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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-46619
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/4661/


Doll, Alexander

Entwicklung einer Hochleistungsmikropumpe für eine Schließmuskelprothese

Development of a high performance micropump for an artificial sphincter system

Dokument1.pdf (26.837 KB) (md5sum: bc07cd044a20fe0907ab3f8ac0568fa0)

Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit wird eine neuartige medizinische Schließmuskelprothese entwickelt, deren Kernelement eine auf Siliziumtechnologie basierende Mikro-Peristaltikpumpe darstellt. Das hydraulische Prothesensystem besteht aus Kompressions- und Reservoirblähkörpern, die von der Mikropumpe kontrolliert mit Flüssigkeit gefüllt werden. Der Kompressionsdruck wird dabei kontinuierlich von einem Drucksensor überwacht. Die Steuerung des Systems übernimmt eine eigens für die Anwendung entwickelte und miniaturisierte Steuerelektronik. Als Energiequelle dient eine wiederaufladbare Batterie, mit der das System über eine Woche autark betrieben werden kann.
Die Anforderungen des Prothesensystems an die Mikropumpe können in Hinblick auf
Baugröße, Förderrate, Selbstbefüllung, Gasblasentoleranz und erzeugbarem Druck
durch die heute bekannten Pumpen nicht erfüllt werden. Zur Lösung des Problems wird eine Mikro-Peristaltikpumpe mit zwei aktiven Ventilen und einer Pumpmembran entwickelt und entsprechend der vom System gestellten Anforderungen optimiert. Als Aktoren werden Piezomembranaktoren eingesetzt.
Die Piezomembranaktoren werden analytisch und numerisch beschrieben und ihr Bewegungsverhalten anhand breit angelegten experimentellen Testreihen verifiziert. Die fluidische Modellierung der Mikropumpe wird analytisch durch Adaption bekannter Theorien der Rohrhydraulik durchgeführt, numerisch verifiziert und experimentell belegt. Die mechanischen und fluidischen Modelle zeigen dabei gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Werten. Die Eigenschaft der Mikropumpe Gasblasen zu fördern wird diskutiert und entsprechende Konstruktionskriterien abgeleitet.
Mit den mechanischen und fluidischen Modellen wird ein Lumped-Parameter Ansatz zur Systemsimulation der gesamten Mikropumpe durchgeführt. Der Ansatz wird numerisch gelöst und experimentell evaluiert. Mit den gewonnenen Erkenntnissen der Modellierung wird eine verbesserte Mikropumpe mit vier Membranbereichen vorgeschlagen.
Zur Montage der Piezokeramiken wird eine elektrisch leitfähige Klebetechnik entwickelt, mit der eine reproduzierbare Montage der Piezoscheiben auf den dünnen Siliziummembranen möglich wird.
Neben einem stabilen, reproduzierbaren Fertigungsprozess zur Herstellung der Mikropumpen,wird ein eigens für die Mikropumpenfertigung entwickelter Niedertemperaturbondprozess für Siliziumwafer vorgestellt und dessen herausragende Qualität anhand eines internationalen Prozessvergleichs gezeigt.
Die entwickelte Mikropumpe ist selbstansaugend, blasentolerant und zeigt die höchste fluidische Leistungsdichte aller betrachteten bidirektionalen Mikro- und Makropumpen.
Die Mikropumpe wird in das Prothesensystem integriert und in vitro getestet. Die spezifizierten Anforderungen können von dem System erfüllt und übertroffen werden. Die Funktion des Gesamtsystems wird durch eine Erstimplantation der Prothese in ein Minischwein nachgewiesen.


Kurzfassung in Englisch

In this thesis, a novel artificial sphincter muscle system based on a peristaltic silicon micropump is developed. The hydraulic prosthesis consists of compression and reservoir cuffs that can be filled with fluid or emptied by the micropump. The pressure inside the compression cuff is continuously controlled by a pressure sensor. The system is operated by a special miniaturized driver electronics. The energy source is a rechargeable battery that can feed the system for about one week.
Nowadays micropumps can not fullfil the demands of the prosthesis system regarding energy, size, flow rate, self-priming, gas bubble tolerant and achievable backpressure. Therefore, a micro peristaltic micropump with two active valves and a pump membrane is developed and optimized. The membranes are deflected by piezo actuators.
The piezo membrane actuator is theoretically modelled and numerically solved. The results are verified with measurements. The fluidic modelling is based on hydraulic theory.
The ability of the micropump to pump gas bubbles is discussed and design criteria for bubble tolerant designs are given.
The mechanical and fluidic results are the input for a lumped-parameter model of the whole micropump behaviour.
The micropump was integrated in the prosthesis system and was tested in vitro. The specification of the system can be completely fulfilled by the pump.
The system was then implanted into a mini-pig to show the principal function of the prototype.


SWD-Schlagwörter: Mikropumpe , Sphinkter , Prothese , Silicium , Mikromechanik
Freie Schlagwörter (englisch): micropump , sphincter
PACS Klassifikation PACS Categ
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Woias, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.02.2008
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 13.03.2008
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