Bionische Mikrofluidventile aus Polydimethylsiloxan nach dem Vorbild der Venenklappen

• Bionic polydimethylsiloxane - based microfluidic valves derived from the venous valve principle

Klammer, Ingo; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010, 2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Mikrofluidische Ventile sind ein zentrales Element innerhalb komplexer fluidischer Netzwerke, um die Gas- oder Flüssigkeitsströme zu steuern. Im menschlichen Körper stellen die Venenklappen einfache und effektive Rückschlagventile dar. Die Klappen, die aus zwei bis drei halbmondförmigen Taschen aus Bindegewebe bestehen, steuern den venösen Blutrückstrom zum Herzen. Das Funktionsprinzip der Venenklappen bietet gegenüber den bisher existierenden mikrofluidischen Ventilen den Vorteil, dass Sie einen vollständigen Verschluss gewährleisten und keine externe Peripherie zur Aktivierung benötigen. In dieser Arbeit wurde erstmalig das Prinzip der Venenklappen des menschlichen Blutkreislaufes, als passives Steuerungselement, in pneumatisch aktuierte, duktile Mikrofluidsysteme aus Polydimethylsiloxan (PDMS) umgesetzt. Die mikrofluidischen Ventile wurden nach dem Vorbild der Venenklappen konstruiert, analytisch beschrieben, numerisch simuliert, gefertigt und charakterisiert. Die Herstellung der Ventile erfolgte, mit Hilfe von klassischen softlithographischen Verfahren, aus PDMS. Die Silizium-Formen wurden in planarer Siliziumtechnologie hergestellt. Bisher wurde der Einfluss von basischen Lösungen auf PMDS, wie sie z.B. für biokatalytische Reaktionsführung eingesetzt werden, noch nicht charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine Untersuchung des Polymers hinsichtlich der Änderung der Oberflächenkräfte, der Oberflächenrauheit und der Permeation von Fluiden durchgeführt. Für die numerischen Simulationen wurde die Gültigkeit der Kontinuumstheorie, bezogen auf die betrachteten Abmessungen der mikrofluidischen Ventile, nachgewiesen. Mit Hilfe des Buckinghamschen Pi-Theorems wurde die Ausprägung von volumen- und oberflächengebundenen Effekten durch dimensionslose Kennzahlen dargestellt. Auf der Grundlage dieser Vorarbeiten wurde das Design zur Konstruktion der Ventilstrukturen abgeleitet. Im Gegensatz zu den in der Literatur dargestellten stark gekoppelten, partitionierten Simulationsverfahren für starre Mikroventile wurde in dieser Arbeit erstmalig dieses Verfahren für duktile, bionische Strukturen angewendet. Mit Hilfe der numerischen Simulationen wurden die Diodizität der definierten Ventiltypen, in Abhängigkeit des aufgeprägten Druckes, ermittelt. Schließlich wurde die experimentelle Charakterisierung der Ventile sowohl mit Hilfe von kapazitiven Mikrodrucksensoren, als auch durch fluoreszenzspektroskopische Verfahren durchgeführt. Das fluoreszenzspektroskopische Verfahren wurde dabei erstmalig zur Charakterisierung der Strömungsvorgängen und Diodizitäten von bionischen, mikrofluidischen Ventilen eingesetzt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]