Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 11 · BIOMEDICAL RADIO ELECTRONICS

A microcooler model based on the magnetocaloric effect for biomedical devices

A.A. Amirov1, M.A. Koliushenkov1, A.P. Kamantsev2

1 MISIS University of Science and Technology, Moscow, Russia
2 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.11.12 UDC 537.6 EDN ATWRQV

Abstract

A model of a microfluidic biomedical device has been proposed, using the magnetocaloric effect of the FeRh alloy to control the wetting of modified channels using a thermosensitive polymer, PNIPAM. This approach to local cooling offers significant advantages over traditional resistance heating methods, as it allows both cooling and heating of microchannels at high speed and with low inertia, which is especially important for temperature control in microfluids. Through computer simulation, it has been shown that when a magnetic field of 1.8 T is applied to the microchannel coated with thermoresponsive PNIPAM, the temperature can be cooled to a critical solubility temperature (> 32°C) within 0.04 seconds, much faster than resistive or thermoelectric cooling. The proposed method has the potential to generate microdroplets for a variety of applications in biomedicine and pharmacology.

  • point cooling
  • magnetocaloric effect
  • FeRh
  • microfluidics
  • thermosensitive polymers
  • PNIPAm
Аннотация (на русском)

Модель микрокулера на основе магнитокалорического эффекта для биомедицинских устройств

Предложена модель микрофлюидного биомедицинского устройства, использующего изменение температуры за счет магнитокалорического эффекта сплава FeRh для управления смачиваемостью каналов, модифицированных термочувствительным полимером PNIPAM. Данный подход обеспечивает значительные преимущества перед традиционными резистивными нагревателями: он позволяет как охлаждать, так и нагревать микроканалы с высокой скоростью и низкой инерционностью, что особенно важно для температурного контроля в микрофлюидных системах. С помощью компьютерного моделирования было продемонстрировано, что при приложении магнитного поля 1,8 Тл микроканалы, покрытые термочувствительным полимером PNIPAM, охлаждаются до нижней критической температуры растворения (< 32°C) за время менее 0,04 с, что существенно быстрее, чем в случае использования резистивного или термоэлектрического охлаждения. Представленный подход может быть использован для разработки новых типов микрофлюидных устройств для создания микрокапель различного типа, которые могут применяться в биомедицине и фармацевтике.

For citation

Amirov A.A., Koliushenkov M.A., Kamantsev A.P. A microcooler model based on the magnetocaloric effect for biomedical devices // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.11.12

References

  1. Joshi Y. et al. Some Aspects of Microchannel Heat Transfer //Nano-Bio-Electronic, Photonic and MEMS Packaging. - 2010. - С. 431-477. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49991-4_10
  2. Bar-Cohen A., Wang P. On-chip thermal management and hot-spot remediation //Nano-Bio-Electronic, Photonic and MEMS Packaging. - 2021. - С. 157-203. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49991-4_9
  3. Whitesides G.M. The origins and the future of microfluidics //nature. - 2006. - Т. 442. - №. 7101. - С. 368-373. https://doi.org/10.1038/nature05058
  4. Li L. et al. In-channel responsive surface wettability for reversible and multiform emulsion droplet preparation and applications // ACS applied materials & interfaces. - 2019. - Т. 11. - №. 18. - С. 16934-16943. https://doi.org/10.1021/acsami.9b03160
  5. Schild H.G. Poly (N-isopropylacrylamide): experiment, theory and application // Progress in polymer science. - 1992. - Т. 17. - №. 2. - С. 163-249. https://doi.org/10.1016/0079-6700(92)90023-R
  6. Gilcreest V. P. et al. Thermoresponsive poly (N-isopropylacrylamide) copolymers: Contact angles and surface energies of polymer films // Langmuir. - 2004. - Т. 20. - №. 23. - С. 10138-10145. https://doi.org/10.1021/la0487996
  7. Xu X. et al. Poly (N-isopropylacrylamide)-based thermoresponsive composite hydrogels for biomedical applications //Polymers. - 2020. - Т. 12. - №. 3. - С. 580. https://doi.org/10.3390/polym12030580
  8. Rzaev Z.M.O., Dincer S., Pişkin E. Functional copolymers of N-isopropylacrylamide for bioengineering applications // Progress in Polymer Science. - 2007. - Т. 32. - №. 5. - С. 534-595. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.01.006
  9. Tishin A.M., Spichkin Y.I. The magnetocaloric effect and its applications. - CRC Press, 2016. https://doi.org/10.1887/0750309229
  10. Klinar K. et al. Perspectives and energy applications of magnetocaloric, pyromagnetic, electrocaloric, and pyroelectric materials // Advanced Energy Materials. - 2024. - С. 2401739. https://doi.org/10.1002/aenm.202401739
  11. Amirov A.A., Tishin A.M., Pakhomov O.V. Multicalorics - New materials for energy and straintronics // Phys. Solid State. - 2022. - Т. 64. - С. 383. https://doi.org/10.21883/pss.2022.04.53494.34s
  12. Amirov A. Multiferroic, magnetic, and magnetoelectric nanomaterials for medical applications // Magnetic Materials and Technologies for Medical Applications. - Woodhead Publishing, 2022. - С. 469-484. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822532-5.00003-0
  13. Nikitin S.A. et al. The magnetocaloric effect in Fe49Rh51 compound // Physics Letters A. - 1990. - Т. 148. - №. 6-7. - С. 363-366. https://doi.org/10.1016/0375-9601(90)90819-A
  14. Chirkova A. et al. Giant adiabatic temperature change in FeRh alloys evidenced by direct measurements under cyclic conditions // Acta Materialia. - 2016. - Т. 106. - С. 15-21. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.11.054
  15. Li L. et al. Autonomous capillary microfluidic devices with constant flow rate and temperature-controlled valving // Soft Matter. - 2021. - Т. 17. - №. 33. - С. 7781-7791. https://doi.org/10.1039/D1SM00625H
  16. Amirov A.A. et al. Smart thermoresponsive composite activated by magnetocaloric effect // Materials Letters. - 2021. - Т. 304. - С. 130626. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130626