Micro pompe et différents types d’actionneurs

Les microsystèmes sont des composants miniaturisés réunissant des fonctions électroniques, mécaniques, optique, chimique, … sur une même puce.

Les technologies microsystèmes conjuguent à la fois les techniques de réalisation de circuits intégrés (microélectronique) des semi conducteurs et des nouvelles techniques de micro usinage permettant de réaliser des systèmes entiers miniatures sur une même puce. Ce type d’intégration permettra non seulement d’améliorer les performances et d’augmenter la sensibilité de ses systèmes mais aussi d’accéder à de nouvelles fonctionnalités et applications.

Etat de l’art de la micro-pompe

Définition:

Une micro pompe est un dispositif gérant l’aspiration et le refoulement à l’échelle micrométrique d’un fluide comme le font les pompes traditionnelles aux échelles supérieures. Les micro pompes sont généralement issues de la recherche en micro fluidique.

Les maladies chroniques font appel aux systèmes implantables miniaturisés. Une de ces méthodes du traitement consiste à utiliser une micro pompe pour injecter les médicaments. Cette micro pompe fait partie principale de ces systèmes d’injection.

Le principe de fonctionnement:

La micro-pompe fonctionne par le biais d’un actionneur électrostatique utilisant deux électrodes. L’une est fixée sur le corps de la micro pompe, l’autre mobile constituant la membrane. Par application d’une tension entre ces deux électrodes, la membrane fléchit et génère la variation du volume dans la chambre du pompage.

Le schéma synoptique:

Le dispositif permet de réguler la glycémie d’un patient diabétique. A fréquence constante, un prélèvement est effectué sur le patient. Ce prélèvement est analysé et converti en grandeur électrique. Cette valeur est ensuite comparée avec une valeur de référence correspondant à une glycémie normale. La différence permet de calculer le volume nécessaire d’insuline à injecter pour ramener la glycémie du patient à la valeur normale et de déterminer le nombre d’unités (volume élémentaire) à injecter et en conséquence, le nombre d’impulsion à appliquer sur les deux électrodes.

A chaque impulsion, la membrane est actionnée provoquant une baisse de pression et permettant l’ouverture de la première micro valve (valve d’admission) et l’admission de l’insuline dans la chambre. Une fois l’actionnement arrêté, la membrane reprend sa position horizontale. Ceci provoque une hausse de pression dans la chambre et permet la fermeture de la première micro valve et l’ouverture de la deuxième (micro valve de refoulement) conduisant à un refoulement de l’insuline.

Plusieurs travaux concernant les micros pompes ont été réalisés et divers articles correspondants publiés [1-12]. Grâce à une interface électronique de contrôle, les micro pompes deviennent de plus en plus flexibles et permettent le transit de fluides à travers des canaux de faibles dimensions. Cette opération est généralement actionnée par une commande extérieure (électrique, électromagnétique ou piézoélectrique). Ces micro pompes couvrent de nombreux domaines d’applications. À l’échelle microscopique, elles peuvent être fabriquées par des MEMS dans le domaine biomédical servant à l’injection de médicaments. Les critères de conception d’une micro pompe implantable sont :
– Les petites dimensions
– La biocompatibilité
– Un déplacement suffisant pour atteindre les débits souhaités et précis
– Une pression de pompage suffisante pour déplacer les médicaments
– Une faible consommation d’énergie
– Un fonctionnement sûr pendant une période prolongée

Grâce aux nombreuses études faites sur les micro pompes basées sur des MEMS, leur taille a été miniaturisée (l’échelle des canaux est de l’ordre des quelques dizaines ou des centaines des micromètres) et le contrôle et la génération des quantités minimes de fluides ont été grandement facilités.

Dans le domaine biomédical, ces micro pompes sont utilisées dans les systèmes d’injection des médicaments à usage unique ou dans les microsystèmes chimiques d’analyse. Elles sont aussi employées dans les systèmes chimiques micro fluidiques et présentent beaucoup d’avantages :

– Réduction d’intervention manuelle
– Réduction des quantités d’échantillons
– Réduction de la consommation de réactifs
– Amélioration de la qualité des expériences
– Réduction du temps d’analyse
– Réduction du coût de nombreux processus standards
– Un fonctionnement sûr pendant une période prolongée.

Dans les systèmes de libération de médicaments, l’emploi de micro pompe offre beaucoup d’avantages pour des patients atteints de maladies chroniques. De plus, grâce à une automatisation du pompage, ces dispositifs permettent de réduire les douleurs et assurent l’injection des médicaments vers la cible avec une grande précision et fiabilité.

La première micro pompe MEMS a été d’abord développée dans les années 1980 (micro pompe de Smith en 1984) [1, 2, 3]. C’était un système péristaltique (c’est un type de micro pompes à déplacements positifs) sur silicium, dont le rôle était de contrôler l’injection de l’insuline pour maintenir le niveau de glycémie constant.