har undersøgt en teknologi til fremstilling af mikrofluide komponenter, der lover gode pakningsegenskaber. En pakning med gode tæthedsegenskaber er et middel til at opnå et højt sikkerhedsniveau i forbindelse med medicinsk behandling, og vi har brugt teknologien til fabrikation af en dreje-mikroventil. Sammenlignet med systemer der benytter passive ventiler opnår vi et markant højere sikkerhedsniveau med en drejeventil. Teknologien bygger på konstruktion med bløde inkompressible gummimaterialer, og hårde overflader. Grundlæggende studier af dynamisk friktion mellem gummi og en hård overflade viser at friktionskraften skalerer med kontaktarealet og stiger lineært med kontaktkraften. Derfor kan man opnå en energibesparelse ved at gøre systemet mindre. Ved lignende grundlæggende studier med væskeflow har vi vist at pakningsegenskaberne afhænger af kontakttrykket, og hvor godt gummiets inkompressibilitet er udnyttet i den aktuelle geometri. I tillæg til de basale studier, har vi vha. ventiltests vist hvordan energiforbrug og pakningsegenskaber afhænger af kontaktareal og kontaktkraft. Dette er illustreret ved konstruktion og test af en stor og en lille drejeventil. På det grundlag er det muligt at fremstille dreje-mikroventiler med gode pakninsgsegenskaber. De overvejende fordele ved nedskalering af mekaniske systemer er mere kompakte, lavenergi-apparater. Vi har vist muligheden for at lave dreje-mikroventiler med lavt energiforbrug og gode pakningsegenskaber ved konstruktion og test af en demonstrator med en stiftdiameter på 250 mm. Akturingsenergien for at åbne og lukke er 15 mJ, og ventilen modstår tryk på over 0,7 MPa. Vi har ligeledes benyttet den studerede teknologi til at fremsætte et forslag til design og konstruktion af en pumpe I et uberørt felt for mikroventiler, nemlig, reciprokerende stempelpumper. Pumpen benytter dreje-mikroventiler til at ensrette flowet, og en fremstilling af mikroskala pumper med denne teknologi virker plausibel. Yderligere optimering og forståelse af friktionsprocesserne kunne derfor muliggøre en pumpe der er attraktiv til medicinsk behandling.The goal of this thesis has been to evaluate microfluidic systems for applications in drug delivery. In particular, we have focused on safety in reciprocating pumps, for continuous insulin delivery, and identified the microvalves, as being critical components.We have investigated a technology for engineering of microfluidic components which promises good sealing properties. A good sealing property is a mean to ensure a high safety level for applications in drug delivery, and we have used the technology to fabricate a turning microvalve, which provides a significantly higher safety level compared to delivery systems using prestressed check valves.The technology is based on construction with soft incompressible rubber materials and hard surfaces. By basic studies on sliding friction between rubber and a hard substrate we show that friction force scales with contact area, and depends linearly on the contact pressure. Therefore, energy savings are obtained by down-scaling. Similar basic flow studies show that sealing properties depend on contact pressure, and how well the rubber-incompressibility is utilized in the actual geometry. In addition to the basic studies, scaling properties and dependency on contact pressure for turning valves are illustrated by construction and test of a large and a small turning valve. Therefore, low-energy, turning microvalves with high-pressure seals are feasible.The major benefits of down-scaling mechanical systems are the more compact and less energy consuming devices. We show the feasibility of a low-energy, turning microvalve with a high pressure seal by construction and test of a demonstrator with a rod diameter of 250 µm, the actuation energy of opening and closing is 0.15 mJ, and it withstand a pressure above 0.7 MPa.We have also used the studied technology to suggest the design and construction of a pump in an unexplored branch of micropumps, namely, the reciprocating piston pump. The pump utilizes turning microvalves to rectify the fluid flow, and it appears feasible to construct true micro-scale demonstrators of this pump. Further optimization and understanding of the friction processes could therefore provide a pump which is attractive for drug delivery

Online Research Database In Technology

Critical Components in Microfluidic Systems for Drug Delivery

http://orbit.dtu.dk/ws/files/5074275/PhDthesisLBI.pdf

Critical Components in Microfluidic Systems for Drug Delivery

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology