Биомедицинские микроактюаторы.

  Микроактюаторы полезно использовать в биомедицине, когда биологическими объектами необходимо управлять на микроскопическом уровне. Кроме того, способность интегрировать много микроактюаторов также просто, как и один, даёт возможность производить сложные микросистемы, способные контролировать много параметров.

Микроманипуляторы.

  Для управления клетками, тканями и другими биологическими объектами, микроманипуляторы должны управляться микроактивационными механизмами, способными работать в проводящем растворе. Наилучшие кандидаты - это магнитная, пневматическая, тепловая и сплавов памяти формы активация. Магнитный микроактюатр, показанный на рис 1, использовался для управления одноклеточным простейшим в солевом растворе. Микроактюатр сплава памяти формы, показанный на рис 2, способен к сшиванию тканей при эндоскопических хирургических процедурах. Устройства второго поколения, выполненные из полимеров, в настоящее время испытываются на людях.

рис 1. Магнитный микроактюатор, управляющий простейшим одноклеточным.	рис 2. Микрозажим, приводящийся в действие силами сплава памяти формы.

Хирургические микроинструменты.

  Способности хируругического взаимодействия большинства микроактюаторов с биологическими тканями препятствует их неспособность выдерживать силы порядка 1 мН. Наиболее успешное использование микроактивации в хирургических инструментах - это применение высокомощных шаговых двигателей и резонансных микроструктур. МЭМС технология может использоваться для увеличения разнообразия возможностей хирургических инструментов (например, микронагреватели, микросенсоры, доставка и извлечение жидкости). Скальпель, управляемый пьезоэлектрическим микроактюатором - это инновационный пример использования МЭМС технологии в хирургических инструментах (рис 3). Пьезоэлектрический шаговый двигатель позволяет точно управлять положением скальпеля. Используя способность измерять напряжение, испытываемое скальпелем во время резания, можно количественно определять и управлять фактической силой резанья. Ультразвуковой режущий инструмент, изготовленный с помощью объёмной микрообработки - это другой хороший пример использования МЭМС технологии для применения в хирургических инструментах. Пьезоэлектрический материал присоединяется к режущему инструменту для резонирования кончика устройства в ультразвуковой частоте. Только когда устройство приведено в действие оно будет быстро и легко резать даже жёсткие ткани (например застывший глазной хрусталик пациента с катарактой). Устройство, показанное на рис 4, включает в себя встроенный микроканал через который можно при резании удалять жидкость и хирургические остатки.

рис 3. Чувствительный скальпель с пьезоэлектрическим управлением силой нажима.	рис 4. Ультразвуковой режущий инструмент, изготовленный по технологии микрообработки.

Микронасосы и микроклапаны, микрофильтры и микроиглы.

  Ясно, что необходимость точного управления потоком газа и жидкости - это критический фактор в диагностических, хирургических и терапевтических биомедицинских системах. Было отдано много сил для создания жизнеспособных надёжных дешёвых высокоточных микроигл, микрофильтров, микроклапанов, микронасосов.

Микроиглы.

  Уменьшение боли, вызванное уколом иглы, важно для борьбы с боязнью этой процедуры пациентом и для его здоровья. Это особенно важно для пациентов страдающих диабетом, которые вводят в себя инсулин по крайней мере один раз в день. Нет никакой неожиданности в том, что самые маленькие иглы теперь предназначены для использования диабетиками (рис 5 - слева). Микрообработка и МЭМС технология использовалась для производства кремниевых микроигл, которые намного более остры, чем существующие иглы (рис 5 - справа).

Микрофильтры.

  Процесс используемый для производства обыкновенных фильтров, способных отбирать объекты микроуровня, неприменим из-за широкого статического разброса размеров объектов, которые могут проходить через фильтр. Микрообработка и МЭМС технология используется для создания фильтров, которые точно и однородно обработаны, и в которых значительно снижен статистический разброс проходящих объектов (рис 6).

рис 5. Слева: самая маленькая обычная игла. Справа: микроизготовленная кремниевая игла. Масштаб обоих изображений одинаков.	рис 6. Сверхточный фильтр, изготовленный по технологии кремниевой микрообработки.

Микроклапаны.

  Было изготовлено несколько различных типов микроклапанов, в том числе и обычные клапаны открытия и закрытия для управления газами или жидкостями. Лидер по коммерциализации микроклапанов это Redwood Microsystem. Они разработали много разных клапанов, но каждый имеет много общих характеристик. Прежде всего одинаков механизм активации, используемый в каждом клапане - небольшое количество инертной жидкости нагревается встроенным резистором до тех пор, пока не будет вызвано фазовое изменение, которое вызовет довольно большую силу (рис 7). Хотя процесс микропроизводства, который точно улавливает жидкость внутри микрораковины, далеко не тривиален, но такие микроклапаны можно коммерциализировать. Эксплуатационные показатели микроклапанов выгодно отличаются от макроскопических соленоидальных клапанов. В частности микроклапаны обычно работают быстрее и имеют более длинный эксплуатационный срок службы, чем клапаны макроуровня. Корпорация TiNi также коммерциализировала датчик давления изготовленный микрообработкой, управляемый материалом, обладающим памятью формы. HP и NovaSensor спроектировали, изготовили и протестировали микроклапан, управляемый линейным тепловым расширением твёрдого материала. Несмотря на хорошие эксплуатационные показатели клапаны HP ещё не коммерциализированы, а клапаны NovaSensor находятся на заключительной стадии реализации. Так как микроклапаны обычно управляются тепловыми актюаторами их расход энергии всё ещё довольно высок (0,1-2,0 Вт). Необходимо проявлять осторожность для предотвращения превышения температуры клапана, допускаемой средствами управления газами и жидкостями.

Микронасосы.

  Для управления микронасосами используются следующие виды микроактивации: электрические, магнитные и пьезоэлектрические. Первый пример это миниатюаризированный насосный механизм, который состоит из микромеханизмов, изготовленных по LIGA технологии, которые приводятся в действие магнитной силой. Он коммерциализирован MEMStek Products. Второй пример - это электростатически управляемый электронасос, полученный соединением множества, изтовленных по технологии объёмной микрообработки, кремниевых подложек вместе. Процесс соединения создаёт насосную полость с деформируемой мембраной и двумя односторонними запорными клапанами. Электроды изготовлены внутри второй изолированной полости, сформированной выше деформируемой насосной мембраны так, чтобы они были изолированы от электродов (рис 8). Для обеспечения хорошего перекачивания жидкости требуется довольно высокое напряжение (более 100 В). При разработке микронасосов для биомедицинских приложений необходимо уделить внимание на то, какие именно вещества будут перекачиваться. Некоторые жидкости, типа инсулина, не могут проходить через агрессивные насосные механизмы без разложения.

рис 7. Микроклапан, разработанный Redwood Microsystems, Inc.	рис 8. Электростатический микронасос с двумя запорными клапанами.

Раздел Биомедицинские актюаторы составлен на основе статьи Jack W. Judy., а также материалов университета штата Юта.[5,10]