يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

طرق البناء لأجهزة الميكروفلويديك الهجينة البولي كربونات-السيليكون

463 مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/69640

⸱

يوليو 28, 2026

 ,  ,  , 
1Department of Bioengineering and Therapeutic Sciences, University of California, San Francisco, 2Department of Pediatrics, Division of Neonatology, University of California, San Francisco, 3Department of Pediatrics, Nemours Children's Health, 4Department of Pediatrics, Sidney Kimmel Medical College at Thomas Jefferson University

في هذه المقالة

ملخص

يصف هذا البروتوكول ثلاث طرق إغلاق مباشرة لتصنيع جهاز ميكروفلويديك هجين يدمج مكونات البولي كربونات والسيليكون. من خلال تنفيذ استراتيجيات الربط بالمذيبات، والضغط الحراري، والضغط الميكانيكي، نمكن تقنيات الختم الموثوقة منخفضة الحرارة التي تتجنب المعدات المتخصصة للأجهزة الميكروفلويدية الهجينة.

الملخص

الأجهزة الهجينة الميكروفلويدية التي تجمع بين البلاستيك الحراري والركائز الصلبة مثل السيليكون والزجاج تتيح تطبيقات بيولوجية متقدمة لكنها صعبة الربط بسبب اختلاف الخصائص الحرارية والميكانيكية. تجعل هذه التحديات الطرق التقليدية ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي غير مناسبة، مما يدفع الحاجة إلى استراتيجيات إغلاق بديلة. هنا، نقدم ثلاث استراتيجيات ختم منخفضة التكلفة نسبيا لأجهزة البولي كربونات والسيليكون الميكروفلويدية: الربط بالمذيب مع تغطية واقية للحفاظ على هندسة القنوات؛ طبقة الربط الحراري منخفضة الحرارة باستخدام طبقة بينية منخفضة الكثافة من البولي إيثيلين (LDPE) بحجم 100 ميكرومتر؛ والضغط الميكانيكي باستخدام سلك O-ring يعمل كحشية. كل نهج يتطلب خطوات تصميم وتجميع مخصصة لضمان إغلاق التسرب. هذه الاستراتيجيات لا تتطلب معدات متخصصة أو بنية تحتية باهظة الثمن، مما يجعلها مناسبة جدا لصنع نماذج أولية لأجهزة ميكروفلويدية هجينة في مختبرات البحث الأكاديمية والبيئات ذات الموارد المحدودة. أنتج الربط المذيب أعلى مقاومة للتسرب (حتى 692 ملم زئبق) مع واجهة قوية بين البولي كربونات-بولي كربونات، بينما أدى ضغط الحشوة إلى أبعد أختام قابلة للتكرار ونظافة بصريا مع أقل انخفاض ضغط (2 ملم زئبق عند 10 مل/دقيقة). على النقيض من ذلك، أظهر ارتباط LDPE تسرب قنوات، وانخفاض ضغط مرتفع (196 مم زئبق)، وحالات تفك.

المقدمة

تمكن أنظمة الميكروفلويديك من التحكم في الكميات الصغيرة من السوائل وأصبحت أدوات أساسية في التطبيقات الطبية الحيوية، بما في ذلك تشخيص نقطة الرعاية 1,2، ومنصات الأعضاء على الشريحة 3,4، وتقنيات الاستشعار 5,6. على الرغم من تنوع تطبيقاتها، تشترك هذه الأجهزة في متطلبات هندسية أساسية: اختيار المواد المناسب، استراتيجيات تصنيع قابلة للتكرار، والتوافق الحيوي المستمر7،8. تصبح هذه المتطلبات أكثر صرامة في أنظمة الاتصال بالدم، حيث يجب على المواد والأجهزة ضمان التوافق الدموي، وتشكيل إغلاق سوائل قوي، والحفاظ على معايير تدفق فسيولوجية مثل إجهاد القص وتدرجات الضغط 9,10,11.

تدمج الأنظمة الهجينة الميكروفلويدية البلاستيكيات الحرارية مع ركائز صلبة مثل السيليكون والزجاج، مما يوسع وظائف الأجهزة الطبية الحيوية (الشكل الإضافي S1)12،13،14،15،16،17. هذا النهج مثير للاهتمام بشكل خاص لتطبيقات الاتصال بالدم، حيث يتم ربط مكونات السيليكون أو الزجاج الميكانيكية الهشة والدقيقة للغاية بأغلفة بوليمرات منخفضة التكلفة لتمكين تصاميم قابلة للتوسع ومتوافقة حيويا 18,19,20,21,22,23,24. بينما لا تزال أجهزة PDMS والأجهزة الدقيقة البلاستيكية الحرارية منتشرة بسبب بساطتها في التصنيع، تحد هذه المواد من المقاومة الكيميائية، والمتانة الميكانيكية، ودمج المواد الوظيفية الصلبة، مما يحفز تطوير هياكل هجينة25، 26، 27، 28. على الرغم من مزايا الأجهزة الهجينة، فإن تجميع المواد المختلفة يطرح تحديات جوهرية. يمكن أن تؤثر الاختلافات في التمدد الحراري والخصائص الميكانيكية على سلامة الختم، ويجب التحكم بدقة في ظروف التصنيع للحفاظ على التوافق الدموي، والحفاظ على هندسة القنوات، ومنع تلف الهياكل الهشة من السيليكون أو الزجاج. لذا، يعتمد التنفيذ الناجح للأنظمة الهجينة على اختيارات متعمدة لخصائص المواد مع استراتيجيات تصنيع مناسبة.

تستخدم المواد البلاستيكية الحرارية، بما في ذلك البولي كربونات والبولي (ميثيل ميثاكريلات الميثيليت) (PMMA)، على نطاق واسع في أنظمة الميكروفلويديك لأنها توفر قوة ميكانيكية، وتوافقا حيويا، وكفاءة في التكلفة، وتتوافق مع استراتيجيات التصنيع القابلة للتوسع مثل ربط المذيب، والضغط الحراري، واللاصقات 12,29,30,31,32,33,34,35. على النقيض من ذلك، توفر ركائز السيليكون والزجاج مقاومة كيميائية معززة وهندسة عالية الدقة، ومع ذلك لا يزال دمجها مع البلاستيك الحراري تحديا تقنيا بسبب الفروق في كيمياء السطح والخصائص الميكانيكية 36,37,38,39. يمكن أن يعرض الربط الحراري التقليدي مكونات السيليكون أو الزجاج الهشة لضغوط مرتفعة، مما يزيد من خطر التشقق. بدلا من ذلك، قد تقلل الأساليب القائمة على اللاصق الإجهاد الميكانيكي لكنها قد تسبب تباين في توحيد الروابط أو تثير مخاوف بشأن التوافق الحيوي طويل الأمد40.

مختبرنا يطور أجهزة اتصال بالدم مخصصة لوظائف استبدال الأعضاء، بما في ذلك الأكسجين ومرشحات الدم 17,21. تدمج هذه الأنظمة أغشية السيليكون النانوية كعناصر وظيفية نشطة مع حوامل بولي كربونات تحدد مسار تدفق الدم وتوفر الدعم الميكانيكي 18,19,21. تحقيق تصنيع قوي وقابل للتوسع لهذه المنصات يعتمد على الربط الموثوق بين هذه المواد المختلفة.

يقيم هذا العمل ثلاث طرق ربط تم تطويرها لمعالجة قيود طرق التجميع التقليدية ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي المستخدمة في أنظمة الميكروفلويديك الهجينة من البولي كربونات والسيليكون. تصميم المنصة مستمد من الجهود المستمرة لتطوير مكونات معيارية لأكسجين غشاء خارج الجسم ميكروفلويد17. يحتوي الجهاز على غلاف صلب من البولي كربونات يوفر استقرارا ميكانيكيا ويحدد قناة تدفق الدم الآلية، مدمجة مع غشاء سيليكون شبه نفاذ يهدف إلى تسهيل تبادل الغازات. لعزل أداء الروابط أثناء الاختبار، تم استخدام ركيزة سيليكون غير مسامية بدلا من الغشاء الوظيفي.

كانت الطرق الثلاثة للربط التي تم تقييمها: 1) طريقة تعتمد على المذيب تتجنب الحمل الميكانيكي العالي ودرجة الحرارة العالية مع استراتيجية تغطية وقائية للحفاظ على هندسة القنوات، 2) تقنية ربط حراري منخفضة الحرارة تتضمن طبقة بينية من البولي إيثيلين منخفضة الكثافة بطول 100 ميكرومتر (LDPE) بين صفائح البولي كربونات، و3) تكوين مغلق ميكانيكيا باستخدام حشية O حلقة موضوع حول القناة السائلة. تمت مقارنة هذه الاستراتيجيات بشكل منهجي لتحديد جدوى وموثوقيتها في النمذجة السريعة لأجهزة الميكروفلويديك الهجينة في بيئة بحثية مخبرية. تم تصميم جميع الطرق لتمكين التجميع في درجات حرارة منخفضة مع دعم ضغوط تشغيل معتدلة (10–700 ملم زئبق) وظروف تدفق ذات صلة بأنظمة الميكروفلويديات المدمرة. المقال التالي يبني على فصل من أطروحة المؤلف الأول41.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. تصميم الجهاز: تعديلات على غلاف البولي كربونات

ملاحظة: كل استراتيجية ربط تطلبت تعديلا تصميميا مستهدفا على غلاف البولي كربونات. لذلك تم تكييف التخطيط الأساسي للميكروفلويديك لتسهيل تنفيذ طرق ربط مختلفة بسيطة وفعالة لأجهزتنا الهجينة. ملفات تصميم الأجهزة متوفرة في الملف التكميلي 1.

  1. تصميم المساكن العامة
    1. صمم طبقة البولي كربونات لتشمل مقعدا غائرا لشريحة السيليكون مع حوض داخلي محيطي يحتوي على لاصق الإيبوكسي.
  2. اعتبارات التصميم لربط LDPE
    1. تضمين ثقوب دبابيس العصا في تصميم الهيكل للسماح بمحاذاة طبقات البولي كربونات وصفيحة LDPE بدقة.
    2. في الاعتبار ارتفاع القناة الإضافي الناتج عن سمك طبقة LDPE.
    3. تأكد من أن ميزات التصميم النهائية ل LDPE هي كما يلي: مساحة السطح المختومة: ~15 سممربع، ارتفاع القناة المستهدفة: 200 ميكرومتر.
  3. اعتبارات التصميم لربط المذيب
    1. تتضمن ثقوب دبابيس العصا للسماح بالمحاذاة بين طبقات البولي كربونات.
    2. قم بضبط ارتفاع القناة لتعويض احتمال انخفاض الارتفاع بعد ربط المذيب.
    3. قم بإنشاء حافة أو حافة عن طريق تراجع حواف قطعة واحدة من البولي كربونات. هذا يسهل امتصاص المذيب عند واجهة الربط.
    4. تأكد من أن ميزات التصميم النهائي للمذيب هي كما يلي: مساحة السطح المغلقة: ~11 سممربع، ارتفاع القناة المستهدفة: 200 ميكرومتر.
  4. اعتبارات التصميم لربط ضغط الحشوة
    1. صمم غدة حشية لسلك حشية يتبع مسار قناة السوائل. قم بقياس الغدة لتحقيق ضغط يقارب 25٪ من مقطع الحشوة المختار.
    2. أضف غدة الحشية في الجزء السفلي من البولي كربونات؛ صمم سطح البولي كربونات العلوي ليكون مستويا.
    3. أضف فتحات براغي حول المحيط للسماح بوجود براغي. لخلق ضغط متساو، استخدم غسالات أو ألواح ضغط قوية. استخدم البراغي لمحاذاة الطبقات أثناء التجميع، بدلا من دبابيس العصا.
    4. تأكد من أن ميزات تصميم الحشية النهائية هي كما يلي: مساحة السطح المغلقة: ~3 سم2، ارتفاع القناة المستهدفة: 200 ميكرومتر.

2. تصنيع وتحضير طبقات الأجهزة

  1. قم بتصنيع غلاف البولي كربونات.
    1. تصنيع طبقات البولي كربونات وفقا لمواصفات التصميم باستخدام طريقة مناسبة (مثل التفريز CNC). لاتباع هذا البروتوكول، قم بتشغيل CNC للحصول على سطح ربط مستو وخشونة سطحية تبلغ 0.8 ميكرومتر.
      ملاحظة: تم تقييم الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضا لكنها أدت إلى الانحناء، مما قلل من منطقة الربط الفعال.
  2. نظف أغلفة البوليكربونات وشرائح السيليكون.
    1. فحص وتنظيف الهياكل المصنعة بحثا عن الحطام أو الشوائب أو بقايا التشغيل تحت التكبير البصري. اشطف الأجزاء جيدا بكحول الأيزوبروبيل واتركها تجف تماما في درجة حرارة الغرفة.
    2. افحص ونظف شرائح السيليكون بحثا عن عيوب أو بقايا زائدة. نظف حسب الحاجة باستخدام كحول الأيزوبروبيل لإزالة الجسيمات.
      ملاحظة: لم يتم تضمين أي تحضير سطحي إضافي لهذا التقييم.
  3. حضر لاصق الإيبوكسي.
    1. اخلط إيبوكسي مكون من جزأين حسب تعليمات الشركة المصنعة. اترك الإيبوكسي يتصلب جزئيا في درجة حرارة الغرفة حتى يصل إلى لزوجة أكثر سمكا مناسبة للتطبيق الدقيق.
  4. ضع الإيبوكسي وركب شريحة السيليكون.
    1. حمل الإيبوكسي اللزج في حقنة مزودة بإبرة توزيع. ضع قطرة من الإيبوكسي المسيطر عليها في الحوض المحيط بمقعد الشريحة.
    2. ضع شريحة السيليكون برفق في المقعد الغائر، مع التأكد من الاتصال الكامل بالإيبوكسي وعدم وجود فقاعات هواء محبوسة. ضع إيبوكسي إضافي حسب الحاجة لملء أي فراغات.
      ملاحظة: استخدام الإيبوكسي اللزج المعالج جزئيا يقلل من الفائض خارج منطقة الارتباط. ومع ذلك، يمكن أن تخلق الفقاعات المحبوسة نقاط فشل، لذا فكر في إزالة الغازات أو إخراج الفقاعات المتبقية من الحوض.
  5. يعالج الرابط الأولي.
    1. دع المجموعة تتجف عند درجة حرارة الغرفة أو الحرارة المنخفضة (<40 درجة مئوية).
      ملاحظة: تجنب التسخين المفرط، لأن البولي كربونات له درجة حرارة انتقال زجاجية منخفضة (150 درجة مئوية)، مما قد يؤدي إلى التواء أو الانحناء.
  6. أغلق الفجوات المتبقية.
    1. جهز دفعة جديدة من الإيبوكسي وحملها في حقنة مزودة بإبرة رفيعة (إبرة 27–30 جرام). مرر قطرة رفيعة من الإيبوكسي على طول الحافة المحيطية بين غلاف السيليكون والبولي كربونات، مما يسمح للإيبوكسي بملء الشقوق. دع طبقة الإيبوكسي المانعة لتجف تماما قبل المعالجة الإضافية.

3. الارتباط بالمذيب

  1. ضع شريط لاصق لتحديد جدران القناة. شريط لاصق مقطوع بالليزر ليتناسب مع شكل جدران القناة.
    ملاحظة: تم استخدام شريط تشخيص ميكروفلويديك لجدران القنوات المؤقتة (انظر جدول المواد).
  2. أزل طبقة بطانة واحدة من الشريط. قم بمحاذاة الشريط اللاصق وطبقه على أسطح جدار القناة باستخدام دبابيس العصا للمحاذاة.
  3. غطي القناة السائلة بكحول البولي فينيل (PVA). أضف كمية كافية من محلول PVA بنسبة 1٪ لتغطية كامل منطقة القناة السائلة. دع محلول PVA يجف تماما في درجة حرارة الغرفة.
    ملاحظة: PVA لا يذوب بسهولة في ثنائي كلوروميثان، وبالتالي يحمي الإيبوكسي والسيليكون وكذلك الطلاءات مثل PDMS وPEG.
  4. أزل القناع اللاصق. بمجرد أن تجف طبقة PVA تماما، قم بتقشير اللاصق ذو الوجهين بعناية، تاركا قناة سائلة مغطاة ب PVA. افحص وإذا لزم الأمر، نظف أي مادة لاصقة متبقية من جدران القناة.
  5. قم بتجميع طبقات البولي كربونات. محاذاة الهيكل العلوي والسفلي من البولي كربونات باستخدام دبابيس العصا.
  6. ضع المذيب على طول واجهة الربط.
    1. املأ حقنة بسعة 5 مل بإبرة 30 جيلون بالمذيب المختار (مثل ثنائي كلوروميثان، الأسيتون). ضع طرف الحقنة عند الشافة/الحافة التي تم إنشاؤها في تصميم الجهاز. قم بتوزيع المذيب بعناية على طول الحافة/الحافة على جانبي التجميع، مما يسمح للمذيب بالامتزاج إلى واجهة الربط والوصول إلى حاجز PVA.
      ملاحظة: قم بجميع التعامل مع المذيب باستخدام غطاء بخار كيميائي وارتدى قفازات وحماية للعين. قم بتوزيع المذيب بثبات لتقليل تكون الفقاعات عند الواجهة. تحذير: تخلص من المذيب الزائد في حاوية نفايات كيميائية مناسبة ومعلمة وفقا للإرشادات المؤسسية.
  7. اضغط وتصلب.
    1. ضع وزنا معتدلا (حوالي 2–3 أرطال) بشكل متساو فوق الجهاز المجمع. اترك الجهاز ليجف تماما في درجة حرارة الغرفة لمدة 10–15 دقيقة.
    2. تحت المجهر، تأكد من عدم وجود فقاعات كبيرة لتقليل نقاط الفشل.
  8. أزل طبقة التضحية من PVA. بعد التصلب (التصويب)، تدفق مياه منزوع الأيونات بدرجة 80 درجة مئوية عبر القناة السائلة عند تدفقات منخفضة (1–5 مل/دقيقة) لمدة لا تقل عن 3 ساعات لإذابة وإزالة طلاء PVA. السماح بتدفق المياه لمدة تصل إلى 24 ساعة لضمان إزالة PVA بالكامل.
    1. افحص الجهاز بصريا بحثا عن بقايا PVA في القناة. إذا كان PVA واضحا، كرر تدفق الماء حتى لا يظهر أي PVA بصريا.

4. ارتباط LDPE

  1. حضر أوراق ربط LDPE. صفائح البولي إيثيلين منخفضة الكثافة (LDPE) المقطوعة بالليزر لتتناسب مع شكل مناطق جدار القناة. لورقة LDPE بحجم 100–200 ميكرومتر، استخدم 75٪ طاقة وسرعة 100٪ لقاطع الليزر المكتبي المشار إليه (انظر جدول المواد).
  2. نظف أوراق LDPE.
    1. افحص صفائح LDPE المقطوعة بالليزر بحثا عن الرماد أو البقايا أو الجسيمات. اشطف جيدا بكحول الأيزوبروبيل (IPA) واتركه ليجف تماما.
  3. قم بتجميع الغلاف باستخدام طبقات LDPE.
    1. قم بمحاذاة فتحات LDPE على الجدران الجانبية لقناة السائل باستخدام دبابيس العصا للمحاذاة. ضع قطعة البولي كربونات العلوية على المجموعة السفلية، مع وضع طبقات LDPE عند واجهة الربط.
  4. اربط المجموعة في فرن ساخن.
    1. ضع الغلاف المجمع في فرن قابل للبرمجة مسخن مسبقا مضبوطا على 145 درجة مئوية مع حساس درجة حرارة.
    2. تطبيق ضغط معتدل (2–3 أرطال لكل بوصة مربعة (PSI)) على قمة التجميع باستخدام وزن معاير مثل صفيحة معدنية.
  5. أكمل التجميع.
    1. بعد ساعتين، أزل المجموعة من الفرن. تأكد من شفافية LDPE متساوية عبر كامل مساحة السطح الملتصقة. اترك الجهاز يبرد إلى درجة حرارة الغرفة تحت ظروف الجو.

5. ختم الحشية

  1. اقطع ووضع الحشية.
    1. اقطع مادة سلك الحشية إلى الطول المطلوب ليتناسب مع مسار قناة السوائل.
    2. ضع سلك الحشية في غدة الحشية الموجودة في غلاف البولي كربونات السفلي، لضمان تركيب محكم ومستمر على طول المسار بأكمله.
  2. قم بتجميع الهيكل.
    1. قم بمحاذاة قطعة البولي كربونات العلوية مع القطعة السفلية باستخدام مسامير للمحاذاة. أدخل البراغي عبر الطبقة العليا إلى صامولة السداسية، بما في ذلك الغسالات أو لوحة الضغط حسب الحاجة لتوزيع الضغط بشكل متساو.
  3. شد البراغي لإغلاق التجميع.
    1. شد كل برغي يدويا لتثبيت البراغي والجهاز في مكانه.
    2. استخدم مفتاح عزم لشد كل برغي، مع تحريك نمط عرضي.
    3. شد القرص إلى 0.5 رطل لتجنب تشقق شريحة السيليكون أو تشوه غلاف البولي كربونات. شد أكثر حسب الحاجة.
      ملاحظة: الضغط المتساوي ضروري لضمان إغلاق محكم السائل وتجنب تشقق السيليكون.

6. منفذ المدخل/الإخراج

ملاحظة: تم تحسين الخطوات التالية لتقييم تصميم جهازنا الهجين، كما هو موضح في بقية البروتوكول. الخطوات التالية في هذا القسم غير مطلوبة لاستخدام تقنيات الربوط. تمت إضافة تصميم منفذ الإدخال/الإخراج المستخدم في هذا الجزء إلى الملف التكميلي 1.

  1. صمم وصنع منفذ الإدخال/الإخراج المناسب لتصميم الميكروفلويد.
    1. صمم منفذ إدخال/إخراج يمكن أن يتناسب مع تصميم الميكروفلويديك ويرتبط بدائرة فلوائية (أي تركيب الأنابيب، قفل اللوير).
    2. طباعة التصميم ثلاثية الأبعاد باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة.
      ملاحظة: يمكن استخدام منافذ إدخال/إخراج أخرى للتصميم، مثل منافذ الإدخال/الإخراج المشتراة أو الموصلات المثبتة بقفل اللور.
  2. قم بتوصيل منافذ الإدخال/الإخراج بجهاز الميكروفلويديك المجمع.
    1. حضر الإيبوكسي وفقا لتعليمات الشركة المصنعة وضعه في حقنة بسعة 1 مل مع إبرة 27 جالون.
    2. قم بتوزيع 100–200 ميكرولتر على واجهة منافذ الإدخال/الإخراج، مع الانتباه لعدم دخول الإيبوكسي في مسار التدفق، وربط منافذ الإدخال/الإخراج بمنافذ جهاز الميكروفلويد. اتركه يتجف لمدة 24 ساعة.

7. اختبار الجهاز

  1. قم بتوصيل جهاز الميكروفلويديك الهجين بدائرة سوائلية.
    1. باستخدام أنابيب المضخة البريستالتية (انظر جدول المواد)، قم بتوصيل خزان ماء، ومضخة دحرجة، وحساس ضغط، وجهاز الميكروفلويديك الهجين على التوالي.
    2. ضع حساس الضغط بالقرب من مدخل الجهاز قدر الإمكان لضمان قياسات ضغط دقيقة.
  2. اختبار الضغط والتسرب
    1. ضخ الماء عبر الدائرة بمعدل تدفق ابتدائي 10 مل/دقيقة.
    2. زد معدل التدفق تدريجيا بمقدار 10 مل/دقيقة كل دقيقة.
    3. قس وسجل الضغط عند كل معدل تدفق. إذا كان هناك حاجة لضغط إضافي، أضف تقييد إبرة أسفل الجهاز لزيادة مقاومة الدائرة.
    4. عرف الضغط المصنف بأنه الضغط الذي يحدث عنده أول تسرب مرئي.
  3. اختبار انخفاض الضغط
    1. باستخدام نفس الدائرة، أدخل حساس ضغط ثان مباشرة في أسفل الجهاز.
    2. تدفق المياه بمعدل تدفق محدد (10 مل/دقيقة في هذه الدراسة).
    3. احسب انخفاض الضغط عبر الجهاز كفرق بين قياسات الضغط قبل وبعد الجهاز.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

يلخص الشكل 1 تسلسل التجميع الكلي لطرق الربط الثلاثة التي تم تقييمها في هذه الدراسة. تكونت بنية الجهاز من طبقتين من البولي كربونات المصنعة، كل منهما يحتوي على قناة سائلة. تم ربط عنصر سيليكون بكل طبقة لإكمال نصف مسار التدفق المقصود. ثم تم استخدام استراتيجيات الختم المختارة لربط مجموعتي البولي كربونات، وبالتالي إحاطة القناة الدقيقة. تعرض مقاييس الأداء لكل تكوين في الجدول 1، بما في ذلك أقصى ضغط مستدام قبل التسرب، وانخفاض الضغط المقاس عند تدفق مي...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

لا يزال الإغلاق والإغلاق الموثوق يشكلان تحديات كبيرة في أنظمة الميكروفلويديك الهجينة، خاصة حيث يجب الحفاظ على السلامة الهيكلية أثناء التشغيل المضغوط. استفاد تصنيع الأجهزة الميكروفلويدية القياسية من مجموعة واسعة من استراتيجيات الربط، بما في ذلك اللحام بالليزر، والربط الحراري، وطبقات اللاصق، وتعديل السطح الكيميائي، حسب المادة والتطبيق 42,43,44,45. تقنيات الربط ال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

SR هو مؤسس شركة Silicon Kidney. NCH وDGB وSR هم مخترعون مشاركون في براءة اختراع مؤقتة تتعلق بالتقنية الموصوفة في هذه المخطوطة. ليس لدى المؤلفين أي مصالح متنافسة أخرى ليعلنوا عنها.

شكر وتقدير

شكرا للدكتور دوريان ليبمان من جامعة كاليفورنيا بيركلي على إرشاده وخبرته في تصنيع الأجهزة الميكروفلويدية.

التمويل: منحة المعاهد الوطنية للصحة U01 EB025136، منحة المعاهد الوطنية للصحة R21 HD113527، منحة وزارة الدفاع PR2104827، برنامج تطوير علماء الأطفال وبرنامج March of Dimes، المعاهد الوطنية للصحة K12HD047349

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
.040" (1.00 mm) Buna-N 70 O-Ring Cord StockThe O-Ring StoreN70.0401 mm gasket used in assembly; diameter adjustable per design
18-8 Stainless Steel Dowel PinMcMaster90145A876Used for alignment in LDPE and solvent bonding
18-8 Stainless Steel WasherMcMaster92141A006Used in gasket compression assembly
316 Stainless Steel Ultra-Low-Profile Socket Head ScrewMcMaster91223A315Screws used in gasket assembly
CAD SoftwareOnShape أو SolidWorks (أو ما يعادله)Used for device design
Desktop CO2 Laser CutterUniversal Laser Systems (أو ما يعادله)Used for cutting LDPE sheets and adhesive tape
Dichloromethane, anhydrous, 99.7+%ThermoFisher047352.M1Solvent used for solvent bonding
Digital Torque ScrewdriverChecklineTSD-400Used to apply controlled compression in gasket assembly
Epoxy Resin, two-partEpoxy Technology (أو ما يعادله)MED-302Used for bonding silicon to polycarbonate
Hex Nut, Low-Strength SteelMcMaster90480A007Used with screws for gasket compression
Low-Density Polyethylene (LDPE) FilmMcMaster8593K71100–200 µm LDPE sheet for thermal bonding
Microfluidic Diagnostic Adhesive Tape3M9965; 9972AUsed as temporary masking layer during solvent bonding
Peristaltic Pump Tubing (Size 16 equivalent)Masterflex (أو ما يعادله)Compatible with roller pump used in testing
Polycarbonate Housing (machined)Xometry (أو ما يعادله)CNC-machined polycarbonate device layers
Pressure SensorUsed to measure inlet and outlet pressures
Programmable Laboratory OvenCapable of maintaining 145 °C for LDPE bonding
Roller PumpUsed for pressure and flow testing
Silicon Substrate (solid chip)MicroDicing (أو ما يعادله)Used as model silicon component
Stainless Steel Dispensing Needles with Luer LockMcMaster75165A688Used for dispensing epoxy and solvent

المراجع

  1. Yang, S. -M., Lv, S., Zhang, W., Cui, Y. Microfluidic point-of-care (POC) devices in early diagnosis: a review of opportunities and challenges. Sensors (Basel). 22 (4), 1620(2022).
  2. Kankaanpää, M., et al. Comparison of the use of comprehensive point-of-care test panel to conventional laboratory process in emergency department. BMC Emerg Med. 18 (1), 43(2018).
  3. Ingber, D. E. Human organs-on-chips for disease modelling, drug development and personalized medicine. Nat Rev Genet. 23 (8), 467-491 (2022).
  4. Baudoin, R., Griscom, L., Monge, M., Legallais, C., Leclerc, E. Development of a renal microchip for in vitro distal tubule models. Biotechnol Prog. 23 (1), 124-131 (2007).
  5. Spinelli, J. C., et al. Wearable microfluidic biosensors with haptic feedback for continuous monitoring of hydration biomarkers in workers. npj Digit Med. 8 (1), 76(2025).
  6. Pour, S. R. S., et al. Microfluidic-based non-invasive wearable biosensors for real-time monitoring of sweat biomarkers. Biosensors. 14 (1), 29(2024).
  7. S, A. D., P, S. P. A., Naveen, J., Khan, T., Khahro, S. H. Advancement in biomedical implant materials—a mini review. Front Bioeng Biotechnol. 12, 1400918(2024).
  8. Ranjan, N. Chitosan with PVC polymer for biomedical applications: a bibliometric analysis. Mater Today Proc. 81, 894-898 (2023).
  9. Szydzik, C., Brazilek, R. J., Nesbitt, W. S. A review of design considerations for hemocompatibility within microfluidic systems. Semin Thromb Hemost. 46 (5), 622-636 (2020).
  10. Xu, Y., Yu, G., Nie, R., Wu, Z. Microfluidic systems toward blood hemostasis monitoring and thrombosis diagnosis: from design principles to micro/nano fabrication technologies. VIEW. 3 (1), 20200183(2022).
  11. Blauvelt, D. G., Abada, E. N., Oishi, P., Roy, S. Advances in extracorporeal membrane oxygenator design for artificial placenta technology. Artif Organs. 45 (3), 205-221 (2021).
  12. Matellan, C., Del Río Hernández, A. E. Cost-effective rapid prototyping and assembly of poly(methyl methacrylate) microfluidic devices. Sci Rep. 8 (1), 6971(2018).
  13. Yu, H., Chong, Z. Z., Tor, S. B., Liu, E., Loh, N. H. Low temperature and deformation-free bonding of PMMA microfluidic devices with stable hydrophilicity via oxygen plasma treatment and PVA coating. RSC Adv. 5 (11), 8377-8388 (2015).
  14. Testa, G., Persichetti, G., Sarro, P. M., Bernini, R. A hybrid silicon-PDMS optofluidic platform for sensing applications. Biomed Opt Express. 5 (2), 417-425 (2014).
  15. Toniolo, F., et al. Efficient and reliable encapsulation for perovskite/silicon tandem solar modules. Nanoscale. 15 (42), 16984-16991 (2023).
  16. Chiang, C. -C., Immanuel, P. N., Chiu, Y. -H., Huang, S. -J. Heterogeneous bonding of PMMA and double-sided polished silicon wafers through H2O plasma treatment for microfluidic devices. Coatings. 11 (5), 580(2021).
  17. Moyer, J., et al. Surgical refinement of silicon nanopore membrane devices for implantable kidney replacement therapy: 7-year experience across 90 prototypes: SA-PO557. J Am Soc Nephrol. 35 (10S), (2024).
  18. Santandreu, A. G., et al. Characterization of human islet function in a convection-driven intravascular bioartificial pancreas. Bioeng Transl Med. 8 (2), e10444(2023).
  19. Kim, E. J., et al. Feasibility of an implantable bioreactor for renal cell therapy using silicon nanopore membranes. Nat Commun. 14 (1), 4890(2023).
  20. Dharia, A., et al. Silicon micropore-based parallel plate membrane oxygenator. Artif Organs. 42 (2), 166-173 (2018).
  21. Blauvelt, D. G., et al. A silicon membrane microfluidic oxygenator for use as an artificial placenta with minimal anticoagulation. Bioeng Transl Med. , e70037(2025).
  22. Aralekallu, S., Boddula, R., Singh, V. Development of glass-based microfluidic devices: a review on its fabrication and biologic applications. Mater Des. 225, 111517(2023).
  23. Carvell, T., Burgoyne, P., Fraser, A. R., Bridle, H. Categorising hybrid material microfluidic devices. Front Lab Chip Technol. 3, 1412290(2024).
  24. Yadavali, S., Jeong, H. -H., Lee, D., Issadore, D. Silicon and glass very large scale microfluidic droplet integration for terascale generation of polymer microparticles. Nat Commun. 9 (1), 1222(2018).
  25. Thompson, A. J., Ma, L. J., Plegue, T. J., Potkay, J. A. Design analysis and optimization of a single-layer PDMS microfluidic artificial lung. IEEE Trans Biomed Eng. 66 (4), 1082-1093 (2019).
  26. Tony, A., et al. The additive manufacturing approach to polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic devices: review and future directions. Polymers. 15 (8), 1926(2023).
  27. Gonçalves, M., et al. Polydimethylsiloxane surface modification of microfluidic devices for blood plasma separation. Polymers. 16 (10), 1416(2024).
  28. Khoo, H., Allen, W. S., Arroyo-Currás, N., Hur, S. C. Rapid prototyping of thermoplastic microfluidic devices via SLA 3D printing. Sci Rep. 14 (1), 17646(2024).
  29. Gencturk, E., Mutlu, S., Ulgen, K. O. Advances in microfluidic devices made from thermoplastics used in cell biology and analyses. Biomicrofluidics. 11 (5), 051502(2017).
  30. Islam, M. M., Loewen, A., Allen, P. B. Simple, low-cost fabrication of acrylic based droplet microfluidics and its use to generate DNA-coated particles. Sci Rep. 8 (1), 8763(2018).
  31. Giri, K., Tsao, C. -W. Recent advances in thermoplastic microfluidic bonding. Micromachines. 13 (3), 486(2022).
  32. Wan, A. M. D., Moore, T. A., Young, E. W. K. Solvent bonding for fabrication of PMMA and COP microfluidic devices. J Vis Exp. (119), e55175(2017).
  33. Ogończyk, D., Węgrzyn, J., Jankowski, P., Dąbrowski, B., Garstecki, P. Bonding of microfluidic devices fabricated in polycarbonate. Lab Chip. 10 (10), 1324-1327 (2010).
  34. Ahmed, M. A. M., Jurczak, K. M., Lynn, N. S., Mulder, J. -P. S. H., Verpoorte, E. M. J., Nagelkerke, A. Rapid prototyping of PMMA-based microfluidic spheroid-on-a-chip models using micromilling and vapour-assisted thermal bonding. Sci Rep. 14 (1), 2831(2024).
  35. Hassanpour-Tamrin, S., Sanati-Nezhad, A., Sen, A. A simple and low-cost approach for irreversible bonding of polymethylmethacrylate and polydimethylsiloxane at room temperature for high-pressure hybrid microfluidics. Sci Rep. 11 (1), 4821(2021).
  36. Zhao, Z., et al. Plastic polymers for efficient DNA microarray hybridization: application to microbiological diagnostics. J Clin Microbiol. 46 (11), 3752-3758 (2008).
  37. Nielsen, J. B., et al. Microfluidics: innovations in materials and their fabrication and functionalization. Anal Chem. 92 (1), 150-168 (2020).
  38. Washburn, A. L., Gunn, L. C., Bailey, R. C. Label-free quantitation of a cancer biomarker in complex media using silicon photonic microring resonators. Anal Chem. 81 (22), 9499-9506 (2009).
  39. Kojic, S. P., Stojanovic, G. M., Radonic, V. Novel cost-effective microfluidic chip based on hybrid fabrication and its comprehensive characterization. Sensors (Basel). 19 (7), 1719(2019).
  40. Boursier, M., Bayon, Y., Negrell, C., Pinaud, J., Caillol, S. Biocompatible glues: recent progress and emerging frontiers in surgical adhesion. Polymers. 17 (13), 1749(2025).
  41. Higgins, N. Engineering a silicon membrane oxygenator for an artificial placenta. eScholarship. , (2025).
  42. Wei, Y., et al. Rapid prototyping of multi-functional and biocompatible Parafilm®-based microfluidic devices by laser ablation and thermal bonding. Micromachines. 14 (3), 656(2023).
  43. Madadi, M., Madadi, A., Zareifar, R., Nikfarjam, A. A simple solvent-assisted method for thermal bonding of large-surface, multilayer PMMA microfluidic devices. Sens Actuators A Phys. 349, 114077(2023).
  44. Riegger, L., Strohmeier, O., Faltin, B., Zengerle, R., Koltay, P. Adhesive bonding of microfluidic chips: influence of process parameters. J Micromech Microeng. 20 (8), 087003(2010).
  45. Jung, B. -J., et al. Surface functionalization and bonding of chemically inert parylene microfluidics using Parylene-A adhesive layer. BioChip J. 16 (2), 168-174 (2022).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

الهندسة الحيويةالعدد 233العدد 233قيمة فارغةالعددالموائع الدقيقةمذيببولي إيثيلين منخفض الكثافةحشيةلدن بالحرارةختمربط
طرق البناء لأجهزة الميكروفلويديك الهجينة البولي كربونات-السيليكون
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.