Desenvolvimento de sistemas de bombeamento microfluídicos de fluxo bidirecional : prova de conceito

Abstract

Resumo: A microfluidica desenvolveu-se nas ultimas decadas tendo como uma de suas principais aplicacoes os dispositivos tipo \Lab-on-chip.. O INCT para Diagnosticos em Saude Publica, criado no ano de 2008, iniciou o desenvolvimento de um sistema microfluidico do tipo \Point of Care. para diagnostico rapido de diversas enfermidades. Durante o desenvolvimento desse sistema surgiu a necessidade de dominar e desenvolver tecnicas relacionadas a microfluidica. Nesse contexto o bombeamento de fluidos, que e um dos pontos principais nesse tipo de sistema, foi considerado estrategico e portanto motivou o presente trabalho. Neste trabalho foram desenvolvidos dois modelos de microbombas de deslocamento reciproco empregando valvulas de retencao passivas compostas por esferas. Para a construcao dos dispositivos foi utilizado o Polimetilmetacrilato (PMMA) usinado por ablacao a laser de CO2. Os dispositivos apresentaram uma capacidade de bombeamento de fluido bidirecional, associada a fatores geometricos e posicionais, sendo esse fato inedito na literatura existente. Durante a caracterizacao dos dispositivos foram realizados os testes de pressao maxima, de vazao, assim como os testes necessarios para determinacao de suas curvas caracteristicas. Os parametros avaliados foram: o diametro da camara da esfera (2,1 mm, 2,3 mm e 2,5 mm); o material das esferas utilizadas (isopor, aco, vidro); a tensao e a frequencia, fornecidas ao atuador. A configuracao que apresentou os melhores resultados, no teste de pressao maxima, utilizou uma camara com 2,3 mm de diametro e esferas de vidro apresentando valores maximos de aproximadamente 7200 Pa. Para os resultados dos testes de vazao as esferas de vidro tambem apresentaram os resultados mais satisfatorios, com uma faixa de vazao variando de 0,3 mL/min a 5,8 mL/min. Os valores de tensao de bombeamento utilizados foram de no maximo 30 V em uma faixa de frequencias de 0-70 Hz. Os testes relacionados as curvas caracteristicas da microbomba foram efetuados empregando esferas de vidro e a camara com diametro de 2,3 mm. Os resultados mostraram uma relacao linear entre a vazao fornecida pela microbomba e a pressao externa aplicada na saida da mesma, para valores de tensao abaixo de 10 V. Para tensoes acima de 15 V surge uma nao linearidade que provavelmente esta associada a limitacao do percurso das esferas dentro das camaras. Neste trabalho tambem foram realizadas simulacoes que possibilitaram a obtencao de informacoes complementares a respeito da relacao entre os parametros variaveis da microbomba e o movimento das esferas no interior das camaras (valvulas). Isto tambem permitiu analisar a relacao entre o movimento das esferas e a eficiencia de bombeamento. Com base nos resultados obtidos foi comprovada a capacidade de fornecimento de fluxo bidirecional, assim como potencial da microbomba em questao para aplicacao em sistemas microfluidicos.

Abstract: The development of microfluidics in the last decades has as one of its main drives the development of Lab-on-chip devices. The INCT for Public Health Diagnostics, created in 2008, started the development of a Poit-of-Care microfluidic device aiming the rapid diagnostic of different diseases. During the development of this system it became evident the necessity of mastering both knowledge and techniques associated to microfluidics. Since pumping is one of the main issues in this realm, it became the focus and the motivation of this work. In this work two different models of reciprocating pumps, using sphere check valves, were developed. The fabrication of the devices was performed using (Polymethyl methacrylate) PMMA machined using CO2 laser ablation. The devices presented bidirectional pumping capacity associated to geometric and positional factors, which is not known in the literature. During its characterization the tests included maximum pumping pressure, pumping rate, as well as all the testes necessary to obtain its characteristic curves. The evaluated parameters were: the sphere chamber diameter (2.1 mm, 2.3 mm and 2.5 mm); the sphere material (expanded polystyrene, steel and glass); and both voltage and frequency feeded to the actuator. The highe pressure results were obtained with 2.3 mm chambers and the glass spheres reaching 7200 Pa. The glass spheres also performed better in the pumping rate tests leading to flows from 0.3 ml/min to 5.8 ml/min. The maximum voltage used was 30V within a frequency rage from 0-70 Hz. The characteristic curves of the pumps were also measured using the 2.3 mm chamber and the glass sphere, and showed a linear correlation between the pumping rate and the column height (pressure) for pumping voltages below 10V. Above 15V the curves become non-linear probably due to displacement limitation of the spheres within the chamber. In this work we also developed simulations which allowed the gathering of complementary information on the micropump parameter correlation as well as the movement of the spheres within the chambers. It also allowed correlating the movement of the spheres and the pumping efficiency. Based on the obtained results the bidirectional capability of the pump was confirmd as well as its application potential for microfluidics systems.