Microbomba peristáltica utilizando géis de cloreto de polivinila com superfície micropadronizada

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22608 (2022) Citar este artigo

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Este artigo apresenta uma bomba utilizando gel de cloreto de polivinila (PVC). Os géis de PVC são compatíveis, possuem estrutura simples e apresentam grande deformação em tensões na faixa de 100–1000 V, o que os torna adequados para microbombas. Neste estudo, uma folha de gel de PVC com padrão de superfície que aumenta a deformação ativa na direção da espessura foi empregada para a fabricação de uma bomba. Para tanto, a folha de gel de PVC foi imprensada entre três conjuntos de eletrodos anódicos e catódicos, após os quais tensões foram aplicadas sequencialmente a esses eletrodos para gerar uma deformação peristáltica da folha de gel, empurrando assim o líquido e criando um fluxo unidirecional. Várias bombas foram fabricadas utilizando folhas de gel de PVC com diferentes padrões de superfície, e as bombas foram caracterizadas. As bombas apresentavam dimensão de contorno de 35 mm × 25 mm com espessura de 4 mm, correspondendo a um volume total de 3,5 × 103 mm3. Os resultados revelaram que a bomba fabricada usando uma folha de gel com padrão piramidal de 174 μm de altura gerou uma vazão de 224,1 µL/min a uma tensão aplicada de 800 V e uma frequência de acionamento de 3 Hz. Este valor observado é comparável ou melhor que o das bombas existentes baseadas em materiais inteligentes.

As bombas são o elemento fundamental dos sistemas movidos a fluidos, que são empregados em uma ampla gama de aplicações nos campos da medicina, biologia, química e robótica. Nas últimas décadas, o uso de materiais inteligentes, que são materiais que podem se deformar em resposta a estímulos externos, tem sido amplamente investigado como método de construção de bombas. Isto pode ser atribuído principalmente à sua estrutura mais simples em comparação com as bombas convencionais, o que as torna escalonáveis ​​em tamanho1,2,3,4. Assim, foram desenvolvidas várias bombas baseadas em materiais inteligentes. Esses materiais inteligentes incluem ligas com memória de forma (SMA)5,6,7, cerâmicas piezoelétricas (PZT)8,9, elastômeros dielétricos (DE)10,11,12,13, fluoreto de polivinilideno (PVDF)14, compósitos metálicos poliméricos iônicos ( IPMC)15,16,17,18 e polímeros condutores (CP)19.

Como material inteligente, o gel de cloreto de polivinila (PVC) apresenta características promissoras para bombas. Os géis de PVC são normalmente sintetizados pela mistura de resinas de PVC e plastificantes líquidos (por exemplo, adipato de dibutila) e normalmente têm uma forma semelhante a uma folha20,21,22. Quando uma folha de gel de PVC é colocada entre dois eletrodos e uma diferença de potencial é aplicada entre eles, o gel é atraído e deformado em direção ao eletrodo positivo. Essa deformação é resultado da injeção de carga do lado negativo seguida da migração do plastificante para o lado positivo21,22,23. Os géis de PVC são macios, possuem uma estrutura simples e apresentam grandes deformações (por exemplo, 12% de tensão de contração24) e tensões (por exemplo, 5,26 kPa24) em tensões na faixa de 100–1000 V21,23. Diz-se que a corrente de fuga entre os eletrodos é de várias dezenas de nanoamperes por milímetro quadrado22. Devido a essas características, os géis de PVC têm sido aplicados em diversos dispositivos22, incluindo módulo muscular artificial24, pinça25 e dispositivo de assistência humana26. Embora os géis de PVC tenham sido aplicados em diversos dispositivos, até onde sabemos, não existem estudos sobre a utilização de géis de PVC na fabricação de bombas.

Neste estudo, desenvolvemos bombas de gel de PVC para investigar a eficácia dos géis de PVC em dispositivos de bombeamento. A bomba desenvolvida foi capaz de gerar fluxo contínuo de líquido através da deformação peristáltica da folha de gel de PVC. A deformação peristáltica da folha foi conseguida aplicando uma tensão a múltiplos eletrodos na estrutura. A superfície da folha de gel de PVC utilizada neste estudo apresentou micropadrão, o que se espera permitir a movimentação eficiente do líquido. Várias folhas de gel de PVC com diferentes micropadrões foram fabricadas e implementadas na bomba, e foi caracterizado seu desempenho em termos de vazão em função da frequência de acionamento do ciclo peristáltico em tensão fixa.