Быстрый электрохимический микронасос для портативного модуля доставки лекарств

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-79-10038

НазваниеБыстрый электрохимический микронасос для портативного модуля доставки лекарств

Руководитель Уваров Илья Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-704 - Микро- и наноэлектромеханические устройства

Ключевые слова Микронасос, микроактюатор, микрофлюидика, доставка лекарств, микротехнологии, электролиз воды, нанопузыри, реакции горения, микровзрывы

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современной мировой тенденцией в области здравоохранения является переход к персонализированной медицине и, в частности, к использованию индивидуальных портативных модулей направленной доставки лекарств. Модуль представляет собой микрофлюидный чип в корпусе из биологически совместимых материалов, который крепится к телу с помощью клейкой ленты или имплантируется в организм хирургическим путем. По сравнению с традиционными методами доставки лекарств, использование таких устройств может существенно повысить эффективность лечения и при этом обеспечить комфорт для пациента. Разработкой модулей занимаются множество научно-исследовательских групп по всему миру, однако эти устройства пока не получили широкого распространения. Причина заключается в том, что требуемые рабочие характеристики модуля до сих пор не достигнуты. Современные изделия зачастую имеют достаточно большие размеры (более одного кубического сантиметра), что снижает удобство использования и затрудняет имплантацию. В то же время, уменьшение размеров до нескольких кубических миллиметров ухудшает производительность и сокращает набор функций, которые может выполнять модуль. Рабочие характеристики модуля во многом определяются насосом, на основе которого он построен. В мобильных устройствах доставки лекарств применяются микронасосы различных типов и конструкций. Однако простое, компактное и энергоэффективное устройство для перекачки жидкости, способное при необходимости регулировать дозировку лекарства, на данный момент не создано. Совершенствование насосов известных типов практически достигло своего предела, дальнейшее уменьшение размеров и улучшение производительности требует применения принципиально иных подходов. Проект направлен на создание микронасоса, работающего на новом физическом принципе - спонтанном горении смеси водорода и кислорода в нанопузырьках, производимых методом электролиза воды в особом режиме. При участии руководителя проекта был изготовлен и протестирован быстрый мембранный микроактюатор (диаметр 500 мкм, высота 8 мкм), работающий на этом принципе. Газы производились в рабочей камере путем подачи на электроды микросекундных импульсов напряжения с чередующейся полярностью, а реакция горения приводила к быстрому исчезновению газа. Прототип актюатора работал на несколько порядков быстрее, чем традиционные электрохимические устройства. При определенных условиях в камере происходило слияние нанопузырьков в микропузырек с его последующим взрывом. Ход мембраны при этом возрастал более чем в десять раз. Насос, построенный на основе такого актюатора, будет качать жидкость с высоким расходом и высокой точностью, и при этом иметь существенно меньшие размеры, чем современные изделия. Научная новизна. Мы планируем создать микронасос на физическом принципе, ранее не применявшемся в микрофлюидике. Феномен горения водорода и кислорода в нано- и микропузырьках, создаваемых методом коротковременного электролиза воды переменной полярности, был обнаружен относительно недавно. Использование его в качестве принципа работы микронасоса было предложено нами ранее, но пока эта идея не была реализована. Актуальность. Развитие отрасли портативных устройств доставки лекарств во многом ограничивается отсутствием миниатюрных и эффективных насосов, легко интегрируемых с другими микрофлюидными и микроэлектронными компонентами и способных регулировать подачу жидкости. Создание насоса на новом физическом принципе сделает модули более компактными и функциональными, повысит их доступность для массового потребителя и существенно расширит область их применения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шлепаков П.С., Уваров И.В., Наумов В.В., Мазалецкий Л.А., Световой В.Б. Degradation of titanium electrodes in the alternating polarity electrolysis International Journal of Electrochemical Science (год публикации - 2019)
10.20964/2019.06.62

2. Шлепаков П.С., Уваров И.В., Наумов В.В., Меленев А.Е., Световой В.Б. Optimization of electrodes for the fast electrochemical actuator Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2019)

3. Уваров И.В., Меленев А.Е., Лоханин М.В., Наумов В.В., Световой В.Б. A fast electrochemical actuator in the non-explosive regime Journal of Micromechanics and Microengineering (год публикации - 2019)

4. Уваров И.В., Меленев А.Е., Лоханин М.В., Наумов В.В., Световой В.Б. A fast electrochemical actuator in the non-explosive regime Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 29, 114001 (год публикации - 2019)
10.1088/1361-6439/ab3bde

5. Шлепаков П.С., Уваров И.В., Наумов В.В., Мазалецкий Л.А., Световой В.Б. Degradation of titanium electrodes in the alternating polarity electrolysis International Journal of Electrochemical Science, Vol. 14, P. 5211-5225 (год публикации - 2019)
10.20964/2019.06.62

6. Шлепаков П.С., Уваров И.В., Наумов В.В., Меленев А.Е., Световой В.Б. Optimization of electrodes for the fast electrochemical actuator Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1410, 012197 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1410/1/012197

7. Световой В.Б., Проказников А.В., Постников А.В., Уваров И.В., Паласантаз Д. Explosion of microbubbles generated by the alternating polarity water electrolysis Energies, Vol. 13 (1), 20 (год публикации - 2020)
10.3390/en13010020

8. Уваров И.В., Шлепаков П.С., Постников А.В., Световой В.Б. Modification of platinum surface in the alternating polarity electrochemical process Materials Chemistry and Physics (год публикации - 2020)

9. Уваров И.В., Меленев А.Е., Селюков Р.В., Световой В.Б. Improving the performance of the fast electrochemical actuator Sensors and Actuators A: Physical (год публикации - 2020)

10. Шлепаков П.С., Уваров И.В., Наумов В.В., Световой В.Б. Choosing the electrode material for the fast electrochemical actuator Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2020)

11. Уваров И.В., Шлепаков П.С., Постников А.В., Световой В.Б. Highly energetic impact of H2 and O2 nanobubbles on Pt surface Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 582, P. 167-176 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jcis.2020.07.135

12. Уваров И.В., Меленев А.Е., Селюков Р.В., Световой В.Б. Improving the performance of the fast electrochemical actuator Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 315, 112346 (год публикации - 2020)
10.1016/j.sna.2020.112346

13. Уваров И.В., Шлепаков П.С., Меленев А.Е., Ма К., Световой В.Б., Крайнен Г.Д.М. A peristaltic micropump based on the fast electrochemical actuator: Design, fabrication, and preliminary testing Actuators, Vol. 10, Paper 62 (год публикации - 2021)
10.3390/act10030062

14. Шлепаков П.С., Уваров И.В., Наумов В.В., Световой В.Б. Choosing the electrode material for the fast electrochemical actuator Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1695, 012155 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1695/1/012155

Публикации