Micropumps for liquid transport inside biomimetic and microfabricated devices

Abstract

The micropump is one of the most important parts of micro Total Analysis Systems. In this thesis, three types of pumps, (syringe pump, capillary pump and diffusion pump) are utilized for microfluidic transport inside biomimetic and microfabricated devices. It’s confirmed that syringe pump can be efficient access in fluidic transport for wide range of microdevices, such as the 3D helical silicone tubing microreactor containing smooth channel surface, the Y-structured microchannel containing grooved-shaped sidewall, and PDMS/Polymer microchips microfabricated from photolithography, qualified for accurate flow rate control, microdroplet formation and multi-phage flow, anticorrosive assay and leakage test, etc. In addition, another two types of self-activated micropumps: the capillary micropump and the diffusion micropump are also applied for liquid transport through different microdevices in this thesis. It’s found here that, the capillary micropump can be efficient approach for self-activated liquid transport inside 2.5D microchip for potential Point of Care applications, while the diffusion micropump can produce much more homogeneous flow than previously reported. The microfluidic transport properties of the diffusion micropump in biomimetic microdevice and 3D helix tubing microdevice is also characterized. Compared with the mainstream of traditional micropumps, I find diffusion micropump displays unique superiority in integrating a lot of advantages altogether, including much smaller size, dramatically simple structure, free of external power consumption, simple fabricating procedure, strong micro fluidic transportation ability, homogeneous flowing velocity over long distance, resistant to adverse external condition like high temperature, easiness of microdevice integration and much lower price.

Die Mikropumpe ist eines der wichtigsten Komponenten eines miniaturisierten totalen Analysensystems. In dieser Arbeit werden drei Arten von Pumpen, Spritzenpumpe, Kapillarität und Diffusionspumpe beschrieben und angewandt für mikrofluidischen Transport in biomimetischen und mikrofabrizierten Strukturen. Es wird gezeigt, dass Spritzenpumpen für verschiedenartige mikrofluidische Chips eingesetzt werden können, zum Beispiel für den 3-dimensionalen verschlungenen Reaktor aus Silikonschlauch, für den Y-förmigen Reaktor mit steilen Seitenwänden, und photolithographischen Mikrochips aus PDMS-Polymer, mit kontrolliertem Durchfluss, für die Formung von Tröpfchen und für Mehrphasen-Fluss, für Antikorrosions-Test und Leck-Test, etc. Ausserdem werden in dieser Dissertation zwei weitere Typen von autonomen Pumpen eingesetzt: die Kapillarität und die Diffusions-Mikropumpe. Es stellte sich heraus, dass Pumpen durch Kapillarkraft in 2.5- dimesnsionalen Mikrochips für zukünftige klinische Anwendungen verwendet werden können, während die Diffusionspumpe einen weit gleichmäßigeren Fluss erzielt als bisher beschrieben. Mikrofluidische Transporteigenschaften der Diffusionspumpe in biomimetischen Strukturen und in 3-dimensionalen verschlungenen Strukturen werden beschrieben. Ich denke, im Vergleich zu den meisten herkömmlichen Mikropumpen zeigt die Diffusionspumpe klare Vorteile, sie ist klein, einfach gebaut, benötigt keine externe Stromversorgung, ist einfach herzustellen, funktioniert einwandfrei über längere Strecken, ist pulsationsfrei, ist unabhängig von äußeren Einflüssen wie hohe Temperatur, kann einfach integriert werden und zu niedrigerem Preis.