Bidirektionale AC-Elektroosmose-Pumpen durch hydrodynamisches Kanalisieren mit 2D- und 3D-Photoresist-abgeleiteten Kohlenstoff-Mikroelektroden

El documento explora el desarrollo de bombas electroosmóticas de CA bidireccionales, que utilizan el proceso de fabricación Carbon-MEMS para crear dos arquitecturas de electrodos: planar asimétrico y micropilares de alta relación de aspecto. La investigación se centra en el mecanismo de inversión de flujo, que aprovecha las propiedades geométricas del microcanal para canalizar los vórtices generados por la electroósmosis. La altura del microcanal está directamente relacionada con el ancho de los electrodos estimulantes y, por lo tanto, con el tamaño de los vórtices que se encierran. Este diseño innovador, junto con la utilización de un modelo de elementos finitos bidimensional que comprende el conjunto de ecuaciones de Poisson-Nernst-Plank-Navier-Stokes, permite emular con precisión la formación de vórtices en la superficie de los electrodos. El estudio se centra en analizar el efecto de la relación de asimetría del electrodo en la velocidad del fluido, comparando tres relaciones de asimetría para ambas arquitecturas, coplanar y de alta relación de aspecto.

El proceso de fabricación Carbon-MEMS se utiliza para construir las bombas electroosmóticas. Se caracteriza el material carbonoso obtenido de este proceso para validar sus propiedades adecuadas para aplicaciones electrocinéticas. La bomba se ensambla mediante la unión de un microcanal de PDMS. Para caracterizar las estructuras de carbono, se utiliza microscopía confocal, microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de dispersión de energía (EDS) para analizar el espesor, la contracción volumétrica y la composición elemental. Además, se utiliza espectroscopia Raman para determinar el contenido de cristalitos de carbono grafítico (sp2) y amorfo (sp3) en los electrodos.

El estudio utiliza un análisis de elementos finitos bidimensional mediante COMSOL Multiphysics para investigar el desarrollo del flujo electroosmótico inducido por carga. Se comparan tres geometrías de electrodos: coplanar asimétrico, onda viajera y 3D o no planar. Los resultados revelan que el diseño coplanar asimétrico ofrece ventajas en términos de complejidad de fabricación y costes. El modelo matemático, basado en las ecuaciones de Poisson-Nernst-Plank-Navier-Stokes, permite simular y analizar la influencia de cada geometría en el rendimiento de bombeo en los microcanales. Se proporcionan los requisitos operativos y los resultados cualitativos sobre el flujo neto de las geometrías de los electrodos descritas.

Las bombas electroosmóticas bidireccionales tienen un gran potencial para aplicaciones en microfluídica, ofreciendo control preciso del flujo y la manipulación de fluidos a nivel microscópico. Este tipo de bombas son especialmente relevantes en la creación de sistemas microfluídicos totalmente integrados y portátiles para diversas aplicaciones, incluyendo:

• Entrega de fármacos
• Análisis clínicos
• Cultivo celular

El documento demuestra que las bombas electroosmóticas bidireccionales pueden generar flujo tanto en la dirección de avance como en la inversa, adaptándose a las necesidades específicas de la aplicación. El proceso de fabricación Carbon-MEMS proporciona un método económico y eficiente para producir estructuras de carbono de alta superficie, lo que facilita la implementación de estas bombas en sistemas microfluídicos avanzados.