Abbildung vergrößern  Abb.1: Intelligenter Zahn mit Fernbedienung

Abbildung vergrößern  Abb.2: Flow Sensor (thermotransfer Prinzip)

Abbildung vergrößern  Abb.3: Layout der Heizer und Temperatursensoren

Abbildung vergrößern  Abb.4: µ Dosierspritzenpumpe MDSP3f

Abbildung vergrößern  Abb.5: Vergleichsmessung

Abbildung vergrößern  Abb.6: Sensorsignale für verschiedene Durchflüsse bei einer Temperatur des Mediums von 37 C.

Special: Kleinen Flüssen auf den Zahn gefühlt

Kalibrierung von µl-Flow Sensoren

„Unsere Entwicklung eines intelligenten Mikrosystems zur intraoralen Medikamentenversorgung (Drug Delivery System DDS) von Suchtpatienten und chronisch Kranken stellt einen neuen Gedankenansatz dar,“ sagt Dr. Velten. „Von den verschiedenen Methoden der Medikamentenversorgung wie z. B. intravenös oder rektal stellt die orale Methode die einfachste Methode dar.“ Dabei ist es nur konsequent, die Mängel der oralen Medikamentenversorgung, wie das Nichteinhalten der richtigen Tabletteneinnahme durch den Patienten oder die Vernichtung eines großen Teils der Wirkstoffe durch den Magen-Darm-Trakt und die Leber durch ein intelligentes orales System bei dem die Wirkstoffe direkt durch die Mundschleimhäute dem Blutkreislauf zugeführt werden, zu umgehen. Zumal ein solches System noch den Vorzug hat, dass es bezüglich der Medikamentendosierung individuell auf den Patienten abgestimmt werden kann und ein Auffüllen des Medikamentendepots keinen chirurgischen Eingriff erfordert.

Ein solches DD-System besteht im Wesentlichen aus dem Medikamentenreservoir, dem Füllstandssensor für das Reservoir, einem osmotischen Pumpsystem, einem Steuerventil und einen  µl-Durchflusssensor (Flow Sensor) auf thermischer Basis (Abb. 3).

Wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit der dem Patienten zugeführten Wirkstoffmengen hat der thermische Durchflusssensor. Er muss robust sein und genau messen. Nur ein Messprinzip, das die o. a. Merkmale in Verbindung mit einem hohen Grad an Miniaturisierbarkeit und geringem Energieverbrauch aufweist, kann in den beengten Einbauraum eines Zahnes eingebaut werden.
Am Ende der Entwicklung stand ein Durchflusssensor (Abb. 2) mit einer maximalen Durchflussmenge von 50 µl/h bei einer geforderten Genauigkeit von 5 µl/h. Die mäanderförmigen Strukturen des Heizers haben einen Abstand von 95 µm und die der Temperatursensoren einen Abstand von 67,5 µm. Der freie Kanalquerschnitt weist 15 µm Höhe bei einer Breite von 50 µm auf.

„Bei Fluidförderungen von 1 µl/h –100 µl/h stoßen viele Pumpsysteme an Ihre Grenzen insbesondere dann, wenn die Fluidförderung nahezu pulsationsfrei sein muss“ bemerkte  Dr. Thomas Velten. „Hier leistete uns die Präzisions- µ-Dosierspritzenpumpe MDSP3f (Abb. 4) der Fluidspezialisten der MMT Micro Mechatronic Technologies aus Siegen gute Dienste. Bei Verwendung eines Kolbendurchmessers von 1,457 mm wird eine theoretische Fördergenauigkeit von 0,000.000.136 µl erreicht. Nach Aussagen der MMT Ingenieure wird die hohe Genauigkeit der, Fluidförderung bei gleichzeitiger Pulsationsfreiheit dadurch erreicht, dass alle kraft- und bewegungsleitenden Bauteile auf die zuvor genannten Merkmale optimiert wurden.“

Durch die Auswahl verschiedener Getriebeübersetzungen und Spritzengrößen können mit einer Pumpe bis zu vier Größenordnungen verschiedener Volumenströme abgedeckt werden. Es lassen sich Dosierungen von 80 nl/h –3,5 l/h durch die Pumpen abdecken. Die medienberührenden Teile in der Pumpe bestehen aus Teflon und Edelstahl, bei den Spritzen kommt das Medium nur mit Glas, Teflon oder anderen Perflourelastomeren in Berührung. Durch diese verwendeten Materialien ist die Pumpe für fast alle Fluide geeignet.

Als Kalibrierstrecke wurde die µ-Dosierspritzenpumpe MDSP3f (Bauart 1526) in Reihe mit einem Sensor SGL1430-150 der Fa. Sensirion Schweiz und dem entwickelten Sensor geschaltet. Es wurden Fördermengen von 10, 20, 30 40 und 50 µl/h unter Testbedingungen gepumpt. Um Temperatureinflüsse zu vermeiden fanden alle Messungen in einer Klimakammer unter konstanten Umgebungsbedingungen statt. Abbildung 5 zeigt einen Messzyklus bei 313 °K. Es ist eine gute Korrelation der Messwerte beider Sensoren zu erkennen. Die Sensorgenauigkeit lag wie erwünscht unter 5 %. Dabei wurde eine gute Linearität der Messwerte (Abb. 6) erreicht.

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