Micropompe péristaltique utilisant des gels de chlorure de polyvinyle avec surface à micromotifs

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22608 (2022) Citer cet article

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Cet article présente une pompe utilisant un gel de polychlorure de vinyle (PVC). Les gels de PVC sont conformes, ont une structure simple et présentent une déformation importante à des tensions comprises entre 100 et 1 000 V, ce qui les rend adaptés aux micropompes. Dans cette étude, une feuille de gel PVC présentant un motif de surface améliorant la déformation active dans le sens de l’épaisseur a été utilisée pour la fabrication d’une pompe. À cette fin, la feuille de gel de PVC a été prise en sandwich entre trois ensembles d'électrodes anodiques et cathodiques, après quoi des tensions ont été appliquées séquentiellement à ces électrodes pour générer une déformation péristaltique de la feuille de gel, poussant ainsi le liquide et créant un flux unidirectionnel. Diverses pompes ont été fabriquées à l'aide de feuilles de gel PVC présentant différents motifs de surface, et les pompes ont été caractérisées. Les pompes présentaient une dimension de contour de 35 mm × 25 mm avec une épaisseur de 4 mm, correspondant à un volume total de 3,5 × 103 mm3. Les résultats ont révélé que la pompe fabriquée à l’aide d’une feuille de gel à motif pyramidal de 174 µm de haut générait un débit de 224,1 µL/min à une tension appliquée de 800 V et une fréquence de commande de 3 Hz. Cette valeur observée est comparable, voire meilleure, à celles des pompes existantes basées sur des matériaux intelligents.

Les pompes sont l'élément fondamental des systèmes alimentés par fluides, utilisés dans un large éventail d'applications dans les domaines médical, biologique, chimique et robotique. Au cours des dernières décennies, l’utilisation de matériaux intelligents, capables de se déformer en réponse à des stimuli externes, a été largement étudiée comme méthode de construction de pompes. Cela pourrait être principalement attribué à leur structure plus simple par rapport aux pompes conventionnelles, ce qui les rend évolutives en taille1,2,3,4. En conséquence, diverses pompes basées sur des matériaux intelligents ont été développées. Ces matériaux intelligents comprennent les alliages à mémoire de forme (SMA)5,6,7, les céramiques piézoélectriques (PZT)8,9, les élastomères diélectriques (DE)10,11,12,13, le fluorure de polyvinylidène (PVDF)14, les composites métalliques polymères ioniques ( IPMC)15,16,17,18 et polymères conducteurs (CP)19.

En tant que matériau intelligent, le gel de polychlorure de vinyle (PVC) présente des caractéristiques prometteuses pour les pompes. Les gels de PVC sont normalement synthétisés en mélangeant des résines de PVC et des plastifiants liquides (par exemple, l'adipate de dibutyle), et ils ont généralement une forme en forme de feuille20,21,22. Lorsqu'une feuille de gel PVC est prise en sandwich entre deux électrodes et qu'une différence de potentiel est appliquée entre elles, le gel est attiré et déformé vers l'électrode positive. Cette déformation est le résultat d’une injection de charge du côté négatif suivie de la migration du plastifiant vers le côté positif21,22,23. Les gels de PVC sont mous, ont une structure simple et présentent des déformations importantes (par exemple, une contrainte de contraction de 12 %24) et des contraintes (par exemple, 5,26 kPa24) à des tensions comprises entre 100 et 1 000 V21,23. Le courant de fuite entre les électrodes serait de plusieurs dizaines de nanoampères par millimètre carré22. En raison de ces caractéristiques, les gels PVC ont été appliqués dans divers dispositifs22, notamment un module musculaire artificiel24, une pince25 et un dispositif d'assistance humaine26. Bien que les gels de PVC aient été appliqués dans divers dispositifs, à notre connaissance, il n’existe aucune étude sur l’utilisation des gels de PVC pour la fabrication de pompes.

Dans cette étude, nous développons des pompes à gel PVC pour étudier l’efficacité des gels PVC dans les dispositifs de pompage. La pompe développée était capable de générer un flux continu de liquide via la déformation péristaltique de la feuille de gel PVC. La déformation péristaltique de la feuille a été obtenue en appliquant une tension à plusieurs électrodes de la structure. La surface de la feuille de gel PVC utilisée dans cette étude présentait un micro-motif, qui devrait permettre un mouvement efficace du liquide. Diverses feuilles de gel PVC présentant différents micromotifs ont été fabriquées et mises en œuvre dans la pompe, et leurs performances en termes de débit en fonction de la fréquence d'entraînement du cycle péristaltique à une tension fixe ont été caractérisées.