gesponsertDurchflussregelung, Dosieren und Lab-on-a-chip Flexible Miniaturpumpe für verschiedenste Applikationen

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LEE Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH

Fluid-Control-Komponenten in medizinischen Geräten sollten leise, kompakt und leicht sein. All diese Eigenschaften vereint die Disc Pump von Lee. Doch zusätzlich ist sie durch ihre präzise Regulierbarkeit und kurze Reaktionszeit multifunktional einsetzbar. Im Folgenden wird beleuchtet, welche Anwendungen besonders von der Disc Pump profitieren.

Die Disc Pump von Lee kommt in der Medizintechnik vor allem in tragbaren Therapiegeräten zum Einsatz. Überall dort, wo es auf maximalen Patientenkomfort und/oder hoch performante Fluid-Control ankommt, sind die Miniaturpumpen die richtige Wahl. Da die piezoelektrische Pumpe im Ultraschallbetrieb arbeitet, ist sie vibrationsfrei und für den Menschen unhörbar. Dadurch lassen sich Geräte realisieren, die während des Schlafs oder dauerhaft direkt am Körper getragen werden können, ohne den Patienten in seinem Alltag übermäßig zu beeinträchtigen. Hierzu tragen auch die extrem kompakten Maße von 10 mm Aufbauhöhe und 30 mm Durchmesser sowie das minimale Gewicht von nur 5 g bei. Das piezoelektrische Funktionsprinzip ermöglicht eine Durchflusskontrolle mit einer Präzision von <0,1 %. Die Miniaturpumpen sind in Varianten mit Betriebsdrücken von 270 bis 600 mbar und Durchflussraten von 0,1 bis 2 l/min verfügbar.

Der kompakte Formfaktor, die hohe Regelungspräzision und die schnelle Reaktionsgeschwindigkeit machen die Pumpe zu einer hervorragenden Wahl für eine Vielzahl von Fluid-Control-Systemen. Diese Flexibilität unterstreichen im Folgenden verschiedene Konfigurationen, die mit dem Disc Pump Demonstrationskit realisiert wurden. Kadir Polat, technischer Vertriebsingenieur bei der Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH, erklärt den Aufbau: „Das Besondere an diesen Evaluierungskonfigurationen ist, dass sie mit regulären Standardkomponenten auf einfachste Weise realisiert wurden. Verschiedene Applikationen können mit unserem Demokit sehr einfach getestet und auf ihre Anwendungstauglichkeit überprüft werden.“

Durchflussregelung

Eine hochpräzise Steuerung des Fluid-Stroms ist in vielen medizintechnischen Prozessen von entscheidender Bedeutung, z. B. dort, wo sie einen erheblichen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit, die Detektionsrate von Stoffen oder hydrodynamische Prozesse (z. B. Tröpfchenbildung) hat.

Für bestimmte Anwendungen ist es auch von Vorteil, eine kontrollierte oszillierende Strömung zu erzeugen. Organ-on-a-Chip-Systeme z. B. versuchen oft, physiologische Prozesse nachzuahmen, wie z. B. den pulsierenden Blutfluss oder die zyklische Belastung, der das Lungengewebe während des Atemzyklus ausgesetzt ist.

Das Disc Pump Demonstrationskit kann direkt an einen Flüssigkeitsdurchflusssensor angeschlossen werden, um eine Regelung der Durchflussrate von µL/min bis ml/min zu ermöglichen, wie in Schema A dargestellt. Solche Systeme werden außerdem in der Kompressionstherapie, Blutdruckmessgeräten oder Patientensimulatoren und Patientenüberwachungssysteme eingesetzt.

Dosiersysteme

Die Disc Pump kann mit einem abgedichteten Reservoir und einem Drucksensor betrieben werden, um ein kompaktes und wirtschaftliches Pipettiersystem für Aspirations-/Dispensations- und Dosierungsanwendungen zu realisieren. Die Ansaug- und Abgabegeschwindigkeit kann durch Variation der Pumpenantriebsleistung eingestellt werden. Dies ermöglicht eine hochgenaue Dosierung. Bei der Auslegung von Pippetiersystemen sind jedoch einige Faktoren zu berücksichtigen, wie sich bei Versuchen in den Lee Entwicklungs- und Testlabors gezeigt hat.

• Umgebungstemperatur: Die Umgebungstemperatur hat nur einen sehr geringen Einfluss auf die Pipettierleistung – vorausgesetzt, die Temperatur der Luft in der Pipettenspitze ist ähnlich hoch wie die Temperatur der Luft im Regelkreis.

• Wärme: Die durch den Betrieb entstehende Wärme muss reguliert werden, um ein gleichmäßiges Pipettieren zu gewährleisten, insbesondere wenn die Flüssigkeit über einen längeren Zeitraum in der Pipettenspitze gehalten werden muss.

• Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Spitze: Bei der Wiederverwendung von Pipettenspitzen kann es zu großen Schwankungen bei der angesaugten/abgegebenen Flüssigkeitsmenge kommen.

• Zusätzliche Komponenten: Systeme auf Basis der Disc Pump können unkompliziert um zusätzliche Ventile erweitert werden, um die Leistung nochmals zu verbessern – beispielsweise Temperatursensoren für die Kompensation der Wärmedifferenzen.

Neben typischen Pipettiersystemen kann diese Systemauslegung auch zur Realisierung von zeitgesteuerten Präzisions-Dosiersystemen eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der medizinischen Analysetechnik zu finden sind. Überall dort, wo Tropfen in einer bestimmten Dosis und einem bestimmten Rhythmus erzeugt werden müssen, spielt diese Systemkonfiguration ihre Stärken aus.

Positionssteuerung von Fluiden

Die präzise und wiederholbare Steuerung der Position einer sich durch ein System bewegenden Flüssigkeit ist in vielen medizintechnischen Fluidiksystemen ein Muss. Diese dritte Konfiguration erlaubt die Steuerung der Position eines Flüssigkeitstropfens mit maximaler Präzision und minimaler Reaktionszeit. Um zu bestimmen, wann die Flüssigkeit bewegt werden muss, können beispielsweise Bildverarbeitungssysteme eingesetzt werden. Ein einfacher Stromumkehrkreis erlaubt es, dass eine einzelne Disc Pump die Flüssigkeit zwischen verschiedenen Punkten in beide Fließrichtungen bewegt.

Die hochgenaue Regelung der Pumpe erlaubt es zudem, an Zwischenpositionen einen langsameren Anlauf zu realisieren, um ein Überschwingen über den gewünschten Zielpunkt hinaus zu vermeiden. Diese Positioniersysteme werden in mikrofluidischen Lab-on-a-Chip-Systemen eingesetzt.

Alle drei Demonstrationen wurden mit dem Disc Pump Demonstrationskit und einer kleinen Anzahl von handelsüblichen Komponenten zusammengestellt. Diese Kits zeichnen sich durch ihren „Plug-and-Play“ Charakter aus. Mit einer benutzerfreundlichen GUI und Software, integrierten Drucksensoren und Ventiltreibern bietet das Kit eine innovative Fluidiksteuerung und ermöglicht die zeiteffiziente Erstellung von Test-Konfigurationen, von Mikrofluidik- und Liquid-Handling-Systemen bis hin zu medizinischen Geräten und industriellen Instrumenten. An das Steuermodul des Evaluierungskits lassen sich bis zu fünf Disc Pumps sowie zusätzliche Magnetventile anschließen. Für einen noch schnelleren Einstieg in die Welt der Micro-Fluid-Control mit den Lee Disc Pumps hat das Unternehmen eine kostenlose Videotutorial-Serie produziert.

Kadir Polat, technischer Vertriebsingenieur bei Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH, fasst zusammen: „Die Disc Pump ermöglicht die Erzeugung und Steuerung eines Luftdrucks mit noch nie dagewesener Präzision. Der Ultraschallbetrieb mit 21 kHz ermöglicht bis zu 400-mal schnellere Reaktionszeiten als bei herkömmlichen Pumpensystemen. Wie alle Lee Komponenten werden auch die Disc Pumps für maximale Zuverlässigkeit zu 100 % funktionsgeprüft. Mit dem Demokit stellen wir Geräteherstellern einen niedrigschwelligen Eintritt in erste Prototyp- und Testprojekte zur Verfügung.“

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