Las microbombas son dispositivos que pueden controlar y manipular pequeños volúmenes de fluido. [3] [4] Aunque cualquier tipo de bomba pequeña suele denominarse microbomba, una definición más precisa restringe este término a bombas con dimensiones funcionales en el rango micrométrico. Estas bombas son de especial interés en la investigación microfluídica y han estado disponibles para la integración de productos industriales en los últimos años. Su tamaño general miniaturizado, el costo potencial y la precisión de dosificación mejorada en comparación con las bombas miniatura existentes alimentan el creciente interés por este innovador tipo de bomba.
Tenga en cuenta que el texto a continuación es muy incompleto en términos de proporcionar una buena descripción general de los diferentes tipos de microbombas y aplicaciones, y por lo tanto, consulte buenos artículos de revisión sobre el tema. [3] [5] [6] [7]
Las primeras microbombas verdaderas se informaron a mediados de la década de 1970, [8] pero atrajeron interés recién en la década de 1980, cuando Jan Smits y Harald Van Lintel desarrollaron microbombas MEMS . [9] La mayor parte del trabajo fundamental sobre microbombas MEMS se realizó en la década de 1990. Más recientemente, se han realizado esfuerzos para diseñar microbombas no mecánicas que sean funcionales en ubicaciones remotas debido a su no dependencia de energía externa.
En el mundo de los microfluidos, las leyes físicas cambian de apariencia. [10] Por ejemplo, las fuerzas volumétricas, como el peso o la inercia, suelen volverse insignificantes, mientras que las fuerzas superficiales pueden dominar el comportamiento fluídico, [11] especialmente cuando hay inclusión de gas en los líquidos. Con solo unas pocas excepciones, las microbombas se basan en principios de microactuación, que pueden ampliarse razonablemente solo hasta un tamaño determinado.
Las microbombas se pueden agrupar en dispositivos mecánicos y no mecánicos. [12] Los sistemas mecánicos contienen partes móviles, que generalmente son membranas o aletas de accionamiento y microválvulas . La fuerza impulsora se puede generar utilizando efectos piezoeléctricos , [13] electrostáticos , termoneumáticos, neumáticos o magnéticos . Las bombas no mecánicas funcionan con generación de flujo electrohidrodinámico, electroosmótico , electroquímico [14] o ultrasónico , solo por nombrar algunos de los mecanismos de accionamiento que se estudian actualmente.
Una microbomba de diafragma utiliza el accionamiento repetido de un diafragma para impulsar un fluido. La membrana se coloca sobre una válvula de bomba principal, que está centrada entre las microválvulas de entrada y salida . Cuando la membrana se desvía hacia arriba mediante alguna fuerza impulsora, el fluido es succionado hacia la válvula de entrada y hacia la válvula de bomba principal. Luego, la membrana se baja y expulsa el fluido a través de la válvula de salida. Este proceso se repite para bombear el fluido de forma continua. [6]
La microbomba piezoeléctrica es uno de los tipos más comunes de bombas de diafragma de desplazamiento alternativo. Las microbombas accionadas por piezoeléctrico dependen de la propiedad electromecánica de la cerámica piezoeléctrica para deformarse en respuesta al voltaje aplicado. El disco piezoeléctrico unido a la membrana provoca la deflexión del diafragma impulsada por el campo eléctrico axial externo, expandiendo y contrayendo así la cámara de la microbomba. [15] Esta tensión mecánica da como resultado una variación de presión en la cámara, lo que provoca la entrada y salida del fluido. El caudal está controlado por el límite de polarización del material y el voltaje aplicado al piezoeléctrico. [16] En comparación con otros principios de actuación, la actuación piezoeléctrica permite un gran volumen de carrera, una gran fuerza de actuación y una respuesta mecánica rápida, aunque requiere un voltaje de actuación comparativamente alto y un procedimiento de montaje complejo de la cerámica piezoeléctrica. [9]
La microbomba piezoeléctrica más pequeña, con unas dimensiones de 3,5 x 3,5 x 0,6 mm 3, fue desarrollada por Fraunhofer EMFT [17], la organización de investigación de renombre mundial centrada en las tecnologías MEMS y de microsistemas . La microbomba consta de tres capas de silicio, una de las cuales, como diafragma de bomba, confina la cámara de la bomba desde arriba, mientras que las otras dos representan el chip de válvula central y el chip de válvula inferior. Las aberturas de las válvulas de aleta pasivas en la entrada y la salida están orientadas según la dirección del flujo. El diafragma de la bomba se expande con la aplicación de un voltaje negativo al piezo, creando así una presión negativa para succionar el fluido hacia la cámara de la bomba. Mientras que el voltaje positivo, a la inversa, empuja el diafragma hacia abajo, lo que da como resultado una sobrepresión que abre la válvula de salida y obliga al fluido a salir de la cámara.
Actualmente, la tecnología de microbombas mecánicas utiliza ampliamente procesos de micromaquinado basados en silicio y vidrio para su fabricación. Entre los procesos de microfabricación comunes, se pueden nombrar las siguientes técnicas: fotolitografía, grabado anisotrópico , micromaquinado de superficies y micromaquinado en masa de silicio. [16] El micromaquinado de silicio tiene numerosas ventajas que facilitan la difusión de la tecnología en aplicaciones de alto rendimiento como, por ejemplo, en la administración de fármacos. [9] Por lo tanto, el micromaquinado de silicio permite una alta precisión geométrica y estabilidad a largo plazo, ya que las piezas mecánicamente móviles, por ejemplo, las aletas de las válvulas, no presentan desgaste ni fatiga. Como alternativa al silicio, se pueden utilizar materiales basados en polímeros como PDMS , PMMA, PLLA, etc. debido a su resistencia superior, propiedades estructurales mejoradas, estabilidad y bajo costo. Las microbombas de silicio en Fraunhofer EMFT se fabrican mediante tecnología de micromaquinado de silicio. [18] Tres obleas de silicio monocristalino (orientadas a 100) se estructuran mediante litografía de doble cara y se graban mediante grabado húmedo de silicio (utilizando solución de hidróxido de potasio KOH). La conexión entre las capas de la oblea estructurada se realiza mediante la unión por fusión de silicio. Esta tecnología de unión necesita superficies muy lisas (rugosidad inferior a 0,3 nm) y temperaturas muy altas (hasta 1100 °C) para realizar una unión directa silicio-silicio entre las capas de la oblea. La ausencia de la capa de unión permite definir los parámetros de diseño de la bomba vertical. Además, la capa de unión puede verse afectada por el medio bombeado.
La relación de compresión de la microbomba, como uno de los indicadores críticos de rendimiento, se define como la relación entre el volumen de carrera, es decir, el volumen de fluido desplazado por la membrana de la bomba a lo largo del ciclo de bombeo, y el volumen muerto, es decir, el volumen mínimo de fluido que queda en la cámara de la bomba en modo de bombeo. [15]
La relación de compresión define la tolerancia a las burbujas y la capacidad de contrapresión de las microbombas. Las burbujas de gas dentro de la cámara dificultan el funcionamiento de la microbomba, ya que debido a las propiedades de amortiguación de las burbujas de gas, los picos de presión (∆P) en la cámara de la bomba disminuyen, mientras que debido a las propiedades de la superficie, la presión crítica (∆P crit ) que abre las válvulas pasivas aumenta. [19] La relación de compresión de las microbombas Fraunhofer EMFT alcanza el valor de 1, lo que implica capacidad de autocebado y tolerancia a las burbujas incluso en condiciones de presión de salida desafiantes. Se logra una gran relación de compresión gracias a la técnica patentada especial de montaje piezoeléctrico, cuando se aplica voltaje eléctrico en los electrodos en la parte superior e inferior de la cerámica piezoeléctrica durante el proceso de curado del adhesivo utilizado para el montaje piezoeléctrico. La reducción considerable del volumen muerto resultante de los actuadores predesviados junto con alturas de cámara de bomba fabricadas poco profundas aumenta la relación de compresión.
Una microbomba peristáltica es una microbomba compuesta por al menos tres microválvulas en serie. Estas tres válvulas se abren y se cierran secuencialmente para extraer el fluido desde la entrada hasta la salida en un proceso conocido como peristalsis. [20]
Las válvulas estáticas se definen como válvulas que tienen una geometría fija sin partes móviles. Estas válvulas proporcionan rectificación de flujo mediante la adición de energía (activas) o induciendo el comportamiento de flujo deseado por la inercia del fluido (pasivas). Los dos tipos más comunes de válvulas pasivas de geometría estática son los elementos difusores-boquilla [21] [22] y las válvulas Tesla. Las microbombas que tienen elementos difusores-boquilla como dispositivo de rectificación de flujo se conocen comúnmente como microbombas sin válvulas.
En microfluídica, el bombeo capilar juega un papel importante porque la acción de bombeo no requiere potencia de accionamiento externa. Los capilares de vidrio y los medios porosos, incluido el papel de nitrocelulosa y el papel sintético, [23] se pueden integrar en chips microfluídicos. El bombeo capilar se usa ampliamente en pruebas de flujo lateral. Recientemente, se desarrollaron nuevas bombas capilares, con un caudal de bombeo constante independiente de la viscosidad del líquido y la energía superficial, [24] [25] [26] [27] , que tienen una ventaja significativa sobre la bomba capilar tradicional (cuyo comportamiento de flujo es el comportamiento de Washburn, es decir, el caudal no es constante) porque su rendimiento no depende de la viscosidad de la muestra.
Se han fabricado bombas no mecánicas accionadas químicamente mediante la fijación de nanomotores a superficies, que impulsan el flujo de fluido a través de reacciones químicas. Existe una amplia variedad de sistemas de bombeo, incluidas bombas basadas en enzimas biológicas, [28] [29] [30 ] [31] [32] [33] bombas fotocatalizadoras orgánicas, [34] y bombas catalizadoras metálicas. [31] [35] Estas bombas generan flujo a través de varios mecanismos diferentes, entre ellos la autodifusioforesis, la electroforesis, la propulsión de burbujas y la generación de gradientes de densidad. [29] [32] [36] Además, estas microbombas accionadas químicamente se pueden utilizar como sensores para la detección de agentes tóxicos. [30] [37]
Otra clase de bombeo no mecánico es el bombeo impulsado por luz. [38] [39] Ciertas nanopartículas son capaces de convertir la luz de una fuente de UV en calor, lo que genera un bombeo convectivo. Este tipo de bombeos son posibles con nanopartículas de dióxido de titanio y la velocidad de bombeo se puede controlar tanto por la intensidad de la fuente de luz como por la concentración de partículas. [40]
Las microbombas tienen aplicaciones industriales potenciales, como la administración de pequeñas cantidades de pegamento durante los procesos de fabricación, y aplicaciones biomédicas, incluidos dispositivos portátiles o implantados para la administración de fármacos. Las aplicaciones de inspiración biológica incluyen una microbomba electromagnética flexible que utiliza un elastómero magnetorreológico para reemplazar los vasos linfáticos . [41] Las microbombas impulsadas químicamente también demuestran potencial para aplicaciones en la detección química en términos de detección de agentes de guerra química y peligros ambientales, como el mercurio y el cianuro. [30]
Teniendo en cuenta el estado actual de la contaminación del aire, una de las aplicaciones más prometedoras de las microbombas radica en la mejora de los sensores de gases y partículas para controlar la calidad del aire personal. Gracias a la tecnología de fabricación MEMS, los sensores de gas basados en MOS , NDIR y principios electroquímicos podrían miniaturizarse para adaptarse a dispositivos portátiles, así como a teléfonos inteligentes y dispositivos portátiles. La aplicación de la microbomba piezoeléctrica Fraunhofer EMFT reduce el tiempo de reacción del sensor hasta 2 segundos mediante un muestreo rápido del aire ambiente. [42] Esto se explica por la rápida convección que tiene lugar cuando la microbomba impulsa el aire hacia el sensor, mientras que en ausencia de la microbomba debido a la difusión lenta, la respuesta del sensor se retrasa varios minutos. La alternativa actual a la microbomba, el ventilador, tiene numerosos inconvenientes. Al no poder lograr una presión negativa sustancial, el ventilador no puede superar la caída de presión en el diafragma del filtro. Además, las moléculas y partículas de gas pueden volver a adherirse fácilmente a la superficie del sensor y su carcasa, lo que con el tiempo da como resultado la deriva del sensor.
Además, la microbomba incorporada facilita la regeneración del sensor y, por lo tanto, resuelve los problemas de saturación al expulsar las moléculas de gas de la superficie del sensor. El análisis del aliento es un campo de uso relacionado con el sensor de gas que funciona con microbomba. La microbomba puede mejorar el diagnóstico y el monitoreo remotos de enfermedades del tracto gastrointestinal y pulmonares, diabetes, cáncer, etc. mediante dispositivos portátiles dentro de los programas de telemedicina .
La prometedora aplicación de las microbombas MEMS radica en los sistemas de administración de fármacos para la diabetes, tumores, hormonas, dolor y terapia ocular en forma de parches ultrafinos, administración dirigida dentro de sistemas implantables o píldoras inteligentes . Las microbombas MEMS piezoeléctricas pueden reemplazar las bombas peristálticas o de jeringa tradicionales para la inyección intravenosa , subcutánea , arterial y ocular de fármacos. La aplicación de administración de fármacos no requiere altas tasas de flujo, sin embargo, se supone que las microbombas son precisas en la administración de pequeñas dosis y demuestran un flujo independiente de la contrapresión. [16] Debido a la biocompatibilidad y al tamaño miniatura, la microbomba piezoeléctrica de silicio se puede implantar en el globo ocular para tratar el glaucoma o la tisis . Dado que en estas condiciones el ojo pierde su capacidad de asegurar la salida o producción de humor acuoso, la microbomba implantada desarrollada por Fraunhofer EMFT con una tasa de flujo de 30 μL/s facilita el flujo adecuado del fluido sin restringir ni crear ningún inconveniente para el paciente. [43] Otro problema de salud que se puede solucionar con la microbomba es la incontinencia urinaria . La tecnología del esfínter artificial basada en la microbomba de titanio garantiza la continencia ajustando automáticamente la presión durante la risa o la tos. La uretra se abre y se cierra mediante un manguito lleno de líquido que se regula mediante la microbomba. [44]
La microbomba puede facilitar la creación de escenarios de aromas para aplicaciones de consumo, médicas, de defensa, de primeros auxilios, etc., para mejorar el efecto de los escenarios de imágenes (películas) y de sonido (música) omnipresentes. El dispositivo de microdosificación con varios depósitos de aromas que se montan cerca de la nariz puede liberar 15 impresiones de aromas diferentes en 1 minuto. [18] La ventaja de la microbomba reside en la posibilidad de oler una secuencia de aromas sin que se mezclen diferentes olores. El sistema garantiza una dosis apropiada del aroma que el usuario debe detectar solo en el momento en que se liberan las moléculas de aroma. Son posibles numerosas aplicaciones con la microbomba para la dosificación de aromas: formación de catadores (vino, comida), programas de aprendizaje, psicoterapia, tratamiento de la anosmia , formación de primeros auxilios , etc., para facilitar la inmersión total en el entorno deseado.
En los sistemas analíticos, la microbomba puede utilizarse para aplicaciones de laboratorio en chip, sistemas de cromatografía de gases y HPLC , etc. En estos últimos, se requieren microbombas para garantizar la entrega y el flujo precisos de los gases. Dado que la compresibilidad de los gases es un desafío, la microbomba debe poseer una alta relación de compresión. [16]
Entre otras aplicaciones se pueden nombrar los siguientes campos: sistemas de dosificación de pequeñas cantidades de lubricantes, sistemas de dosificación de combustibles, microneumática, microsistemas hidráulicos y sistemas de dosificación en procesos de producción, manipulación de líquidos (pipetas de cojín, placas de microlitros). [45]
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