پیوندهای مفید
آمار
| تعداد نشریات | 9 |
| تعداد شمارهها | 447 |
| تعداد مقالات | 5,734 |
| تعداد مشاهده مقاله | 8,046,108 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 6,546,878 |
طراحی و بهینهسازی چندهدفه یک میکروپمپ هیدرودینامیک مغناطیسی تزریق دارو | ||
| نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر | ||
| مقاله 12، دوره 53، شماره 10، دی 1400، صفحه 5221-5238 اصل مقاله (2.47 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/mej.2021.19678.7088 | ||
| نویسندگان | ||
| بابک زاهد1؛ امین بهزادمهر* 2؛ حسن آذرکیش3؛ طاهره فنایی شیخ الاسلامی4؛ قاسم میری علی آباد5 | ||
| 1دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران. | ||
| 2استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران. | ||
| 3دانشیار، گروه مهندسی مکانیک (مکاترونیک)، دانشکده مهندسی نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران. | ||
| 4استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران | ||
| 5دانشیار، گروه کودکان، مرکز تحقیقات سلامت کودکان ونوجوانان، دانشگاه علوم پزشکی زاهدان، زاهدان، ایران. | ||
| چکیده | ||
| تزریق مداوم دارو نقش مهمی در تاثیرگذاری دارو ایفا میکند، با این حال در اغلب موارد، اندازه، وزن و توان مصرفی پمپهای تزریق متداول فاکتورهای مهمی هستند که مشکلات عمدهای برای راحتی بیمار در حین تزریق مداوم ایجاد میکند. هدف پژوهش حاضر طراحی و بهینهسازی یک میکروپمپ هیدرودینامیک مغناطیسی به منظور تزریق مداوم دارو است. به منظور بررسی امکان تزریق دارو توسط پمپ مذکور، یک مدل ریاضی برای میکروپمپ هیدرودینامیک مغناطیسی پیشنهاد و به صورت تحلیلی حل شده است. سپس به منظور راحتی بیمار حین تزریق، میکروپمپ با استفاده از الگوریتم ژنتیک مرتبسازی غیرمغلوب بهینه گردید. پارامترهای تعداد سطر و ستون کانالها، عرض و ارتفاع کانال و همچنین ولتاژ کارکرد به عنوان متغیرهای تصمیمگیری در بهینهسازی چند هدفه انتخاب شد و در ادامه، نتایج بهینهسازی به صورت نمایش جبهه پرتو گزارش داده شده است. شش حالت مختلف که خصوصیات موردنظر طراحی را دارا بود با استفاده از روش تصمیمگیری فازی انتخاب شد. در ادامه نیز مدل دینامیک سیالات محاسباتی برای پیش بینی شکلگیری حباب به دلیل الکترولیز سیال تهیه شد. طراحی حاضر علاوه بر قابلیت اطمینان بالاتر به دلیل نداشتن قسمتهای مکانیکی، قابلیت تحویل جریان سیال تا 48 برابر بیشتر، در ولتاژ کارکردی سه برابر کمتر، در مقایسه با میکروپمپهای متداول را داراست. علاوه بر این، طراحی حاضر قابلیت اطمینان بالاتر و فرایند ساخت سادهتر بدون هیچگونه بخش مکانیکی را نیز داراست. | ||
| کلیدواژهها | ||
| میکروپمپ هیدرودینامیک مغناطیسی؛ تزریق دارو؛ محلول آبی نمکی؛ بهینهسازی چندهدفه | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Design and Multi-Objective Optimization of A Magnetohydrodynamic Drug Delivery Infusion Micropump | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Babak Zahed1؛ amin behzadmehr2؛ Hassan Azarkish3؛ Tahereh Fanaei Sheikholeslami4؛ Ghasem Miri-Aliabad5 | ||
| 1Department of Mechanical Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran. | ||
| 2Department of Mechanical Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran. | ||
| 3Department of Mechanical Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran. | ||
| 4Department of Mechanical Engineering (Mechatronics), University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran. | ||
| 5Zahedan University of Medical Sciences, Zahedan, Iran. | ||
| چکیده [English] | ||
| Continuous drug infusion plays an important role in drug effectiveness. However, in most cases, the size, weight, and power consumption of conventional pumps are among the most important factors that cause a lot of problems for patient comfort. The present work aims to design and optimize a Magnetohydrodynamic micropump for continuous drug infusion. A mathematical model of Magnetohydrodynamic micro pump is proposed and solved analytically to investigate its feasibility for drug infusion. For the patient's comfort, the micropump is optimized using non-dominated sorting genetic algorithm II. The number of channel rows and columns, channel height and width, and driving voltage are chosen as decision variables for multi-objective optimization. The Pareto front of the optimization result is presented. Six possible cases that meet the desired specifications are selected using a fuzzy decision-making approach. A computational fluid dynamic model is adopted to predict bubble formation due to the electrolysis phenomena. With higher reliability without any mechanical part, the present design can deliver drug flow 48 times while its driving voltage is 3 times lower than a conventional micro pump. In addition, it provides potentially better reliability and a simple fabrication process without any mechanical parts. | ||
| کلیدواژهها [English] | ||
| Magnetohydrodynamic micropump, Drug infusion, Aqueous salt solution, Multi-objective optimization | ||
| مراجع | ||
|
[1] K.K. Jain, Drug delivery systems-an overview, in: Drug delivery systems, Springer, 2008, pp. 1-50. [2] Y.-N. Wang, L.-M. Fu, Micropumps and biomedical applications–A review, Microelectronic Engineering, 195 (2018) 121-138. [3] C. Joshitha, B. Sreeja, S. Radha, A review on micropumps for drug delivery system, in: 2017 International Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking (WiSPNET), IEEE, 2017, pp. 186-190. [4] R.R. Gidde, P.M. Pawar, V.P. Dhamgaye, Fully coupled modeling and design of a piezoelectric actuation based valveless micropump for drug delivery application, Microsystem Technologies, 26(2) (2020) 633-645. [5] K.S. Rao, M. Hamza, P.A. Kumar, K.G. Sravani, Design and optimization of MEMS based piezoelectric actuator for drug delivery systems, Microsystem Technologies, (2019) 1-9. [6] H. Lee, H. Choi, M. Lee, S. Park, Preliminary study on alginate/NIPAM hydrogel-based soft microrobot for controlled drug delivery using electromagnetic actuation and near-infrared stimulus, Biomedical Microdevices, 20(4) (2018) 103. [7] X. Guo, Z. Luo, H. Cui, J. Wang, Q. Jiang, A novel and reproducible release mechanism for a drug-delivery system in the gastrointestinal tract, Biomedical microdevices, 21(1) (2019) 25. [8] F. Forouzandeh, Implantable Microsystem Technologies For Nanoliter-Resolution Inner Ear Drug Delivery, (2019). [9] Y. Guan, Performance Analysis of a Microfluidic Pump Based on Combined Actuation of the Piezoelectric Effect and Liquid Crystal Backflow Effect, Micromachines, 10(9) (2019) 584. [10] N.-C. Tsai, C.-Y. Sue, Review of MEMS-based drug delivery and dosing systems, Sensors and Actuators A: Physical, 134(2) (2007) 555-564. [11] A. Nisar, N. Afzulpurkar, B. Mahaisavariya, A. Tuantranont, MEMS-based micropumps in drug delivery and biomedical applications, Sensors and Actuators B: Chemical, 130(2) (2008) 917-942. [12] F. Amirouche, Y. Zhou, T. Johnson, Current micropump technologies and their biomedical applications, Microsystem technologies, 15(5) (2009) 647-666. [13] J.L. Thomas, S. Bessman, Prototype for an implantable micropump powdered by piezoelectric disk benders, Transactions-American Society for Artificial Internal Organs, 21 (1975) 516-522. [14] J. Smits, N. Vitafin, Piezo-electrical micropump, European patent EP0134614, Netherlands, (1984). [15] J.G. Smits, Piezoelectric micropump with three valves working peristaltically, Sensors and Actuators A: Physical, 21(1-3) (1990) 203-206. [16] T. Bourouina, A. Bossebuf, J.-P. Grandchamp, Design and simulation of an electrostatic micropump for drug-delivery applications, Journal of Micromechanics and Microengineering, 7(3) (1997) 186. [17] M.M. Teymoori, E. Abbaspour-Sani, Design and simulation of a novel electrostatic peristaltic micromachined pump for drug delivery applications, Sensors and Actuators A: Physical, 117(2) (2005) 222-229. [18] R. Zengerle, J. Ulrich, S. Kluge, M. Richter, A. Richter, A bidirectional silicon micropump, Sensors and Actuators A: Physical, 50(1-2) (1995) 81-86. [19] J. Johari, J. Yunas, A.A. Hamzah, B.Y. Majlis, Piezoelectric micropump with nanoliter per minute flow for drug delivery systems, Sains Malaysiana, 40(3) (2011) 275-281. [20] P.-H. Cazorla, O. Fuchs, M. Cochet, S. Maubert, G. Le Rhun, Y. Fouillet, E. Defay, A low voltage silicon micro-pump based on piezoelectric thin films, Sensors and Actuators A: Physical, 250 (2016) 35-39. [21] A. Geipel, A. Doll, F. Goldschmidtboing, P. Jantscheff, N. Esser, U. Massing, P. Woias, Pressure-independent micropump with piezoelectric valves for low flow drug delivery systems, in: 19th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, IEEE, 2006, pp. 786-789. [22] D. Maillefer, H. van Lintel, G. Rey-Mermet, R. Hirschi, A high-performance silicon micropump for an implantable drug delivery system, in: Technical Digest. IEEE International MEMS 99 Conference. Twelfth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No. 99CH36291), IEEE, 1999, pp. 541-546. [23] B. Ma, S. Liu, Z. Gan, G. Liu, X. Cai, H. Zhang, Z. Yang, A PZT insulin pump integrated with a silicon micro needle array for transdermal drug delivery, in: 56th Electronic Components and Technology Conference 2006, IEEE, 2006, pp. 5 pp. [24] K. Junwu, Y. Zhigang, P. Taijiang, C. Guangming, W. Boda, Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery, Sensors and Actuators A: Physical, 121(1) (2005) 156-161. [25] N.A. Hamid, B.Y. Majlis, J. Yunas, A. Syafeeza, Y.C. Wong, M. Ibrahim, A stack bonded thermo-pneumatic micro-pump utilizing polyimide based actuator membrane for biomedical applications, Microsystem Technologies, 23(9) (2017) 4037-4043. [26] S.R. Hwang, W.Y. Sim, G.Y. Kim, S.S. Yang, J.J. Pak, Fabrication and test of a submicroliter-level thermopneumatic micropump for transdermal drug delivery, in: 2005 3rd IEEE/EMBS Special Topic Conference on Microtechnology in Medicine and Biology, IEEE, 2005, pp. 143-145. [27] O.C. Jeong, S.W. Park, S.S. Yang, J.J. Pak, Fabrication of a peristaltic PDMS micropump, Sensors and Actuators A: Physical, 123 (2005) 453-458. [28] S. Guo, T. Fukuda, SMA actuator-based novel type of micropump for biomedical application, in: IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA'04. 2004, IEEE, 2004, pp. 1616-1621. [29] M.E. Tawfik, F.J. Diez, Maximizing fluid delivered by bubble‐free electroosmotic pump with optimum pulse voltage waveform, Electrophoresis, 38(5) (2017) 563-571. [30] A. Kabata, H. Suzuki, Y. Kishigami, M. Haga, Micro system for injection of insulin and monitoring of glucose concentration, in: SENSORS, 2005 IEEE, IEEE, 2005, pp. 4 pp. [31] K.-H. Heng, W. Wang, M.C. Murphy, K. Lian, UV-LIGA microfabrication and test of an AC-type micropump based on the magnetohydrodynamic (MHD) principle, in: Microfluidic Devices and Systems III, International Society for Optics and Photonics, 2000, pp. 161-171. [32] A.V. Lemoff, A.P. Lee, An AC magnetohydrodynamic micropump, Sensors and Actuators B: Chemical, 63(3) (2000) 178-185. [33] J. Jang, S.S. Lee, Theoretical and experimental study of MHD (magnetohydrodynamic) micropump, Sensors and Actuators A: Physical, 80(1) (2000) 84-89. [34] L. Huang, W. Wang, M. Murphy, K. Lian, Z.-G. Ling, LIGA fabrication and test of a DC type magnetohydrodynamic (MHD) micropump, Microsystem technologies, 6(6) (2000) 235-240. [35] A. Homsy, V. Linder, F. Lucklum, N.F. de Rooij, Magnetohydrodynamic pumping in nuclear magnetic resonance environments, Sensors and Actuators B: Chemical, 123(1) (2007) 636-646. [36] B. Nguyen, S.K. Kassegne, High-current density DC magenetohydrodynamics micropump with bubble isolation and release system, Microfluidics and Nanofluidics, 5(3) (2008) 383-393. [37] S. Lim, B. Choi, A study on the MHD (magnetohydrodynamic) micropump with side-walled electrodes, Journal of mechanical science and technology, 23(3) (2009) 739-749. [38] D. Chatterjee, S. Amiroudine, Lattice Boltzmann simulation of thermofluidic transport phenomena in a DC magnetohydrodynamic (MHD) micropump, Biomedical microdevices, 13(1) (2011) 147-157. [39] A.V. Lemoff, A.P. Lee, An AC magnetohydrodynamic microfluidic switch for micro total analysis systems, Biomedical Microdevices, 5(1) (2003) 55-60. [40] J. West, B. Karamata, B. Lillis, J.P. Gleeson, J. Alderman, J.K. Collins, W. Lane, A. Mathewson, H. Berney, Application of magnetohydrodynamic actuation to continuous flow chemistry, Lab on a Chip, 2(4) (2002) 224-230. [41] W. Ritchie, XIII. Experimental researches in voltaic electricity and electro-magnetism, Philosophical transactions of the royal society of London, (122) (1832) 279-298. [42] J.B. Friauf, Electromagnetic ship propulsion, Journal of the American Society for Naval Engineers, 73(1) (1961) 139-142. [43] O.M. Phillips, The prospects for magnetohydrodynamic ship propulsion, Journal of ship research, 43 (1962) 43-51. [44] R.S. Baker, M.J. Tessier, Handbook of electromagnetic pump technology, (1987). [45] K. Hosokawa, I. Shimoyama, H. Miura, Study of MHD(magnetohydrodynamic) micropump, Nippon Kikai Gakkai Ronbunshu, C Hen/Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C, 59(557) (1993) 205-210. [46] J. Koryta, J. Dvořák, L. Kavan, Principles of electrochemistry, John Wiley & Sons Inc, 1993. [47] K. Ito, T. Takahashi, T. Fujino, M. Ishikawa, Influences of channel size and operating conditions on fluid behavior in a MHD micro pump for micro total analysis system, Journal of International Council on Electrical Engineering, 4(3) (2014) 220-226. [48] J. Lu, D.-J. Li, L.-L. Zhang, Y.-X. Wang, Numerical simulation of salt water electrolysis in parallel-plate electrode channel under forced convection, Electrochimica Acta, 53(2) (2007) 768-776. [49] K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal, T. Meyarivan, A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II, IEEE transactions on evolutionary computation, 6(2) (2002) 182-197. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 912 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,132 |
||