Шприцевые насосы нашли применение в технике, биологии и медицине для выполнения задач прецизионного перемещения микрообъемов жидкостей. В медицине шприцевые насосы используются для дозированного введения растворов и препаратов при проведении интенсивной терапии и анестезии [1, 2]. В составе поточных реакторов [3] подобные модули могут использоваться для синтеза коллоидных растворов полупроводниковых [4 –6], металлических [7], магнитных [8, 9] и других наночастиц.
Рыночная стоимость шприцевых насосов лежит в диапазоне 20–200 тыс. рублей [10–12]. Высокая стоимость модулей шприцевых насосов в частности обусловлена входящим в состав устройства микрокомпьютером и дорогостоящими механическими компонентами. В силу современного распространения персональных компьютеров основной программный функционал может быть вынесен за пределы устройства за счет использования микроконтроллера, а большая доля механических компонентов и крепежа может быть изготовлена при помощи 3D-печати [13–15].
В предлагаемой работе описывается макет шприцевого насоса со скоростями потока до десятых долей мкл/сек, выполненный с учетом указанных выше принципов.
Описание макета
Система шприцевого насоса сделана на основе биполярного шагового двигателя и созданной при помощи 3D-принтера и распространенных материалов системы винтовой передачи движения к шприцу, показанной на Рис. 1. В качестве шприцов используются одноразовые инъекционные шприцы различных стандартных объемов: 1 мл, 2,5 мл, 5 мл, 10 мл, 20 мл.
Так как в подобных системах необходимы относительно низкие скорости потока жидкости и равномерность хода ее истекания, а шаговый двигатель стабильнее всего работает вблизи средней скорости, решено было использовать цилиндрическую зубчатую передачу с коэффициентом передачи равным 6. На Рис. 2 представлено изображение внешнего вида шприцевого насоса.
Рис. 1. Схема шприцевого насоса: 1 — шприц, 2 — подвижный модуль с внутренней резьбой, 3 — вал с резьбой, 4 — зубчатая передача, 5 — шаговый двигатель, 6 — корпус
Рис. 2. Внешний вид разработанных модулей шприцевых насосов в составе системы поточного синтеза наночастиц
Управление шприцевым насосом на основе шагового двигателя
Для питания и управления работой шагового двигателя используется схема, изображенная на Рис. 3. Питание схемы осуществляется при помощи блока питания. Использование транзисторной схемы позволяет контролировать работу биполярных шаговых двигателей за счет использования лишь двух управляющих входов вместо обычно управления с использованием четырех контактов. Это позволяет использовать меньшее количество проводов для передачи сигнала и оказывается особенно важным в случае создания системы из нескольких шприцевых насосов.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема питания шагового двигателя
Для приведенной выше схемы в программе CadSoft EAGLE был изготовлен шаблон для печатной платы, изображение которого представлено на Рис. 4.
Рис. 4. Шаблон печатной платы управления шаговым двигателем
В качестве микроконтроллерной платформы управления используется микроконтроллер Arduino Uno. Программное обеспечение для управления и контроля работы шагового двигателя выполнено в среде NI LabVIEW с использованием интерфейса связи LabVIEW Interface for Arduino. Оператор задает тип шприца (номинальный объем), объем расхода реагента и скорость потока жидкости.
Заключение
В результате работы был создан макет шприцевого насоса на основе шагового двигателя, способный обеспечивать скорости потока до десятых долей мкл/с. За счет простой модульной конструкции любой элемент легко заменить, что приводит к более продолжительному сроку службы системы. Предложенное решение далее может использоваться в составе различных систем микродозирования жидкостей, необходимых в медицине, биологии и промышленности.
Работа поддержана средствами гранта Всероссийского конкурса молодежных проектов 2014 года.
Литература:
1. Siposs G. G., Christian J. B. Variable rate syringe pump for insulin delivery: пат. 4435173 США. — 1984.
2. Rondelet J. C., Dupouy J. M. Syringe pump having continuous pressure monitoring and display: пат. 5295967 США. — 1994.
3. Aleksandrova O. A. et al. A flow reactor for synthesis of nanoparticles with a system of optical diagnostics //Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), 2015 IEEE NW Russia. — IEEE, 2015. — С. 12.
4. Мусихин С. Ф., Александрова О. А., Лучинин В. В., Максимов А. И., Мошников В. А. Полупроводниковые коллоидные наночастицы в биологии и медицине // Биотехносфера. 2012. № 5–6 (23–24). С. 40–48
5. Мазинг Д. С., Александрова О. А., Матюшкин Л. Б., Мошников В. А. Cинтез коллоидных квантовых точек селенида кадмия в водной среде // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2014. № 7. С. 15–19.
6. Мусихин С. Ф., Александрова О. А., Лучинин В. В., Максимов А. И., Матюшкин Л. Б., Мошников В. А. Сенсоры на основе металлических и полупроводниковых коллоидных наночастиц в биомедицине и экологии // Биотехносфера. 2013. № 2. С. 2–17.
7. Viazmitinov D. V., Matyushkin L. B., Maximov A. I. Synthesis of core-shell Ag/SiO2 nanoparticles for SPASER structures // J. Phys.: Conf. Ser. 2014. V. 541. P. 012015
8. Гареев К. Г., Грачева И. Е., Казанцева Н. Е., Лучинин В. В., Мошников В. А., Петров А. А. Исследование продуктов золь-гель-процессов в многокомпонентных оксидных системах, протекающих с образованием магнитных нанокомпозитов Нано- и микросистемная техника. 2012. № 10. С. 5–10.
9. Bogachev Y. V., Chernenco J. S., Gareev K. G., Kononova I. E., Matyushkin L. B., Moshnikov V. A., Nalimova S. S. The study of aggregation processes in colloidal solutions of magnetite-silica nanoparticles by NMR relaxometry, AFM, and UV-VIS-spectroscopy // Applied Magnetic Resonance. 2014. Т. 45. № 4. С. 329–33
10. Медицинское оборудование SENSITEC [Электронный ресурс] / Шприцевые дозаторы, 2015 -. — Режим доступа: http://www.sensitec.ru, свободный. — Загл. с экрана.
11. Производственная компания Dixion [Электронный ресурс] / Инфузионные насосы, 2015 -. — Режим доступа: http://dixion.ru/, свободный. — Загл. с экрана.
12. Торговая марка «Армед» [Электронный ресурс] /Дозаторы шприцевые, 2015 -. — Режим доступа: http://www.armed.ru/, свободный. — Загл. с экрана.
13. Матюшкин Л. Б., Пермяков Н. В. Применение технологии 3D-печати в обеспечении профессионально ориентированной подготовки кадров в интересах наноиндустрии // Биотехносфера. 2013. № 3. С. 38–47.
14. Матюшкин Л. Б., Пермяков Н. В. Модуль механического позиционирования твердых и жидких образцов для измерения спектров фотолюминесценции // Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. № 2. С. 40–42.
15. Пермяков Н. В., Белорус А. О., Туленин С. С., Форостяная Н. А., Марков В. Ф. Инертные держатели для синтеза полупроводниковых пленок // Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. № 2. С. 28–31.
