Sonderforschungsbereich 516
Konstruktion und Fertigung aktiver Mikrosysteme

Transferprojekt T1

Aufbau eines bistabilen Mikroventils für medizinische Anwendungen

Sachbearbeiter:

Dr.-Ing. M. Leester-Schädel

Dipl.-Ing. A. Balck

Dipl.-Ing. C. Kirsch

Projektpartner:

Lehrstuhl für Mikromechanik, Mikrofluidik, Mikroaktorik Saarbrücken (LMM)

Tricumed GmbH

Die Firma Tricumed Medizintechnik GmbH fertigt seit einigen Jahren implantierbare Infusionspumpen mit einer hochpräzisen Dosiervorrichtung.

Sie besteht aus einem metallischen Grundkörper mit einer Medikamentenkammer in Form eines Faltenbalgs. Über ein Flüssiggasreservoir wird ein konstanter Druck auf die Medikamentenkammer ausgeübt, sodass eine gleichbleibende Medikamentenmenge durch eine Drosselstrecke in den Katheter gelangt. Der Durchfluss wird über die Länge einer Drosselstrecke und den Querschnitt des Drosselkanals eingestellt. Die Medikamentenpumpe, die für eine Lebensdauer von 35 Jahren ausgelegt ist, arbeitet damit ohne zusätzliche externe Energiezufuhr und kann jederzeit vom Arzt durch ein selbstschließendes Septum und mit Hilfe einer speziellen Kanüle wiederbefüllt werden (Abbildung 1).

Ändert sich die gesundheitliche Situation des Patienten stark, ist eine Anpassung der Dosierung nur möglich, indem die Pumpe operativ entnommen und neu konfiguriert wird. Um hier eine deutliche Verbesserung zu erzielen, soll ein Mikroventil entwickelt werden, das den Zugang zur einer zweiten Drosselstrecke öffnet oder sperrt. Damit sollen zunächst zwei verschiedene Durchflussmengen realisiert werden. Später soll das Prinzip erweitert werden, um feiner abgestufte Einstellungen zu ermöglichen.

Zum Halten der beiden Ventilpositionen (offen/geschlossen) kann weder eine ständige Energiezufuhr von außen erfolgen, um die Bewegungsfreiheit des Patienten nicht einzuschränken, noch kann eine entsprechend leistungsstarke Batterie integriert werden. Eine außerordentlich anspruchsvolle Anforderung ist daher, dass das Mikroventil bistabil ist. Gleichzeitig soll der Wechsel der Ventilpositionen technisch einfach – zunächst durch den Arzt – zu aktivieren sein, ohne aber ein ungewolltes Auslösen bei alltäglichen Tätigkeiten zu riskieren. Eine weitere Aufgabe in diesem Transferprojekt besteht darin, eine Möglichkeit zu entwickeln, wie der Stellvorgang technisch einfach durch den Arzt oder später sogar durch den Patienten ausgelöst werden kann. Allerdings darf er nicht ungewollt, z. B. durch heftige Bewegungen, Stöße etc., aktiviert werden. Desgleichen muss ein geeignetes Konzept erarbeitet werden, wie die Aktorelemente mit der notwendigen Energie für die Stellbewegung versorgt werden.

Vorarbeiten im Rahmen des SFB 516

Entwicklung eines linearen Antriebsmechanismus auf der Basis von Forrmgedächtnislegierungen

In Teilprojekt B5 werden Mikrogreifer entworfen und gefertigt, die mit dem thermischen Formgedächtniseffekt pneumatisch oder über thermische Ausdehnung angetrieben werden. Die dort gewonnen Erkenntnisse werden bei der Antriebswahl und –auslegung verwendet werden (Abbildung 2).

Integration von tribologisch optimierten Oberflächen

Da das Ventilsystem mit großer Wahrscheinlichkeit Bauteile enthalten wird, die aufeinander gleiten werden, ist geplant, das Know-How, das in den Teilprojekten C1 und C2 hinsichtlich tribologisch optimierter Oberflächen und Führungsstrukturen erarbeitet wurde und wird, ebenfalls zu übertragen. Dabei sollen sowohl der Verschleiß der Reibflächen als auch die Reibkräfte durch eine entsprechende Oberflächenstrukturierung und/oder eine Beschichtung minimiert werden.

Entwicklung einer Entwurfsumgebung für aktive Mikrosysteme

In Teilprojekt A3 wird eine modulare rechnerunterstützte Entwurfsumgebung für aktive Mikrosysteme entwickelt. Ausgehend von den definierten Anforderungen an ein Mikrosystem bis hin zu den erstellenden Fertigungsunterlagen werden Softwaremodule entwickelt, die in Form eines rechnerbasierten Workflows den Ingenieur im gesamten Entwurfsprozess unterstützen. Hier werden diese Erfahrungen und Kenntnisse genutzt, um die Funktionalität und Realisierbarkeit der Einzellösungen, der Teil- und der Gesamtkonzepte des bistabilen Mikroventils zu simulieren und zu beurteilen.

Weitere Vorarbeiten des IMT

Im Rahmen eines von der DFG geförderten Forschungsprojektes (Entwicklung eines Multiaktorsystems auf der Basis von Formgedächtnislegierungen) wurde ebenfalls ein differentielles Aktorkonzept mit thermischen FGL-Folienelementen entworfen und hergestellt, das im Gegensatz zum Mikrogreifer eine Stellbewegung senkrecht zur Aktorebene generiert.

Vorarbeiten des LMM

Am Lehrstuhl für Mikromechanik, Mikrofluidik/- aktorik bestehen langjährige Erfahrungen bei der Auslegung, Modellierung und Realisierung von Mikrosystemen, wie z.B. Mikrosensoren und Aktoren, sowie bei der Systemintegration der Mikrobauteile. Ferner liegen besondere Kompetenzen in den Bereichen Dünnfilmtechnik sowie bei Zuverlässigkeitsuntersuchungen auf Metallisierungs- und Bauelementebene. Neben der Verwendung von Silizium als gängigen Substratwerkstoff finden auch keramische, metallische und organische Materialien für spezielle Anwendungsgebiete zunehmend Verwendung, wie z.B. in der Hochtemperaturdrucksensorik oder zur strukturkonformen Systemintegration von dünnfilmbasierten Sensorelementen auf flexiblen Substraten.

Auf folgenden Gebieten wurden Vorarbeiten erbracht, die in thematischem Zusammenhang zu diesem Projektantrag stehen:

Auslegung und der Realisierung von Mikroventilen

Eine der ersten Patentschriften zu dieser Art von Bauelementen wurde dem jetzigen Lehrstuhlinhaber zusammen mit Kollegen im Jahre 1986 erteilt. Ferner entwickelte er während seiner Tätigkeit bei MBB im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projektes ein Mikroventil in Silizium. Das Bauelement besteht aus einer auslenkbaren Membran, die einen Ventilsitz verschließen oder freigeben kann, um einen Gasfluss hochpräzise steuern zu können.

Modellierung und Simulation von Bauelementen

Am LMM bestehen ferner umfangreiche Erfahrungen bei der Simulation von mechanischen, thermischen und fluidischen Effekten, wobei realitätsnahe Berechnungen die Abhängigkeit der unterschiedlichen Parameter untereinander mitberücksichtigen. Das Bauelement kann optimiert ausgelegt und mit experimentellen Ergebnissen präzise abgeglichen werden.

Biokompatible Passivierungen

Zur biokompatiblen Passivierung von Oberflächen sind amorphe Siliziumkarbid-Schichten (a-SiC:H), die mit einem plasmaunterstützen CVD-Prozess abgeschieden werden, bestens geeignet. Zudem kann die Langzeitstabilität von mechanisch belasteten Mikrokomponenten, die zudem einer aggressiven Umgebungsatmosphäre ausgesetzt sind, deutlich erhöht werden. Grundsätzlich von Vorteil sind ferner die niedrigen Prozesstemperaturen, die im Bereich 200-300°C liegen, sodass eine thermisch-induzierte Schädigung des Bauteils während des Abscheidevorgangs weitgehend ausgeschlossen werden kann.

Für die Passivierung von thermischen Dünnfilmsensoren werden momentan auch organische Dünnfilme aus Parylen auf ihre Eignung hin untersucht. Neben Biokompatibilität dieses Materials ist zudem die nahezu stressfreie und komplette Beschichtung strukturierter Oberflächen aus der Gasphase von großem Vorteil.

Entwurf des Mikroventils

Anhand der aufgelisteten Anforderungen werden für das Mikroventil zunächst Teillösungen erarbeitet und hinsichtlich ihrer Eignung mit Hilfe von Eigenschaftsgrößen bewertet.

In einem zweiten Schritt werden die Einzellösungen zu einem oder mehreren geeigneten Gesamtkonzepten kombiniert.

Entwurf des Aktorkonzepts

Auf der Basis des Ventilentwurfs können nun auch die tatsächlichen Anforderungen an das Aktorkonzept formuliert werden. Das Aktorkonzept umfasst die eigentlichen Aktorelemente, das Trägerbauteil für die Aktorelemente, das die Stellbewegung und -kräfte überträgt und die elektrische und mechanische Kontaktierung realisiert, und die Schnittstellen zur Umgebung, in diesem Fall zum Ventilkörper in der Medikamentenpumpe.

Die erarbeiteten Teillösungen werden wiederum mit Hilfe einer Nutzwertanalyse bewertet und verglichen. Im Anschluss wird die Integration des Aktorkonzepts in den Ventilkörper bearbeitet.

Entwurf eines geeigneten Konzepts zur Auslösung des Stellvorgangs

Im Rahmen dieses Arbeitspunktes sollen zunächst verschiedene Möglichkeiten untersucht werden, den Stellvorgang des Aktorsystems auszulösen und damit die Medikamentendosierung zu verändern. Dabei ist zu beachten, dass der Stellvorgang nicht unbeabsichtigt, wie z.B. durch körperliche Bewegungen des Patienten oder durch eine umgebungsbedingte Temperaturänderung ausgelöst wird. Alle weiteren Faktoren, die zu einem unbeabsichtigten Auslösen führen können, sind an dieser Stelle umfassend zusammen zu stellen.

Entwurf eines geeigneten Konzepts zur Energieversorgung

Das Aktorsystem benötigt für den Stellvorgang Energie. Eine wichtige Aufgabe in diesem Projekt besteht daher darin, ein Konzept für die Energieversorgung zu entwickeln. Grundsätzlich ist dabei zu diskutieren, ob die Energieversorgung extern, d. h. über eine kurzfristige Verbindung der Medikamentenpumpe mit einer äußeren Spannungsquelle realisiert wird, oder ob die Energieversorgung z.B. in Form einer Batterie in die Pumpe integriert werden kann. Die Lebensdauer, d. h. die Zeit, die die Medikamentenpumpe im Körper verbleibt, sollte dadurch nicht verkürzt werden.

Entwurf, Herstellung und Charakterisierung von ausgewählten Testmustern

Um den Entwurf der Teillösungen und später auch des Gesamt-Ventilsystems zu validieren, werden anwendungsnahe, mikrotechnische Testmuster aus verschiedenen Materialien entworfen, hergestellt und charakterisiert.

Herstellung von Prototypen (IMT, LMM)

Auf der Basis der mit den Testmustern erarbeiteten Prozessfolgen werden in diesem Arbeitspunkt komplette Fertigungsabläufe zusammen- und Prototypen hergestellt. Auch hierbei wird es notwendig sein, Prozessfolgen zu optimieren und das Design von einzelnen Komponenten zu überarbeiten.

Aufbau von Versuchsständen

Während dieses Arbeitspunktes werden unterschiedliche Versuchsstände zur Erprobung und Charakterisierung von Testmustern und Prototypen aufgebaut.

Bewertung der Prototypen unter definierten Laborbedingungen

Mit Hilfe der im vorherigen Arbeitspunkt aufgebauten Versuchsstände werden Prototypen getestet und charakterisiert. Die verwendeten Versuchsstände sind noch nicht dahingehend optimiert, alle späteren Umgebungsbedingungen des Ventils gleichzeitig zu simulieren.

Bewertung der Prototypen unter produktnahen Randbedingungen

Hier werden die Prototypen unter möglichst produktnahen Randbedingungen geprüft und bewertet. Der Fokus liegt auf der Überprüfung der Einsatzfähigkeit in der dafür vorgesehenen Medikamentenpumpe.