Micropompa peristaltica che utilizza gel di cloruro di polivinile con superficie microdisegnata

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22608 (2022) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta una pompa che utilizza gel di cloruro di polivinile (PVC). I gel in PVC sono conformi, hanno una struttura semplice e mostrano grandi deformazioni a tensioni comprese tra 100 e 1000 V, che li rendono adatti per micropompe. In questo studio, per la fabbricazione di una pompa è stato utilizzato un foglio di gel di PVC con un disegno superficiale che migliora la deformazione attiva nella direzione dello spessore. A tal fine, il foglio di gel di PVC è stato inserito tra tre serie di elettrodi anodici e catodici, dopodiché sono state applicate in sequenza tensioni a questi elettrodi per generare una deformazione peristaltica del foglio di gel, spingendo così il liquido e creando un flusso unidirezionale. Varie pompe sono state fabbricate utilizzando fogli di gel di PVC con diversi modelli di superficie e le pompe sono state caratterizzate. Le pompe presentavano una dimensione esterna di 35 mm x 25 mm con uno spessore di 4 mm, corrispondente ad un volume totale di 3,5 x 103 mm3. I risultati hanno rivelato che la pompa fabbricata utilizzando un foglio di gel a forma piramidale alto 174 μm ha generato una portata di 224,1 µL/min con una tensione applicata di 800 V e una frequenza di pilotaggio di 3 Hz. Questo valore osservato è paragonabile o migliore di quello delle pompe esistenti basate su materiali intelligenti.

Le pompe sono l'elemento fondamentale dei sistemi azionati da fluidi, che vengono impiegati in un'ampia gamma di applicazioni nei campi medico, biologico, chimico e robotico. Negli ultimi decenni, l’uso di materiali intelligenti, ovvero materiali in grado di deformarsi in risposta a stimoli esterni, è stato ampiamente studiato come metodo per costruire pompe. Ciò potrebbe essere attribuito principalmente alla loro struttura più semplice rispetto alle pompe convenzionali, che le rende scalabili in termini di dimensioni1,2,3,4. Di conseguenza, sono state sviluppate varie pompe basate su materiali intelligenti. Questi materiali intelligenti includono leghe a memoria di forma (SMA)5,6,7, ceramiche piezoelettriche (PZT)8,9, elastomeri dielettrici (DE)10,11,12,13, fluoruro di polivinilidene (PVDF)14, compositi metallici polimerici ionici ( IPMC)15,16,17,18 e polimeri conduttivi (CP)19.

Essendo un materiale intelligente, il gel di polivinilcloruro (PVC) presenta caratteristiche promettenti per le pompe. I gel di PVC vengono normalmente sintetizzati miscelando resine di PVC e plastificanti liquidi (ad esempio, dibutil adipato) e hanno tipicamente una forma simile a un foglio20,21,22. Quando un foglio di gel di PVC viene inserito tra due elettrodi e tra loro viene applicata una differenza di potenziale, il gel viene attratto e deformato verso l'elettrodo positivo. Questa deformazione è il risultato dell'iniezione di carica dal lato negativo seguita dalla migrazione del plastificante verso il lato positivo21,22,23. I gel di PVC sono morbidi, hanno una struttura semplice e presentano grandi deformazioni (ad esempio, deformazione di contrazione del 12%) e stress (ad esempio, 5,26 kPa24) a tensioni comprese tra 100 e 1000 V21,23. Si ritiene che la corrente di dispersione tra gli elettrodi sia pari a diverse decine di nanoampere per millimetro quadrato22. Grazie a queste caratteristiche, i gel di PVC sono stati applicati in vari dispositivi22, tra cui un modulo muscolare artificiale24, una pinza25 e un dispositivo di assistenza umana26. Sebbene i gel di PVC siano stati applicati in vari dispositivi, per quanto ne sappiamo, non esistono studi sull’uso dei gel di PVC per la fabbricazione di pompe.

In questo studio, sviluppiamo pompe per gel in PVC per studiare l'efficacia dei gel in PVC nei dispositivi di pompaggio. La pompa sviluppata era in grado di generare un flusso continuo di liquido attraverso la deformazione peristaltica del foglio di gel in PVC. La deformazione peristaltica del foglio è stata ottenuta applicando una tensione a più elettrodi nella struttura. La superficie del foglio di gel in PVC utilizzato in questo studio presentava un micromodello, che dovrebbe consentire il movimento efficiente del liquido. Sono stati fabbricati e implementati nella pompa vari fogli di gel di PVC con diversi micromodelli e sono state caratterizzate le loro prestazioni in termini di portata in funzione della frequenza di azionamento del ciclo peristaltico a una tensione fissa.