nghiên cứu phát triển hệ thống vi lỏng định hướng ứng dụng trong y sinh học

Cụ thể, các thiết bị phân phối thuốc bằng kênh dẫn vi lưu dựa trên MEMS đang được nghiên cứu như: các thiết bị thẩm thấu qua da bằng vi kim, các thiết luan van tot nghiep, luan van thac

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN LUÂN

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN LUÂN

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

Trang 3

3 Mục tiêu nghiên cứu 5

4 Nội dung nghiên cứu 6

5 Phương pháp nghiên cứu 6

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7

7 Cấu trúc nội dung của luận án 7

1.1.3 Phần tử vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van 27

1.1.4 Vi bơm không van sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán 33

1.2 Bộ trộn vi lỏng 36

1.2.1 Bộ trộn vi lỏng thụ động 37

1.2.2 Bộ trộn vi lỏng chủ động 38

1.3 Một số công nghệ chế tạo vi bơm 42

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN 46

2.1 Vi bơm kết hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun 46

2.1.1 Cấu trúc vi bơm kết hợp chức năng trộn 46

luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

Trang 4

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của vi bơm đề xuất 49

2.1.3 Cảm biến điện dung và điện cực 51

2.2 Mô phỏng hoạt động của vi bơm đề xuất 53

2.2.1 Thiết lập mô phỏng chức năng bơm 53

2.2.2 Thiết lập mô phỏng chức năng trộn 57

2.3 Kết quả mô phỏng 60

2.3.1 Mô phỏng hoạt động của màng bơm PZT 60

2.3.2 Mô phỏng quá trình tương tác của chất lỏng trong vi bơm 63

2.3.3 Kết quả mô phỏng chức năng trộn 65

2.3.4 Tối ưu hóa cấu trúc vòi phun/khuếch tán 68

2.3.5 Kết quả mô phỏng cảm biến điện dung 71

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO HỆ VI BƠM VÀ ĐIỀU KHIỂN 73

3.1 Chế tạo vi bơm tích hợp bộ trộn 73

3.1.1 Thiết kế thân vi bơm 73

3.1.2 Chế tạo thân vi bơm 76

3.2.3 Thí nghiệm cảm biến điện dung 84

CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA VI BƠM 86

4.1 Thử nghiệm chức năng bơm 86

4.1.1 Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng là nước 86

4.1.2 Thử nghiệm hiệu suất bơm với các chất lỏng khác 90

4.1.3 Thử nghiệm hiệu suất bơm với màng bơm có kích thước khác nhau 92

4.2 Thử nghiệm chức năng trộn 95

4.2.1 Trộn với chất lỏng nhuộm màu 95

Trang 5

4.2.2 Trộn với chất lỏng không hoà tan 99

4.2.3 Kết quả thử nghiệm cảm biến điện dung 100

4.3 Ứng dụng vi bơm cho thiết bị truyền dịch trong y tế 104

4.3.1 Thông số và chức năng của thiết bị 104

4.3.2 Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển 104

4.3.3 Giao diện và kiểu dáng 106

4.3.4 Thử nghiệm thiết bị truyền dịch 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu,

T , K e l v i n Nhiệt độ tuyệt đối ρ, kg/m3 Mật độ lưu chất

cực

𝑘∞,i, mol/m3 Nồng độ ion của chất i

Hệ số khuêch tán của phần tử vòi

3 Nồng độ chất lỏng

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đánh giá các loại bộ trộn chủ động 40

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của vật liệu dùng trong mô phỏng 54

Bảng 2.2 Các thông số sử dụng trong mô phỏng chức năng trộn 59

Bảng 2.3 Kích thước vòi phun/khuếch tán trước và sau cải tiến 70

Bảng 2.4 So sánh hiệu suất của vi bơm trước và sau cải tiến 70

Bảng 3.1 Thông số cơ bản của vật liệu VeroClear RGD810 77

Bảng 3.2 Thông số màng PZT 77

Bảng 3.3 Tính chất vật lý của nước và dung dịch Glycerin 82

Bảng 4.1 So sánh thông số một số vi bơm sử dụng màng bơm PZT 94

Bảng 4.2 Bảng sai số thể tích truyền ở các tốc độ truyền khác nhau 107

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 Sơ đồ khối của một hệ thống phân phối thuốc 3

Hình 2 Hệ thống cảm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn 4

Hình 1.1 Mô hình nguyên lý làm việc của một vi bơm điện hóa dùng trong ứng dụng bơm thuốc 10

Hình 1.2 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm bong bóng 12

Hình 1.3 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện thẩm 14

Hình 1.4 Cơ chế hoạt động của vi bơm từ thủy động học 15

Hình 1.5 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm EHD 17

Hình 1.6 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm tĩnh điện 18

Hình 1.7 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm áp điện 20

Hình 1.8 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm nhiệt khí nén 23

Hình 1.9 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện từ 24

Hình 1.10 Mô hình vi bơm nhu động với 3 buồng nối tiếp 26

Hình 1.11 Mô hình vi bơm pít tông sử dụng van một chiều 28

Hình 1.12 Thiết kế chung của phần tử vòi phun/khuếch tán 29

Hình 1.13 Sự suy giảm áp suất trên phần tử vòi phun/khuếch tán tại các vùng khác nhau 31

Hình 1.14 Mô hình hoạt động của vi bơm không van 33

Hình 1.15 Vòi phun/khuếch tán có cấu trúc thông thường (a), cấu trúc hai vây (b) và cấu trúc có vật cản (c) 36

Hình 1.16 Các cấu trúc hình học cơ bản của bộ trộn vi lỏng 37

Hình 1.17 Một số cấu trúc phức tạp của bộ trộn vi lỏng 38

Hình 1.18 Thiết kế của một số bộ trộn chủ động 39

Hình 2.1 Mô hình vi bơm sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu cũ 47

Hình 2.2 Cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu mới 47

Hình 2.3 Mô hình vi bơm đề xuất với cấu trúc vòi phun/khuếch tán mới 48

Hình 2.4 Mô hình thiết kế 3D của vi bơm tích hợp bộ trộn 49

Hình 2.5 Quá trình hút và xả của vi bơm 50

Hình 2.6 Tụ điện song song 52

Hình 2.7 Điện cực cảm biến diện dung sử dụng trong vi bơm 53

Trang 10

Hình 2.8 Mô hình đối xứng của vi bơm dùng cho mô phỏng 55

Hình 2.9 Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng chức năng trộn 60

Hình 2.10 Sự biến dạng của màng PZT khi có điện áp đặt vào 61

Hình 2.11 Biên độ biến dạng tại tâm của màng PZT với các điện áp khác nhau 61

Hình 2.12 Đáp ứng của biến dạng so với điện áp đặt vào màng PZT 62

Hình 2.13 Hiệu ứng hút và xả quan sát tại cấu trúc vòi phun/khuếch tán 63

Hình 2.14 Tốc độ dòng chảy tức thời ở đầu vào và đầu ra với f = 100 Hz 64

Hình 2.15 Mô phỏng quá trình trộn ở tần số 100 Hz 66

Hình 2.16 Dòng chảy và nồng độ của chất lỏng ở tần số 100 Hz 67

Hình 2.17 Nồng độ trung bình tại đầu ra ở các tần số khác nhau 67

Hình 2.18 Mô hình mô phỏng tối ưu cấu trúc vòi phun/khuếch tán 69

Hình 2.19 Thể tích chất lỏng bơm được trong ba chu kỳ với các góc mở khác nhau 69

Hình 2.20 Mặt cắt ngang và kích thước vòi phun/khuếch tán trước (a) và sau cải tiến (b) 70

Hình 2.21 Mô phỏng cảm biến điện dung với dung dịch NaCl 71

Hình 3.1 Thiết kế chi tiết thân vi bơm (a) 74

Thiết kế chi tiết thân vi bơm (b) 75

Hình 3.2 Hình ảnh thân vi bơm chế tạo bằng công nghệ in 3D với đường kính buồng bơm khác nhau: (a) 35mm và (b) 20mm 77

Hình 3.3 Hình vẽ biểu diễn quá trình lắp ghép các thành phần để tạo thành bộ vi bơm tích hợp chức năng trộn 78

Hình 3.4 Hình ảnh thân vi bơm sau khi chế tạo và đóng gói 79

Hình 3.5 Sơ đồ mạch dao động LC của điện cực cảm biến 80

Hình 3.6 Mạch đo và xử lý dữ liệu 80

Hình 3.7 Sơ đồ thí nghiệm chức năng bơm 81

Hình 3.8 Sơ đồ thí nghiệm chức năng trộn 82

Hình 3.9 Phương pháp phân tích màu sắc để đánh giá hiệu suất trộn của vi bơm 83

Hình 3.10 Sơ đồ thí nghiệm cảm biến điện dung 84

Hình 3.11 Hình ảnh thí nghiệm thực tế 85

Hình 4.1 Thí nghiệm xác nhận hiệu ứng bơm 87

Trang 11

Hình 4.2 Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và lưu lượng bơm ở điện

áp 220V 87

Hình 4.3 Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và lưu lượng bơm ở điện áp 90V 88

Hình 4.4 Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và áp suất bơm 89

Hình 4.5 Quan hệ giữa điện áp điều khiển và áp suất bơm tại tần số 100 Hz 90

Hình 4.6 Lưu lượng bơm ở điện áp 220 V và các tần số khác nhau ứng với các chất lỏng: nước, hỗn hợp glycerin-nước nồng độ khác nhau 91

Hình 4.7 Ảnh hưởng của đường kính màng bơm PZT tới lưu lượng bơm 92

Hình 4.8 Ảnh hưởng của đường kính màng bơm PZT tới áp suất và lưu lượng của bơm ở tần số cộng hưởng 93

Hình 4.9 Hiệu ứng trộn tại kênh đầu ra khi không có điện áp điều khiển 95

Hình 4.10 Hiệu ứng trộn tại kênh đầu ra khi có điện áp 220Vpp ở tần số 10Hz (a) và 100Hz (b) 96

Hình 4.11 Hình ảnh phân tích màu và mức xám của ảnh chụp tại kênh ra của vi bơm ứng với tần số 10Hz (a) và 100Hz (b) 97

Hình 4.12 Các vị trí đánh giá hiệu suất trộn của vi bơm 97

Hình 4.13 Đánh giá khả năng trộn theo mã màu tại kênh đầu ra của vi bơm 99

Hình 4.14 Thí nghiệm bơm với chất lỏng không hòa tan 100

Hình 4.15 Giá trị điện dung của điện cực đo được trong khoảng thời gian 4 phút với chất lỏng tại kênh đầu ra là nước 101

Hình 4.16 Giá trị điện dung đo được ứng với các chất lỏng bơm khác nhau 102

Hình 4.17 Giá trị điện dung thay đổi trong quá trình chuyển từ dung dịch NaCl 30% sang nước tinh khiết và ngược lại 103

Hình 4.18 Sơ đồ khối mạch điều khiển vi bơm 105

Hình 4.19 Thiết bị truyền dịch sử dụng vi bơm kết hợp bộ trộn 106

Hình 4.20 Thử nghiệm đánh giá sai số thể tích truyền trong 30 phút ở các tốc độ khác nhau 108

Trang 12

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

MEMS là viết tắt của hệ thống vi cơ điện tử (MicroElectroMechanical System) Đây là một thuật ngữ rộng, có liên quan đến thiết kế, phương pháp, cơ chế chế tạo vi mô cho việc hiện thực hóa các thành phần cấu thành các bộ phận cơ khí chuyển động ở quy mô siêu nhỏ (cỡ micromet) MEMS nghiên cứu chuyển đổi các hệ thống cơ học cồng kềnh, truyền thống thành các hệ thống cơ học thay thế thu nhỏ, có hiệu suất tốt hơn và có khả năng sản xuất hàng loạt cao, tương tự như những gì công nghệ mạch tích hợp và bán dẫn đã làm cho các hệ thống điện và điện tử

Trong những năm đầu của thế kỷ 21, công nghệ MEMS đã được áp dụng cho nhu cầu cấp thiết của ngành y sinh, qua đó, đẩy mạnh một lĩnh vực nghiên cứu mới có tên gọi là Microfluidics - Công nghệ vi lưu Công nghệ vi lưu liên quan đến việc thiết kế và phát triển các thiết bị thu nhỏ mà có thể tích hợp cảm biến, bơm, trộn, thao tác, theo dõi và kiểm soát lưu lượng chất lỏng rất nhỏ Sự phát triển của các hệ thống vi lưu đã nhanh chóng ứng dụng rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau Các ứng dụng chính của hệ thống vi lưu là phân tích hóa học, cảm biến sinh học và hóa học, phân phối thuốc, phân tách phân tử, phân tích DNA, khuếch đại, xác định trình tự hoặc tổng hợp axit nucleic và theo dõi môi trường

Việc sử dụng MEMS cho mục đích sinh học (BioMEMS) đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu Trước nhu cầu cấp thiết của y học là chế tạo các hệ thống phân phối thuốc vi mô, việc sử dụng công nghệ vi chế tạo (micromachining) để triển khai mục tiêu này là một xu hướng hiện đại hiện nay Cụ thể, các thiết bị phân phối thuốc bằng kênh dẫn vi lưu dựa trên MEMS đang được nghiên cứu như: các thiết bị thẩm thấu qua da bằng vi kim, các thiết

Trang 13

bị sử dụng vi bơm, các thiết bị dùng bộ chứa vi mô và các thiết bị MEMS có thể phân hủy sinh học

Như chúng ta biết, các phương pháp phân phối thuốc thông thường là đưa thuốc vào cơ thể người qua đường uống, đường hít thở và đường tĩnh mạch Với các phương pháp phân phối đó, thuốc sẽ phân tán đến nhiều bộ phận khác của cơ thể và có thể gây ra một số ảnh hưởng không mong muốn Thêm vào đó, lượng thuốc đưa vào cơ thể có thể nhiều hơn hoặc ít hơn so với nhu cầu của mục đích điều trị Nhìn chung, hầu hết các loại thuốc đều hiệu quả nếu được phân phối đúng theo một hàm lượng cụ thể, nằm giữa mức tối đa và tối thiểu mong muốn Nếu quá mức tối đa, chúng sẽ gây ngộ độc và nếu dưới mức tối thiểu, chúng lại không có tác dụng điều trị Với các phương pháp phân phối thuốc thông thường như qua đường uống bằng miệng, v.v , thì hàm lượng thuốc ban đầu được đẩy mạnh, sau đó giảm nhanh xuống dưới mức điều trị Hơn nữa, trong thực tế, để đạt được hiệu quả điều trị thì cần phải phối hợp nhiều loại thuốc với tỷ lệ chính xác Vì vậy, nhu cầu chế tạo thiết bị phân phối thuốc có thể điều khiển được là nhu cầu cấp bách hiện nay Thiết bị này phối trộn hàm lượng thuốc thích hợp nhờ bộ điều khiển có cơ chế tính toán chính xác và giải phóng vào thời điểm thích hợp bằng cơ chế vi truyền động như thiết bị vi bơm Lợi ích của việc giải phóng thuốc có kiểm soát là cung cấp thuốc tại vị trí cụ thể, giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị

Một số trường hợp đặc biệt, việc phân phối thuốc lại là sự kết hợp, pha trộn của hai hoặc nhiều loại thuốc khác nhau với các tỷ lệ khác nhau tại mỗi thời điểm và vai trò của một bộ trộn trong trường hợp này là không thể thiếu Như vậy, một hệ thống phân phối thuốc tích hợp có thể sẽ bao gồm hệ thống vi bơm, hệ thống trộn, hệ thống điều khiển chính xác như mô tả trong Hình 1 Hệ thống trộn làm nhiệm vụ trộn thuốc trong các kênh dẫn thông qua việc thay đổi luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

Trang 14

lưu lượng được điều khiển chính xác bởi hệ thống điều khiển Sau đó, hệ thống vi bơm đẩy thuốc đến đầu ra Ngoài ra, một hệ thống cảm biến được đặt tại đầu ra, với nhiệm vụ xác định hàm lượng thuốc và tác động trở lại bộ điều khiển để thay đổi tỉ lệ trộn hoặc lưu lượng bơm nếu các giá trị này chưa chính xác theo yêu cầu mong muốn

Hình 1 Sơ đồ khối của một hệ thống phân phối thuốc

Ở một khía cạnh khác, vi bơm, bộ trộn… cũng là những thiết bị thiết yếu trong các hệ thống vận chuyển chất lỏng, chẳng hạn như Vi hệ thống phân tích tổng hợp (µTAS - Micro Total Analysis System), Hệ thống xét nghiệm tại chỗ (POCT - Point of Care Testing) hoặc Hệ thống phòng thí nghiệm trên chip (LoC - Lab on a Chip) Các thiết bị vi cơ này được sử dụng như một phần của hệ thống tích hợp xét nghiệm nhanh bằng một con chip bao gồm buồng chứa vi mô (microreservoirs), vi kênh (microchannel), vi bơm (micropump), bộ vi trộn (micromixer) và hệ thống vi cảm biến (microsensor) để vận chuyển chính xác các chất lỏng hóa học và sinh học ở mức vi mô Hệ thống xét nghiệm nhanh tại giường bệnh dùng để tiến hành phân tích chẩn đoán tại chỗ nhằm cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe và cải thiện chất lượng cuộc sống tốt hơn Trong các hệ thống chẩn đoán kể trên, vi bơm và bộ trộn là thành phần không thể thiếu (Hình

Trang 15

2) để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác Vì vậy, việc nghiên cứu hệ thống vi bơm, bộ trộn là bước quan trọng và cần thiết

Hình 2 Hệ thống cảm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn

Nhận thấy vai trò to lớn và khả năng ứng dụng của vi bơm và bộ trộn trong lĩnh vực y sinh học, hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nhóm nghiên cứu về các thiết bị này nhằm tạo ra các sản phẩm ứng dụng trong thực tiễn như phân tích hóa học, cảm biến sinh học, phân phối thuốc, phân tách phân tử Một trong số những mục tiêu hướng đến của các nghiên cứu này là đưa ra được những giải pháp để có thể tạo ra sản phẩm có độ bền, độ tin cậy cao, kích thước nhỏ và dễ dàng trong việc chế tạo Các nghiên cứu thường tập trung vào các giải pháp cho từng thiết bị cụ thể riêng biệt như vi bơm, bộ vi trộn, vi cảm biến hoặc cơ chế vi điều khiển… Trong khi đó, việc phát triển một thiết bị vi lỏng có khả năng tích hợp nhiều chức năng như trên vẫn chưa có nhiều đột phá Với các lý

do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, phát triển hệ thống vi bơm tích

hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun định hướng ứng dụng trong y sinh học” sẽ giải quyết được nhu cầu thực tiễn trong việc phân phối thuốc và

đáp ứng cho các hệ thống LoC Luận án đề xuất hệ thống vi bơm không sử dụng van dựa trên cấu trúc vòi phun/khuếch tán (nozzle/diffuser) tích hợp đồng thời chức năng bơm và trộn Việc thực hiện thành công luận án sẽ đem lại những luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

Trang 16

kết quả nghiên cứu mới và là cơ sở cho định hướng, phát triển các sản phẩm ứng dụng trong y sinh học

2 Những vấn đề còn tồn tại

Qua phân tích và tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã công bố, NCS thấy được những vấn đề đang còn tồn tại mà nội dung nghiên cứu của luận án cần tập trung giải quyết, cụ thể như sau:

- Vi bơm và bộ trộn thường là các mô đun riêng biệt, điều này dẫn đến kích thước của thiết bị cồng kềnh và phức tạp trong chế tạo, ghép nối

- Khi trộn hai hay nhiều thành phần chất lỏng, các hệ thống cần phải có số lượng bơm tương ứng với các kênh vào của bộ trộn, điều này sẽ làm tăng giá thành, kích thước của hệ thống

- Việc đo lường và tự động xác định nồng độ của hỗn hợp chất lỏng sau các bộ vi trộn bằng cảm biến vẫn là một bài toán mới, chưa có nhiều nghiên cứu

- Các giải pháp vi bơm thường có hiệu suất chưa cao, bộ trộn chưa có khả năng điều khiển tự động tỷ lệ thành phần đầu ra

Vì vậy, việc nghiên cứu và đề xuất một thiết bị mới với các tính năng có thể khắc phục được những hạn chế nêu trên sẽ được trình bày trong luận án này

3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là:

- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo được một hệ vi bơm có chức năng trộn và tích hợp cảm biến điện dung có khả năng xác định môi trường lưu chất, đo nồng độ thành phần dung dịch ở đầu ra của thiết bị và hướng tới khả năng tự động điều chỉnh tỷ lệ trộn

- Bước đầu ứng dụng được thiết bị này vào các công việc như phân tích hóa học, cảm biến sinh học và hóa học, phân phối thuốc, phân tách phân tử Cụ

Trang 17

thể là phát triển một thiết bị định hướng ứng dụng trong việc truyền dịch tại các bệnh viện

4 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập và nghiên cứu các tài liệu đã công bố về vi bơm, bộ trộn, cảm biến

- Nghiên cứu và đánh giá các mô hình toán học được sử dụng để tính toán, thiết kế, mô phỏng vi bơm, bộ trộn và cảm biến

- Nghiên cứu, lựa chọn giải pháp, thiết kế hệ thống cảm biến điện dung cho việc xác định môi trường lưu chất sau khi trộn

- Tính toán, thiết kế, mô phỏng hoạt động của vi bơm và bộ trộn sử dụng phần mềm các phần tử hữu hạn (COMSOL)

- Chế tạo nguyên mẫu vi bơm và tiến hành thực nghiệm khảo sát hoạt động của thiết bị

- Chế tạo cảm biến điện dung tích hợp tại kênh đầu ra của vi bơm

- Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và điều khiển vi bơm

- Thực hiện các thử nghiệm để thu thập và phân tích dữ liệu, đánh giá và tối ưu thiết kế

5 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được lựa chọn để thực hiện luận án:

- Phương pháp phân tích và tổng hợp: Phương pháp này được sử dụng để tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài của luận án như: vi bơm, bộ trộn, cảm biến nhằm thấy được các vấn đề cần nghiên cứu

- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Sử dụng công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn COMSOL để mô phỏng cơ chế hoạt động, quá trình làm việc của các cấu trúc, bộ phận trong hệ thống, xác định được thông số thiết bị từ đó

chế tạo được thiết bị

Trang 18

- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng công nghệ và thiết bị in 3D với độ phân giải cao để chế tạo các mẫu sản phẩm phục vụ cho việc nghiên cứu của luận án Thiết lập hệ thống đo lường để đánh giá khả năng hoạt động và độ tin cậy của các thiết bị, cũng như đánh giá, hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết bị

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

►Ý nghĩa khoa học:

Với nhiệm vụ và mục tiêu đặt ra như trên, nội dung của luận án sẽ là cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo vi bơm không van có tích hợp chức năng trộn Đây là vấn đề nghiên cứu liên ngành Vật lý, Điện tử, Cơ học chất lỏng, Y sinh học Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, sẽ có tác động tốt đến lĩnh vực khoa học chuyên môn, đặc biệt là trong các nghiên cứu về vi bơm không van nói riêng và các ứng dụng trong lĩnh vực

y sinh nói chung

►Ý nghĩa thực tiễn:

Việc thiết kế, chế tạo được vi bơm không van có tích hợp chức năng trộn, bước đầu góp phần giải quyết một nhu cầu thực tiễn của con người hiện nay về vấn đề chẩn đoán, điều trị, phân phối thuốc nhanh và tự động, áp dụng được các thành tựu khoa học liên ngành Vật lý - Sinh học - Điện tử vào trong đời sống xã hội nước ta

7 Cấu trúc nội dung của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận án được bố cục thành 4 chương:

- Chương 1 trình bày tổng quan tình tình nghiên cứu Trong chương này, luận án phân tích, tìm hiểu các hệ thống vi bơm, bộ trộn đã được nghiên cứu trên thế giới và trong nước Từ đó, luận án đề xuất nội dung nghiên cứu và tầm quan trọng của việc thực hiện nghiên cứu

Trang 19

- Chương 2 trình bày chi tiết đề xuất một thiết kế vi bơm không van kết hợp tính năng trộn Vi bơm đề xuất sử dụng cơ cấu vòi phun/khuếch tán mới Cùng với đó, việc tính toán và xây dựng mô hình vi bơm bằng phương pháp mô phỏng để tìm ra thông số kích thước tối ưu nhằm chế tạo nguyên mẫu vi bơm trong thực tế

- Chương 3 trình bày thiết kế chi tiết các thông số, kích thước của vi bơm phục vụ việc chế tạo bằng công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh độ phân giải cao Tiếp đó thiết kế và chế tạo mạch điều khiển, xây dựng các hệ đo và thử nghiệm thiết bị

- Chương 4 trình bày chi tiết các thí nghiệm và kết quả nhằm đánh giá các thông số, chức năng của thiết bị như vi bơm, bộ trộn, cảm biến và tối ưu lại hệ thống nhằm đạt được kết quả như mong muốn

8 Các đóng góp chính của luận án

- Luận án đã đề xuất một thiết kế vi bơm sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu mới, vi bơm kết hợp giữa tính năng bơm và trộn trên cùng một thiết bị

- Đã xây dựng được mô hình mô phỏng chức năng bơm và trộn của thiết bị Các kết quả dữ liệu thu được đã đánh giá được ảnh hưởng của tần số, điện áp, kích thước màng bơm PZT cũng như thông số của cấu trúc vòi phun/khuếch tán đến lưu lượng, áp suất đầu ra của vi bơm, cũng như khả năng trộn của thiết bị

- Đã chế tạo được mẫu vi bơm kết hợp bộ trộn sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán bằng công nghệ in 3D độ phân giải cao, có tích hợp cảm biến điện dung để xác định môi trường bơm và tỷ lệ trộn Các kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ thiết bị đã đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu đặt ra của đề tài mà luận án đã chọn Đồng thời khẳng định tiềm năng và đóng góp của nghiên cứu cho các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực y sinh

Trang 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về vi bơm

Trước những nhu cầu đòi hỏi từ thực tế, việc nghiên cứu về vi bơm đã được bắt đầu từ những năm 1980 và trở thành một lĩnh vực nghiên cứu lớn trong ngành vi điện tử [1,2] Vi bơm được hiểu là một thiết bị có kích thước nhỏ làm nhiệm vụ bơm, kiểm soát vận chuyển một lượng nhỏ chất lỏng để đáp

ứng một yêu cầu cụ thể Thực hiện chức năng bơm nghĩa là việc di chuyển chất lỏng trong các vi

kênh dưới hiệu ứng vật lý nào đó Dựa trên các nguyên tắc bơm, các vi bơm thường được phân thành hai loại chính là vi bơm cơ học và vi bơm phi cơ học Vi bơm cơ học chứa các bộ phận chuyển động Lực truyền động có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các hiệu ứng áp điện, tĩnh điện, nhiệt, khí nén hoặc các hiệu ứng từ tính Trong khi đó, vi bơm phi cơ học hoạt động với lực truyền động thường là điện thẩm, điện hóa hoặc tạo dòng siêu âm…

1.1.1 Vi bơm phi cơ học

Vi bơm phi cơ học là những vi bơm không sử dụng chuyển động cơ học để tác động lực lên chất lỏng cần bơm

Trong một số trường hợp đặc biệt một số vi bơm phi cơ học không cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài để hoạt động và chúng được gọi là bơm phi cơ học thụ động, điển hình là vi bơm mao quản [3] Loại bơm này sử dụng hiệu ứng mao dẫn và sức căng bề mặt để vận chuyển chất lỏng, cụ thể ở đây, sự bám dính xảy ra giữa chất lỏng và ống mao quản sẽ kéo chất lỏng lên cao Vi bơm sử dụng sự chênh lệch sức căng bề mặt giữa giọt nhỏ ở đầu vào và giọt lớn hơn ở đầu ra để truyền mẫu chất lỏng cũng đã được nghiên cứu [4-5] Wang và các cộng sự dùng các chất xốp như giấy để vận chuyển chất lỏng nhờ lực mao dẫn xuất hiện ở bề mặt phân giới giữa chất lỏng - rắn [6]

Trang 21

Khác với vi bơm phi cơ học thụ động, một số loại vi bơm phi cơ học lại cần phải cung cấp năng lượng để hoạt động và chúng được gọi là vi bơm phi cơ học chủ động Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu điển hình đã được công bố về các loại vi bơm này

1.1.1.1 Vi bơm điện hóa (Electrochemical Micropump)

Đặc điểm chung nhất của các loại vi bơm điện hóa là tạo ra các bong bóng bằng phương pháp điện phân Trong đó, chất điện phân thường là nước và được phân hủy thành khí hydro (H2) và khí oxy (O2) khi có dòng điện chạy qua Quá trình tạo bong bóng thông qua các phản ứng (1), (2)

Tại anode:

2H2O 4H+ + 4e- + O2 (1) Tại cathode:

2H2O + 2e-  2OH- + H2 (2)

Hình 1.1 Mô hình nguyên lý làm việc của một vi bơm điện hóa dùng trong ứng dụng bơm thuốc [10]

(a) trước khi bơm, (b) đang bơm, (c) kết thúc bơm

Trang 22

Các bong bóng được tạo ra trong quá trình điện phân làm thay đổi áp suất trong buồng kín sinh ra lực tác dụng lên màng bơm để đẩy dung dịch di chuyển Vi bơm điện hóa gồm các thành phần như: buồng bơm chứa chất điện phân (hay còn được gọi là buồng điện phân) có các điện cực được cấp điện để tạo ra bong bóng, các kênh dẫn chất lỏng, và các buồng chứa chất lỏng đầu vào và đầu ra [7]

Hình 1.1 mô tả nguyên lý hoạt động của một vi bơm điện hóa sử dụng trong việc phân phối thuốc Điểm hạn chế của loại vi bơm điện hóa là các bong bóng được tạo ra có thể bị phá vỡ Điều này làm giảm độ tin cậy và chính xác của vi bơm [8] Tuy nhiên, loại vi bơm điện hóa tiêu thụ ít năng lượng và rất hiệu quả trong việc bơm dung dịch với thể tích nhỏ, cỡ mL [9]

Suzuki và Yoneyama đã chế tạo một vi bơm điện hóa có điện áp hoạt động ở mức trên dưới 1V và điện năng tiêu thụ thấp ở mức µW [11,12] Hệ thống vi bơm đó được phát triển bằng cách tích hợp một bộ vi bơm trên chip và các van một chiều hoạt động thông qua bong bóng H2 được tạo ra bằng phản ứng điện hóa Điện cực có dạng màng mỏng được làm từ bạch kim Chất nền (substrate) bằng vật liệu PDMS (Polydimethylsiloxane) được sử dụng để tạo kênh dòng chảy và khoang chứa dung dịch điện phân Hai dung dịch thuốc nhuộm được bơm và hợp nhất trong một kênh vi lỏng, lưu lượng bơm ở giá trị 8,0 nL/s đã được ghi nhận Yoshimi và cộng sự đã phát triển khớp thần kinh nhân tạo (artificial synapse) bằng cách sử dụng một vi bơm điện hóa [13] Khối vi bơm này bao gồm một vòi phun bằng thủy tinh và hai điện cực bạch kim chứa đầy dung dịch dẫn truyền thần kinh cho quá trình điện phân Để điều khiển dung dịch hướng tới nơ-ron, một hiệu điện thế 3,0V đã được đưa vào điện cực Kim và cộng sự đã nghiên cứu, thiết kế vi bơm sử dụng màng Ppy (Polypyrrole) [14] Vi bơm hoạt động bằng cách kích thích màng mỏng Ppy-PDMS thông

Trang 23

qua phương pháp điện hóa Các van một chiều được sử dụng để kiểm soát hướng của dòng chảy Tốc độ dòng chảy tối đa 52μL/phút đạt được khi điện áp đặt vào ± 1,5V với công suất đầu vào là 55mW

1.1.1.2 Vi bơm loại bong bóng (Bubble Micropumps)

Hình 1.2 là mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm bong bóng Vi bơm hoạt động dựa trên sự giãn nở và vỡ định kỳ của các bong bóng được tạo ra bởi quá trình sinh nhiệt trong buồng bơm Sự thay đổi áp suất trong buồng bơm cùng với cơ chế hoạt động của các van một chiều hoặc thông qua cơ chế vòi phun/khuếch tán (nozzle/diffuser) để xác định hướng dòng chảy của vi bơm Ưu điểm chính của loại vi bơm này là có thể trộn hai hoặc nhiều loại liều thuốc trong các chu kỳ bong bóng giãn nở và vỡ Nhược điểm chính của vi bơm bong bóng là cần phải có nguồn tạo nhiệt thường xuyên để vi bơm hoạt động và do đó ứng dụng có phần hạn chế [15]

Hình 1.2 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm bong bóng

Tsai và Lin đã nghiên cứu một vi bơm nhiệt bong bóng không van [16,17] Sau đó, họ đã phát triển một hệ thống trộn vi lỏng với một bộ lọc bọt khí bằng cách sử dụng vi bong bóng Tốc độ dòng chảy tối đa 5 μL/phút tại tần số 250 Hz với xung điện áp độ rộng xung 10% và công suất tiêu thụ là 1W Lew và cộng sự đã phát triển một vi bơm bong bóng xẹp [18] Các bong bóng có bán kính khoảng 3 đến 5mm đã được khảo sát thông qua thiết lập thí nghiệm

Trang 24

sử dụng tia lửa điện sinh ra giữa hai bản tụ điện có điện áp 55V Vi bơm bong bóng sử dụng bộ gia nhiệt cũng đã được Jung và Kwak nghiên cứu chế tạo [19] Bộ vi bơm bao gồm một cặp vòi phun/khuếch tán, bộ điều khiển dòng chảy, các vi kênh và một buồng bơm Vi bơm đạt được tốc độ dòng chảy tối đa 6μL/phút ở tỷ lệ 60% (khoảng thời gian xung điện/chu kỳ bơm) đối với buồng tròn và 8μL/phút ở tỷ lệ 40% đối với buồng vuông Cheng và Liu đã nghiên cứu một vi bơm bong bóng điện phân dựa trên thiết kế gradient nhám trong vi kênh [20] Tốc độ dòng lớn nhất 114μL/phút đạt được ở điện áp đặt vào 15V với tần số 4,5Hz

1.1.1.3 Vi bơm điện thẩm (Electroosmotic micropump)

Hình 1.3 trình bày nguyên lý hoạt động dòng di chuyển điện thẩm Hầu hết các bề mặt sẽ có một mật độ điện tích nhất định một cách tự nhiên khi tiếp xúc với dung dịch Ví dụ, một bề mặt silica tiếp xúc với dung dịch nước sẽ trở nên tích điện do sự khử ion của các nhóm silanol trên bề mặt Bề mặt tích điện hút các điện tích trái dấu và đẩy lùi ra xa các hạt tích điện cùng dấu, dẫn đến sự hình thành lớp điện áp kép (EDL - Electrical Double Layer) Với vi bơm điện thẩm mô tả trong Hình 1.3, bề mặt kênh vi lỏng được tích điện âm do hiện tượng phản ứng hóa học bề mặt khi tiếp xúc với chất lỏng Khi một điện trường được đặt song song với bề mặt tích điện, các cation trong vùng EDL sẽ chuyển động theo hướng của điện trường Sự di chuyển của các cation này sẽ kéo theo sự dịch chuyển của chất lỏng và tạo ra dòng chảy trong vi kênh Sự phân bố điện tích dương và âm tạo ra điện thế tại thành của vi kênh, gọi là điện thế Zeta (ζ), phụ thuộc vào tính chất bề mặt và mật độ ion trong chất lỏng Chiều dày của lớp điện áp kép 𝜆𝐷 được tính theo phương trình (3)

𝜆𝐷 = [ 𝜀𝑘𝑇

𝜖2∑ 𝑍𝑖 𝑖𝑘∞,𝑖]1/2 (3)

Trang 25

Trong đó:  : hằng số điện môi của chất lỏng

K : hằng số Boltzmann T : nhiệt độ

𝜖 : điện tích

Zi : số hóa trị của ion

𝑘∞,i : nồng độ ion của chất i trong hỗn hợp

Trong ứng dụng vi bơm, do chiều dày của lớp EDL rất nhỏ so với kích thước mặt cắt ngang của kênh vi lỏng, khi đó tốc độ dòng điện di có thể được tính như sau [21]:

𝑢 = −𝜀𝜁𝐸

Trong đó: E (V/m) : cường độ điện trường

µ(Ns/m2) : độ nhớt động học của chất lỏng Lưu lượng điện thẩm thấu phụ thuộc vào:

- Độ lớn của điện trường;

- Kích thước mặt cắt ngang của vi kênh; - Mật độ điện tích bề mặt của vi kênh; - Mật độ ion và pH của chất lỏng làm việc

Hình 1.3 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện thẩm

Nhược điểm của loại vi bơm này là tốc độ dòng chảy thấp nhưng lại phải sử dụng điện áp rất cao, lên đến hơn 1000V và chỉ hoạt động được với các loại

Trang 26

chất lỏng dẫn điện, bù lại, vi bơm có thể tạo ra áp suất bơm lớn, dòng chảy đều Để cải thiện hiệu suất bơm và việc chế tạo được dễ dàng hơn, phần lớn các vi bơm điện thẩm sử dụng cấu trúc xốp thay vì cấu trúc một kênh đơn giản [22] Paul và cộng sự đã chế tạo thành công một vi bơm điện thẩm với lưu lượng bơm đạt 0,04µL/phút, áp suất 4000 kPa, hoạt động ở điện áp 1500V [23]

1.1.1.4 Vi bơm từ thủy động học (MHD - Magnetohydrodynamic micropump)

Một loại bơm phi cơ học điển hình khác, đó là bơm từ thủy động học Vi bơm sử dụng lực Lorentz để bơm chất lỏng như miêu tả trong Hình 1.4 Độ lớn của lực Lorentz được cho bởi công thức:

Áp suất cực đại của vi bơm được tính theo công thức (6) [24]:

Đồng thời, tốc độ dòng chảy lớn nhất [24]: 𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝐽𝑦𝐵𝑥 𝜋𝐷ℎ4

Trong đó: Jy : mật độ dòng điện Bx : mật độ từ thông L : độ dài của điện cực w : khoảng cách hai điện cực

Dh : đường kính quy đổi của vi kênh (bằng diện tích mặt cắt ngang chia cho chu vi của vi kênh)

Hình 1.4 Cơ chế hoạt động của vi bơm từ thủy động học

Trang 27

Jang và Lee đã nghiên cứu và chế tạo vi bơm MHD với điện áp hoạt động từ 10 tới 60 VDC, mật độ từ thông 0,44 T được tạo bởi nam châm vĩnh cửu [25] Tốc độ bơm lớn nhất được ghi nhận đạt 63μL/phút Kang và Choi đã nghiên cứu và thiết kế và chế tạo vi bơm MHD có chức năng trộn, trong đó chất lỏng được trộn và bơm cùng một lúc bằng cách ghép giữa lực Lorentz và lực điện di của điện tích trong điện trường [26]

Hiệu suất của bơm từ thủy động học thường bị giới hạn bởi mật độ từ thông Ngoài ra, nó chỉ có thể vận chuyển chất lỏng dẫn điện và có thể phát sinh nhiệt trong quá trình hoạt động

1.1.1.5 Vi bơm điện động học (EHD - Electro Hydrodynamic Micropump)

Trong vi bơm EHD, lực được tạo ra bởi sự tương tác giữa điện trường và các điện tích chuyển động trong chất lỏng như mô tả trong Hình 1.5 Các điện cực được đặt trong vi kênh theo chiều dọc Các hạt mang điện được tạo ra từ các điện cực sẽ chuyển động theo hướng của điện trường và kéo chất lỏng di chuyển theo Chất lỏng sử dụng trong vi bơm phải có độ dẫn điện thấp hoặc là chất điện môi Mật độ lực điện Fe được tạo ra từ điện trường đặt vào có cường độ E được tính theo công thức (8):

Các điện tích được phát ra từ một điện cực và được thu lại ở điện cực kia Các vi bơm EHD thường là loại cảm ứng, phân cực hoặc kéo điện tích, mỗi

Trang 28

loại đều có phương pháp riêng để đưa các hạt tích điện vào dung dịch chất lỏng bơm [27]

Hình 1.5 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm EHD

Ritcher và Sandmaier đã chế tạo bộ vi bơm EHD phun tích điện một chiều đầu tiên bao gồm hai lưới điện cách ly [28] Tốc độ dòng chảy 15.000μL/phút và cột áp 1,72 kPa đạt được ở điện áp 800V Fuhr và cộng sự đã phát triển một vi bơm EHD loại cảm ứng đầu tiên [29] Tốc độ dòng chảy 0,05-5μL/phút đã được ghi nhận Darabi và cộng sự nghiên cứu một vi bơm phân cực EHD để làm mát trong thiết bị điện tử [30, 31] Nguyên mẫu chế tạo có công suất làm mát tối đa là 65W/cm2 với áp suất đạt 250 Pa

1.1.2 Vi bơm cơ học

Khác với vi bơm phi cơ học, vi bơm cơ học có một hoặc nhiều thành phần chuyển động được sử dụng trong quá trình hoạt động của bơm Phần lớn những vi bơm cơ học sử dụng chuyển động của các màng bơm để tạo ra sự chênh lệch áp suất cần thiết nhằm di chuyển chất lỏng, tạo dòng chảy [32] Sự dao động của các màng này thường được thực hiện nhờ tác động của điện trường, từ trường hoặc tác động nhiệt Các dao động này sẽ tạo ra thay đổi áp

suất (ΔP) và là một hàm của thể tích hành trình bên trong buồng bơm (ΔV) Với

V0 là thể tích chết của buồng bơm, tỷ lệ nén được định nghĩa như sau:

𝑘 = ∆𝑉

Trang 29

Hiệu suất của vi bơm cơ học thường bị giới hạn bởi các thành phần cơ học của nó Điển hình, trong số các loại vi bơm này là vi bơm gốm áp điện, tĩnh điện, khí nén nhiệt, điện từ, lưỡng kim, nhu động và vi bơm pít tông

1.1.2.1 Vi bơm tĩnh điện (Electrostatic Micropumps)

Loại vi bơm này sử dụng lực tĩnh điện để tạo chuyển động của màng bơm Chênh lệch áp suất gây ra bởi độ lệch màng bơm trong buồng bơm buộc chất lỏng trong khoang chứa chảy tới vi kênh Lực tĩnh điện tác dụng lên các tấm tĩnh điện có thể được biểu thị bằng phương trình:

𝐹 = 𝑑𝑊

𝑑𝑋 = 1 2⁄ (𝜀𝐴𝑉2

Với: F : lực hút tĩnh điện W : năng lượng dự trữ ε : hằng số điện môi

A : diện tích bề mặt của các điện cực X : khoảng cách điện cực

V : điện áp đặt vào điện cực

Hình 1.6 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm tĩnh điện

Việc chế tạo các vi bơm hoạt động theo cơ chế tĩnh điện trên chip điện tử thường được coi là dễ dàng, nhưng bộ truyền động tĩnh điện thường có biên

Trang 30

độ hành trình nhỏ và có thể dễ dàng kiểm soát bằng điện áp đặt vào điện cực Ưu điểm chính của vi bơm tĩnh điện là tiêu thụ điện năng thấp và đáp ứng

nhanh

Vi bơm tĩnh điện đầu tiên được chế tạo bởi Judy và các cộng sự sử dụng công nghệ vi gia công bề mặt [33] Nó bao gồm một van chủ động một chiều, buồng bơm và một van ở đầu ra Các kết quả thí nghiệm đầu tiên của vi bơm tĩnh điện đã được nghiên cứu bởi Zengerle và các cộng sự [34] Trong nghiên cứu đó, tốc độ dòng chảy của vi bơm là 70μL/phút và áp suất ngược 2,5 kPa được quan sát ở mức điện áp 170V với tần số 25 Hz Cabuz và cộng sự đã giới thiệu vi bơm tĩnh điện màng kép sử dụng kỹ thuật ép phun [35] Vi bơm có khả năng bơm hai chiều nhưng chỉ được sử dụng cho chất khí Vi bơm có tốc độ dòng chảy 30μL/phút tại giá trị điện áp 160V ứng với tần số 30Hz và công suất tiêu thụ 8mW Machauf và cộng sự đã nghiên cứu vi bơm có màng bơm chuyển động nhờ lực tĩnh điện thông qua chính chất lỏng được bơm [36] Ý tưởng này dựa trên khả năng chất lỏng bơm được phép áp điện thế cao Tuy nhiên, thiết kế vi bơm này chỉ phù hợp với các chất lỏng ít dẫn điện Vi bơm có lưu lượng dòng chảy 1μL/phút ứng với điện áp tĩnh điện 50V đã được Lee và cộng sự chế tạo và thử nghiệm [37] Vi bơm khí tĩnh điện nhu động sử dụng cộng hưởng chất lỏng cho tốc độ dòng chảy cao và cấu hình nhu động nhiều tầng Bộ vi bơm có áp suất dao động từ 7,3 kPa đến 3,3 kPa và tốc độ dòng chảy từ 0,29 sccm đến 0,07 sccm trong khoảng thời gian dao động từ 0,05 chu kỳ và 0,35 chu kỳ mở van Lil và cộng sự đã đề xuất mô hình vi bơm có màng bơm với bộ truyền động tĩnh điện và sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng vi bơm này [38] Kết quả tính toán cho thấy với màng bơm tĩnh điện sử dụng vật liệu

Trang 31

silic thì tần số cộng hưởng là 635 Hz Khi sử dụng phần mềm FEM (Finite Element Method) thì giá trị này là 680 Hz

1.1.2.2 Vi bơm áp điện (Piezoelectric Micropumps)

Sự chuyển đổi biến dạng cơ học thành tín hiệu điện và ngược lại được gọi là hiệu ứng áp điện Cấu trúc tinh thể của vật liệu có tính chất áp điện thường không có tâm đối xứng Vì vậy, khi có một ứng suất tác dụng lên các vật liệu sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa nguyên tử điện tích dương và nguyên tử điện tích âm, dẫn đến sự phân cực điện trên bề mặt và sinh ra một điện trường ứng với hiệu điện thế được tạo ra trong các vật liệu đó

Hình 1.7 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm áp điện

Các vi bơm sử dụng cơ chế áp điện được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực phân phối thuốc và các ứng dụng y sinh khác Ưu điểm chính của vi bơm sử dụng bộ truyền động áp điện bao gồm lực truyền động lớn, đáp ứng nhanh, cấu trúc đơn giản và khả năng cách điện với môi trường bơm nhờ các lớp phủ ngăn cách lên màng PZT Tuy nhiên, việc chế tạo các vật liệu áp điện như vậy trên một con chip (Lab on a Chip) sẽ rất phức tạp Một nhược điểm khác nữa là điện áp điều khiển tương đối cao nhưng áp lực sinh ra nhỏ [39]

Vi bơm áp điện đầu tiên được chế tạo bằng công nghệ vi chế tạo bởi Van Lintel [40] Vi bơm bao gồm một buồng bơm, van một chiều silic (Si) thụ động

Trang 32

và một màng thủy tinh mỏng được kích hoạt bởi đĩa piezo Vi bơm có tốc độ dòng chảy tối đa 8μL/phút và áp suất bơm là 9,8 kPa đo được ở điện áp 125V với tần số 1Hz Esashi và cộng sự chế tạo thành công vi bơm áp điện ba lớp với tốc độ dòng chảy là 15μL/phút và áp suất bơm là 6,4 kPa ở điện áp 90V với tần số 30Hz [41] Koch và cộng sự đã thiết kế một vi bơm áp điện dựa trên việc in lụa vật liệu PZT (Lead Zirconated Titanate) trên màng Si [42] Tốc độ dòng chảy của vi bơm là 120μL/phút và áp suất ngược là 2 kPa tại giá trị điện áp 600V với tần số 200Hz Schabmueller và cộng sự chế tạo vi bơm áp điện có tốc độ dòng chảy là 1500μL/phút và áp suất ngược 1 kPa khi sử dụng dung dịch bơm là ethanol [43] Feng và Kim đã nghiên cứu vi bơm áp điện bao gồm các van parylene một chiều [44] Kết quả cho thấy, tốc độ dòng chảy của vi bơm là 3,2 μL/phút và áp suất ngược 0,2 kPa được quan sát ở mức điện áp 80V và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn 3mW Geipel và cộng sự đã nghiên cứu thiết kế một kiểu vi bơm mới có tốc độ dòng chảy độc lập với áp suất dòng chảy ngược [45] Tính độc lập của áp suất ngược được báo cáo lên đến 20 kPa ở tần số thấp Vi bơm có thể đạt lưu lượng 50nL/phút Trenkle và cộng sự nghiên cứu một vi bơm có vi mô nhu động được kích hoạt bằng phần tử áp điện [46] Tốc độ dòng chảy 40μL/phút thu được ở tần số 28,6 Hz khi sử dụng nước Tốc độ dòng chảy được quan sát là độc lập với áp suất ngược lên đến 7 kPa, với áp suất ngược tối đa là 45 kPa ở 140V Johari và cộng sự đã nghiên cứu việc chế tạo một vi bơm áp điện sử dụng màng bơm bằng silic dùng cho hệ thống phân phối thuốc [47] Việc phân tích đặc tính chất lỏng được thực hiện bằng chương trình mô phỏng CoventorWare Bơm được mô phỏng và làm việc ở điện áp chỉ 10V Wang và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự bất đối xứng của dòng chảy dọc lên khả năng bơm bằng cách sử dụng một hệ thống bơm đơn giản bao gồm một bộ

Trang 33

rung áp điện được đặt trong một kênh [48] Liu và cộng sự đã đề xuất một bộ vi bơm áp điện hiệu suất cao dùng một lần với bốn ngăn được kết nối nối tiếp dùng cho hệ thống trị liệu insulin vòng kín [49] Kết quả cho thấy độ phân giải dòng ra của vi bơm đạt được là 6,23 × 10−5 mL/xung Áp suất ngược tối đa 22 kPa ở điện áp đặt là 36 Vpp và tần số 200Hz Với mục tiêu nhằm giảm điện áp điều khiển màng bơm PZT, Cazorla và cộng sự đã nghiên cứu và sử dụng một loại gốm áp điện màng mỏng với chiều dày chỉ 1,5µm, theo đó điện áp điều khiển màng bơm giảm xuống thấp ở giá trị 24V [50] Tuy nhiên, lưu lượng bơm đạt được ở điện áp này cũng khá thấp, ở mức 3,5µl/phút H.K Ma và các cộng sự đã nghiên cứu và chế tạo một vi bơm sử dụng màng bơm PZT, trong đó, buồng bơm được thiết kế với các cấu trúc dẫn hướng chất lỏng nhằm cải thiện hiệu suất bơm [51] Bơm có khả năng tự mồi và tốc độ dòng chảy cao đạt được ở dải tần số thấp Lưu lượng lớn nhất đạt được là 196mL/phút khi chất lỏng bơm là nước tại tần số 25Hz và điện áp 140V Zang và cộng sự đã chế tạo vi bơm với cấu trúc hai màng bơm PZT [52] Tác giả sử dụng loại màng bơm có đường kính 35mm với hai phần gốm áp điện khác nhau, một phần để tạo dao động và phần còn lại để lấy tín hiệu điện áp phản hồi khi màng bơm dao động Kết quả nghiên cứu cho thấy tín hiệu điện áp phản hồi có biên độ tỉ lệ với lưu lượng của bơm Khi tốc độ dòng chảy đạt đến giá trị lớn nhất là 45,98mL/phút ở tần số 15Hz, điện áp phản hồi của màng PZT đầu ra và đầu vào cũng đạt giá trị lớn nhất tương ứng là 6,80 Vpp và 19,4 Vpp

1.1.2.3 Vi bơm nhiệt khí nén (Thermo-pneumatic Micropumps)

Trong loại vi bơm nhiệt khí nén, bộ truyền động hoạt động dựa trên sự giãn nở nhiệt của không khí Một khoang chứa đầy không khí được định kỳ và luân phiên nén và giãn bởi một cặp mô đun gia nhiệt và làm mát Sự thay đổi

Trang 34

thể tích của buồng bơm theo chu kì tạo cho màng bơm một động lượng đều đặn để tạo ra dòng chảy của chất lỏng Sự gia tăng áp suất trong chất lỏng được thể hiện thông qua phương trình sau [53]:

Hình 1.8 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm nhiệt khí nén

Van De Pol và cộng sự đã đề xuất vi bơm khí nén đầu tiên dựa trên công nghệ vi chế tạo [54] Vi bơm có tốc độ dòng chảy 34 μL/phút được quan sát ở điện áp đặt vào 6 V với nhiệt độ khoảng 30˚C Jeong và Yang đã nghiên cứu về một vi bơm khí nén với màng bơm gấp nếp [55] Tốc độ dòng chảy của bơm là 14 μL/phút tại giá trị điện áp đặt vào 8V ứng với tần số 4Hz Cooney và Towe đã đề xuất một bộ vi bơm khí nén bao gồm bộ gia nhiệt màng mỏng, bộ điều chỉnh dòng chảy và hai buồng chứa [56] Tốc độ dòng chảy tối đa 1,4μL/phút được quan sát với công suất tiêu thụ điện trung bình là 200mW Kim và cộng sự đề xuất một vi bơm khí nén với lớp thủy tinh, bộ gia nhiệt indium oxit thiếc, buồng bơm, màng và khoang chứa làm bằng vật liệu PDMS

Trang 35

[57] Vi bơm có tốc độ dòng chảy 0,078 μL/phút đạt được ở điện áp đặt vào là 55V với tần số 6Hz Jeong và Konishi đã chế tạo vi bơm có bộ vi mô nhu động bao gồm ba thiết bị truyền động nhiệt khí nén xếp tầng và kênh vi lỏng kết nối hai kênh vào/ra [58] Tốc độ dòng chảy 73,9μL/phút khi sử dụng nước khử ion ở áp suất ngược bằng không

1.1.2.4 Vi bơm điện từ (Electromagnetic Micropumps)

Vi bơm điện từ sử dụng nam châm điện là một loại nam châm hoạt động dựa trên sự kết hợp của điện trường và từ trường Khi dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ sinh ra từ trường và ngược lại khi từ trường biến thiên sẽ sinh ra dòng điện trong cuộn dây Cường độ từ trường của nam châm điện có thể dễ dàng thay đổi bằng cách thay đổi cường độ dòng điện chạy qua các cuộn dây

Hình 1.9 mô tả cấu tạo của một vi bơm điện từ Vi bơm có màng bơm được gắn với một nam châm, cuộn dây được cấp dòng điện thay đổi tạo ra lực điện từ tác động lên nam châm gắn màng bơm Màng bơm được kéo giãn bằng lực từ và tạo ra sự chênh lệch áp suất trong buồng bơm, từ đó đẩy dung dịch ra ngoài Vi bơm điện từ có nhược điểm là tiêu thụ năng lượng cao và sinh nhiệt lớn, đồng thời khó khăn trong việc thu nhỏ, do kích thước của cuộn dây điện từ [59]

Hình 1.9 Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện từ

Trang 36

Vi bơm điện từ đầu tiên sử dụng màng từ tính Ni80Fe20 dày 7μm được mạ điện trên màng Si dày 17μm do Zheng và Ahn đề xuất [60] Vi bơm có tốc độ bơm lớn nhất 20μL/phút ở điện áp đặt vào 3V ứng với tần số 5Hz và dòng điện chạy trong cuộn dây cảm ứng 300mA Bohm và cộng sự thiết kế một vi bơm điện từ bao gồm hai van gấp lại với một màng mỏng ở trung tâm, đầu vào/đầu ra ở dưới và màng bơm ở trên cùng [61] Tốc độ dòng chảy tối đa là 40000 μL/phút đối với không khí và 2100 μL/phút đối với dung dịch bơm là nước đã được quan sát, với mức tiêu thụ điện là 0,5 W Một vi bơm điện từ bốn lớp được thiết kế và các đặc tính tĩnh/động của nó đã được nghiên cứu bởi Gong và cộng sự [62] Trong nghiên cứu đó, tác giả sử dụng công cụ FEM để phân tích độ võng của màng bơm bởi các lực tác động của từ trường khác nhau Tốc độ dòng chảy tối đa 70 μL/phút được quan sát ở tần số 125Hz Yamahata và cộng sự đã nghiên cứu một vi bơm được chế tạo bằng vật liệu PMMA (Polymethyl-methacrylate) với màng bơm điện từ [63] Tốc độ dòng chảy tối đa 400μL/phút và áp suất ngược 1,2 kPa được quan sát ở tần số cộng hưởng 12Hz và 200Hz Su và cộng sự đã công bố việc chế tạo vi bơm điện từ không có van với hai màng chắn linh hoạt song song [64] Tốc độ dòng chảy lớn nhất là 6μL/s và độ dịch chuyển 0,30 mm được quan sát ở tần số 100 Hz với dòng điện cảm ứng 0,3A Balaji và cộng sự đã nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một vi bơm phẳng có độ dày cỡ mm [65] Tốc độ dòng tối đa 15μL/phút được quan sát ở điện áp đặt vào 2,5 V với tần số 68Hz và dòng điện 19mA Yu-Feng và cộng sự đã nghiên cứu một vi bơm không van thụ động song song với màng bơm và cuộn dây điện từ [66] Tốc độ dòng lớn nhất là 6μL/s và độ dịch chuyển của màng bơm là 30 μm được quan sát ở tần số 100Hz với dòng điện 0,3A Halhouli và cộng sự đã nghiên cứu thiết kế một vi bơm điện từ mới dựa trên

Trang 37

chuyển động quay của hai nam châm cứng được giữ trong kênh, có cực tính đối lập nhau [67] Tốc độ dòng chảy tối đa của vi bơm là 13,7 mL/phút ở 200 vòng/phút và áp suất 785 Pa ở 136 vòng/phút đã được ghi nhận

1.1.2.5 Vi bơm nhu động

Vi bơm nhu động hoạt động dựa trên sự biến dạng liên tiếp của các màng bơm để tạo dòng chảy Các màng bơm được khởi động theo trình tự bởi tác động từ bên trong hoặc bên ngoài bơm Hướng của dòng chảy được xác định bởi thứ tự khởi động của các màng bơm Hình 1.10 mô tả vi bơm nhu động với 3 buồng bơm, các van sẽ được đóng mở theo thứ tự như hình vẽ bởi lực từ bên ngoài như trục cam hoặc khí nén Sự đóng mở các van theo một trình tự cụ thể sẽ tạo dòng chảy ở đầu ra và hút chất lỏng ở phía đầu vào

Hình 1.10 Mô hình vi bơm nhu động với 3 buồng nối tiếp

Uvarov và cộng sự đã nghiên cứu và chế tạo một vi bơm nhu động với 3 buồng bơm có đường kính 500 µm và được nối với nhau bởi kênh vi lỏng có đường kính 50 µm [68] Khoảng cách giữa các buồng bơm là 500 µm Màng bơm được điều khiển bởi việc giãn nở từ quá trình hình thành các bong bóng hydro và oxy trong buồng bơm Các bong bóng này được tạo ra bằng cách đặt một chuỗi các xung điện áp ngắn xoay chiều vào các điện cực bên trong buồng bơm Vi bơm được chế tạo bằng công nghệ phòng sạch tiêu chuẩn dựa trên vật liệu thủy tinh và silic Tốc độ dòng chảy của bơm đo được là 1,5 µL/phút, độ

Trang 38

chính xác về liều lượng có thể đạt được là 0,25 nL Với độ chính xác đạt được như vậy, vi bơm có thể được ứng dụng trong các thiết bị phân phối thuốc cầm tay Tuo Ma và cộng sự đã phát triển một vi bơm nhu động để ứng dụng trong các chip vi lỏng [69] Bơm sử dụng bộ phận chuyển động là ba cơ cấu áp điện tách biệt được đặt lên một kênh vi lỏng có khả năng giãn, nén đàn hồi Dưới tác động của 3 cơ cấu áp điện đặt bên ngoài, kênh vi lỏng sẽ bị nén và đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu giống như một màng bơm Với thiết kế plug-and-play, vi bơm cho phép sử dụng để bơm nhiều loại chất lỏng khác nhau chỉ đơn giản bằng việc thay thế các kênh vi lỏng và giữ nguyên cơ cấu chuyển động áp điện và điều khiển Điều này phù hợp để áp dụng vào việc phát triển các chip vi lỏng sử dụng lại nhiều lần Kết quả thử nghiệm cho thấy vi bơm có thể bơm chất lỏng với độ phân giải cao, ở mức 8,4 nL/S, tốc độ bơm tối đa có thể đạt được là 102 nL/s, áp suất ngược lên đến 2 Kpa Pecar và cộng sự giới thiệu một vi bơm nhu động với một cơ cấu truyền động áp điện duy nhất Đầu ra của vi bơm được kết nối với buồng bơm qua một vi kênh [70] Bốn nguyên mẫu đã được chế tạo và kết quả thử nghiệm cho thấy lưu lượng của vi bơm đạt được 0,24 mL/phút và áp suất ngược là 36 kPa tại điện áp 230 V

1.1.3 Phần từ vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van

Một vi bơm lý tưởng sẽ chỉ cho phép dòng chảy đi theo một hướng từ nguồn chất lỏng đến đích Tuy nhiên, trong thực tế, vi bơm thường có dòng chảy ngược không mong muốn Để dòng chảy bên trong vi bơm là đơn hướng, vi bơm phải sử dụng cơ chế điều chỉnh dòng chảy Hai chiến lược chung thường gặp là sử dụng vi van hoặc sử dụng phần tử chỉnh lưu chất lỏng thụ động

Vai trò của vi van trong vi bơm là cho phép dòng chảy theo hướng thuận và ức chế hoặc giảm thiểu dòng chảy theo hướng ngược lại Điều này được gọi là các “đặc tính diode” của vi van Hình thức đơn giản nhất của vi van là van

Trang 39

một chiều Nó sử dụng một cái nắp linh hoạt, được làm từ vật liệu màng mỏng, hoặc PDMS Hình 1.11 mô tả hoạt động của bơm có sử dụng hai van một chiều Ở chu kỳ hút, khi thể tích buồng bơm tăng lên, áp suất buồng bơm giảm, dòng chảy từ đầu vào sẽ tác động lên nắp van làm van số 1 mở Tuy nhiên, cũng do sự giảm áp suất trong buồng bơm này mà nắp van 2 bị đóng lại, kết quả là một thể tích chất lỏng được đẩy vào trong buồng bơm (Hình 1.11.a) Ngược lại, ở chu kỳ đẩy, áp suất trong buồng bơm tăng sẽ làm van 1 đóng, van 2 mở để đẩy chất lỏng từ buồng bơm đi ra theo chiều mong muốn (Hình 1.11.b)

Hình 1.11 Mô hình vi bơm pít tông sử dụng van một chiều

Mặc dù các vi van này có hiệu suất cao trong việc điều hướng dòng chảy và mang lại khả năng kiểm soát lớn hơn, nhưng chúng có nhiều nhược điểm làm cho khó kết hợp với vi bơm Việc tích hợp vi van này vào vi bơm vẫn là thách thức trong quá trình chế tạo và thu nhỏ vi bơm Các vi bơm với vi van thường có cấu trúc phức tạp Điều này sẽ làm tăng chi phí và nguy cơ thất bại trong chế tạo Hoạt động của các vi van này có sự chuyển động của các bộ phận biến dạng Do vi van bị biến dạng với tần suất cao khi bơm hoạt động, đặc biệt

Trang 40

là van một chiều, các bộ phận này có thể bị bào mòn theo thời gian, bị vỡ hoặc không thể trở lại trạng thái bình thường ban đầu Trong nhiều ứng dụng y sinh, vi bơm thường được dùng để vận chuyển tế bào, phân tử và các loại hạt khác có các tính chất dễ bị thay đổi hoặc hư hại bởi các tác động cơ học và vi bơm với vi van thường không phù hợp cho ứng dụng y sinh như vậy [71]

Từ những nhược điểm phân tích ở trên, một giải pháp để kiểm soát hướng của dòng chảy dựa vào các cấu trúc hình học cố định đã được sử dụng Cấu trúc hình học cố định này đôi khi được gọi là van không di chuyển (No Moving Part Valve- NMPV) Khi chúng được kết hợp với vi bơm, các vi bơm này được gọi là vi bơm không van vì chúng không sử dụng van để điều chỉnh lưu lượng Vi bơm không van là một lựa chọn tốt hơn khi sử dụng trong y sinh Các van NMPV tạo ra sức cản đối với dòng chảy theo hướng không mong muốn lớn hơn là theo hướng mong muốn Chúng tạo ra một dòng chảy theo hướng thuận mà không có cơ cấu hay bộ phận chuyển động Một ví dụ đáng chú ý của van NMPV là phần tử vòi phun/khuếch tán như mô tả trong Hình 1.12

Hình 1.12 Thiết kế chung của phần tử vòi phun/khuếch tán

Sau khi được giới thiệu vào năm 1993 bởi E Stemme, phần tử vòi phun/khuếch tán đã nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu