集成微针的精密输液压电泵设计及实验研究

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压电微泵具备高精度、无电磁辐射、构造原理简便等优点,在生物医学和药物输送领域发挥着重要作用。压电微泵能够集成微针构造出稳定的精密输液系统,从而能够更准确的调节输注的剂量、速度以及目标性。开展相关研究对于压电微泵及微针在生物医疗领域中的进一步发展应用尤为重要,而目前,针对集成压电微泵与微针阵列构成的精密输液系统的研究较少,尤其在国内鲜有报道。因此,本文开展了关于集成微针的精密输液压电泵的理论及实验研究工作,具体研究内容如下:(1)对压电材料进行特性分析,并解析四类压电方程;介绍压电振子基本工作原理和驱动形式,并通过解析法、仿真模拟和试验检测对压电振子的振动特征进行深入对比分析。(2)阐述阀片特点并进行类型选择,从理论上分析轮式阀和悬臂梁阀的过流特性和动力学特性,以及微针的工作特性。了解单向阀的工作过程和作用机制,分析微针刺入皮肤时的关键力学特性。(3)通过理论及仿真软件COMSOL对单腔压电泵整体、阀片及出入口位置附近等流场以及微针结构分别进行流固耦合分析和受力分析,解析各个因素对压电泵输出性能的影响,优化微针的关键尺寸参数,为器件设计提供具体的参数选择。(4)通过实验优化压电微泵的重要尺寸参数;分别对各个零部件加工,装配以获得实验样机;进行性能测试,根据曲线趋势具体分析样机的实际输出性能。(5)实验结果表明,当驱动电压一定时,压电泵的输出流量和压力随着工作频率的增大呈现先增加后减小趋势;当工作频率一定时,压电泵的输出流量和压力均与驱动电压正相关,呈现接近线性关系;当驱动电压与工作频率恒定时,压电泵的输出压力与输出流量成负相关,呈现近似线性关系。在210Vpp,80Hz条件下,压电泵的输出流量和输出压力分别达到4.0ml/min和35.7k Pa;集成微针阵列后的压电泵最小流量分辨率为0.28μl,验证了设计的可行性。
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