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Methodenartikel

Konstruktionsmethoden für hybride Polycarbonat-Silizium-Mikrofluidikbauelemente

463 Aufrufe

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DOI:

10.3791/69640

⸱

28. Juli 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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt drei einfache Dichtungsmethoden zur Herstellung eines hybriden mikrofluidischen Bauelements, das Polycarbonat- und Siliziumkomponenten integriert. Durch die Implementierung von Lösungsmittelbindungen, thermischer Kompression und mechanischer Kompressionsstrategien ermöglichen wir zuverlässige, niedrigtemperaturige Dichtungstechniken, die spezialisierte Geräte für hybride mikrofluidische Geräte vermeiden.

Zusammenfassung

Hybride mikrofluidische Bauelemente, die Thermoplaste mit starren Substraten wie Silizium und Glas kombinieren, ermöglichen fortschrittliche biologische Anwendungen, sind jedoch aufgrund von Unterschieden in thermischen und mechanischen Eigenschaften schwer zu binden. Diese Herausforderungen machen herkömmliche Hochtemperatur- und Hochdruckverfahren ungeeignet, was den Bedarf an alternativen Dichtungsstrategien begründet. Hier stellen wir drei relativ kostengünstige Abdichtungsstrategien für Polycarbonat-Silizium-Mikrofluidikgeräte vor: Lösungsmittelbindungen mit Schutzmaskierung zur Erhaltung der Kanalgeometrie; thermische Bindungsschicht mit niedriger Temperatur unter Verwendung einer 100 μm niedrigdichten Polyethylen-(LDPE)-Zwischenschicht; und mechanische Kompression mit einem O-Ring-Kabel, das als Dichtung dient. Jeder Ansatz erfordert maßgeschneiderte Design- und Montageschritte, um undichte Dichtungen zu gewährleisten. Diese Strategien erfordern keine spezialisierte Ausrüstung oder teure Infrastruktur, was sie gut geeignet macht, hybride Mikrofluidik-Geräte in akademischen Forschungslaboren und ressourcenbegrenzten Umgebungen zu prototypisieren. Die Lösungsmittelbindung erzeugte den höchsten Leckwiderstand (bis zu 692 mmHg) mit einer robusten Polycarbonat-Polycarbonat-Schnittstelle, während die Dichtungskompression die reproproduzierbarsten, visuell saubersten Dichtungen mit minimalem Druckabfall (2 mmHg bei 10 mL/min) lieferte. Im Gegensatz dazu zeigte die LDPE-Bindung Kanalintrusion, erhöhten Druckabfall (196 mmHg) und Fälle von Delaminierung.

Einleitung

Mikrofluidiksysteme ermöglichen eine kontrollierte Manipulation kleiner Flüssigkeitsvolumina und sind zu unverzichtbaren Werkzeugen in biomedizinischen Anwendungen geworden, darunter Point-of-Care-Diagnostik 1,2, Organ-on-Chip-Plattformen 3,4 und Sensortechnologien 5,6. Trotz der Vielfalt ihrer Anwendungen teilen diese Geräte zentrale technische Anforderungen: geeignete Materialauswahl, reproduzierbare Fertigungsstrategien und nachhaltige Biokompatibilität 7,8. Diese Anforderungen werden in Blutkontaktsystemen immer strenger, wo Materialien und Gerätearchitekturen die Hämokompatibilität sicherstellen, eine robuste Flüssigkeitsdichtung bilden und physiologische Flussparameter wie Scherspannung und Druckgradienten 9,10,11 beibehalten müssen.

Hybride Mikrofluidiksysteme integrieren Thermoplaste mit starren Substraten wie Silizium und Glas, wodurch die Funktionalität biomedizinischer Geräte erweitert wird (Ergänzende Abbildung S1)12,13,14,15,16,17. Dieser Ansatz ist besonders interessant für Blutkontaktanwendungen, bei denen mechanisch empfindliche, aber hochpräzise Silizium- oder Glaskomponenten mit kostengünstigen Polymergehäusen gekoppelt werden, um skalierbare, biokompatible Designs zu ermöglichen.. Während PDMS und thermoplastische Mikrobauelemente aufgrund ihrer Fertigungseinfachheit weiterhin verbreitet sind, begrenzen diese Materialien die chemische Beständigkeit, mechanische Haltbarkeit und die Integration starrer funktionaler Materialien, was die Entwicklung hybrider Architekturen motiviert. Trotz der Vorteile hybrider Bauelemente stellt die Montage unterschiedlicher Materialien inhärente Herausforderungen mit sich. Unterschiede in der thermischen Ausdehnung und mechanischen Eigenschaften können die Dichtungsintegrität beeinträchtigen, und die Fertigungsbedingungen müssen streng kontrolliert werden, um die Hämokompatibilität zu erhalten, die Kanalgeometrie zu erhalten und Schäden an spröden Silizium- oder Glasstrukturen zu verhindern. Eine erfolgreiche Implementierung hybrider Systeme hängt daher von bewusster Auswahl der Materialeigenschaften mit geeigneten Fertigungsstrategien ab.

Thermoplastische Materialien, darunter Polycarbonat und Poly(Methylmethacrylat) (PMMA), werden in mikrofluidischen Systemen weit verbreitet eingesetzt, da sie mechanische Festigkeit, Biokompatibilität, Kosteneffizienz bieten und mit skalierbaren Fertigungsstrategien wie Lösungsmittelbindung, Thermokompression und Klebstoffen kompatibel sind.. Im Gegensatz dazu bieten Silizium- und Glassubstrate eine verbesserte chemische Beständigkeit und hochpräzise Geometrien, dennoch bleibt ihre Integration mit Thermoplasten aufgrund von Unterschieden in Oberflächenchemie und mechanischen Eigenschaftentechnisch herausfordernd. Konventionelle Thermokompressionsbindung kann spröde Silizium- oder Glaskomponenten erhöhten Drücken aussetzen, was das Risiko von Rissbildung erhöht. Alternativ können klebstoffbasierte Ansätze die mechanische Belastung verringern, aber Variabilitäten in der Bindungsgleichmäßigkeit verursachen oder Bedenken hinsichtlich der langfristigen Biokompatibilitätaufwerfen.

Unser Labor entwickelt Blutkontaktgeräte für Organersatzfunktionen, darunter Oxygenatoren undHämofilter 17,21. Diese Systeme integrieren Silizium-Nanoporenmembranen als aktive funktionelle Elemente mit Polycarbonatgehäusen, die den Blutflussweg etablieren undmechanische Unterstützung bieten. Die Erreichung einer robusten und skalierbaren Fertigung dieser Plattformen hängt von einer zuverlässigen Verbindung zwischen diesen unterschiedlichen Materialien ab.

Diese Arbeit bewertet drei Bindungsansätze, die entwickelt wurden, um die Einschränkungen konventioneller Hochtemperatur- und Hochdruckmontageverfahren für hybride Polycarbonat-Silizium-Mikrofluidiksysteme zu adressieren. Das Plattformdesign basiert auf laufenden Bemühungen zur Entwicklung modularer Komponenten für einen mikrofluidischen extrakorporalen Membran-Oxygenator17. Das Gerät verfügt über ein starres Polycarbonatgehäuse, das mechanische Stabilität bietet und einen bearbeiteten Blutflusskanal definiert, der mit einer halbdurchlässigen Siliziummembran integriert ist, die den Gasaustausch erleichtern soll. Um die Bindungsleistung während der Tests zu isolieren, wurde anstelle der funktionalen Membran ein nicht-poröses Siliziumsubstrat verwendet.

Die drei bewerteten Bindungsansätze waren: 1) eine lösungsmittelbasierte Methode, die hohe Temperaturen und erhebliche mechanische Belastungen mit einer schützenden Maskierungsstrategie zur Erhaltung der Kanalgeometrie vermeidet, 2) eine Niedertemperatur-Wärmebindungstechnik mit einer 100 μm niedrigdichten Polyethylen-(LDPE)-Zwischenschicht zwischen Polycarbonatplatten und 3) eine mechanisch abgedichtete Konfiguration mit einer O-Ring-Dichtungsleitung, die um den fluidischen Kanal positioniert ist. Diese Strategien wurden systematisch verglichen, um ihre Machbarkeit und Zuverlässigkeit für die schnelle Prototypisierung hybrider mikrofluidischer Geräte in einer Laborforschung zu bestimmen. Alle Methoden wurden so entwickelt, dass sie eine Montage bei niedrigen Temperaturen ermöglichen und dabei moderate Betriebsdrücke (10–700 mmHg) und Flussbedingungen unterstützen, die für blutkontaktierende mikrofluidische Systeme relevant sind. Der folgende Artikel baut auf einem Kapitel aus der Dissertation des Erstautors41 auf.

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Protokoll

1. Gerätedesign: Modifikationen des Polycarbonat-Gehäuses

HINWEIS: Jede Verklebungsstrategie erforderte gezielte Designmodifikationen am Polycarbonatgehäuse. Das grundlegende mikrofluidische Layout wurde daher angepasst, um eine einfache und effektive Implementierung verschiedener Bindungsansätze für unsere hybriden Geräte zu ermöglichen. Gerätedesigndateien werden in Supplemental File 1 bereitgestellt.

  1. Allgemeines Wohnraumdesign
    1. Gestalten Sie die Polycarbonatschicht so, dass sie einen versenkten Sitz für den Siliziumchip mit einer Innenroch enthält, um Epoxidkleber zu enthalten.
  2. Konstruktionsüberlegungen für LDPE-Bindungen
    1. Fügen Sie Dübelbolzlöcher im Gehäusedesign hinzu, um eine präzise Ausrichtung der Polycarbonatschichten und des LDPE-Blechs zu ermöglichen.
    2. Berücksichtigen Sie die zusätzliche Kanalhöhe, die durch die Dicke der LDPE-Schicht entsteht.
    3. Stellen Sie sicher, dass die endgültigen LDPE-Designmerkmale wie folgt sind: versiegelte Oberfläche: ~15 cm², Zielkanalhöhe: 200 μm.
  3. Konstruktionsüberlegungen zur Lösungsmittelbindung
    1. Fügen Sie Dübelstiftlöcher hinzu, um die Ausrichtung zwischen den Polycarbonatschichten zu ermöglichen.
    2. Stellen Sie die Kanalgröße an, um eine mögliche Höhenverringerung nach der Lösungsmittelbindung auszugleichen.
    3. Erstelle eine Kante oder eine Kante, indem du die Ränder eines Polycarbonatteils versenkst. Dies erleichtert das Wicking des Lösungsmittels an der Bindungsgrenze.
    4. Stellen Sie sicher, dass die endgültigen Designmerkmale des Lösungsmittels wie folgt sind: abgedichtete Oberfläche: ~11 cm2, Zielkanalhöhe: 200 μm.
  4. Konstruktionsüberlegungen zur Verdichtungsverdichtung
    1. Entwerfen Sie eine Dichtungsdrüse für ein Dichtungskabel, das dem fluidischen Kanalweg folgt. Dimensionieren Sie die Versenkung so, dass sie etwa 25 % des gewählten Dichtungsquerschnitts erreicht.
    2. Fügen Sie die Dichtungsdrüse in das untere Polycarbonatstück ein; Gestalten Sie die obere Polycarbonatoberfläche flach.
    3. Fügen Sie Schraubenlöcher rund um den Rand hinzu, um Platz für Schrauben zu ermöglichen. Um eine gleichmäßige Kompression zu erzielen, verwenden Sie Unterlegscheiben oder starke Kompressionsplatten. Verwenden Sie während der Montage Bolzen zur Schichtausrichtung anstelle von Dübelstiften.
    4. Stellen Sie sicher, dass die endgültigen Designmerkmale der Dichtung wie folgt sind: abgedichtete Oberfläche: ~3 cm², Zielkanalhöhe: 200 μm.

2. Herstellung und Vorbereitung von Geräteschichten

  1. Fertige das Polycarbonat-Gehäuse an.
    1. Fertigen Sie die Polycarbonatschichten gemäß den Konstruktionsspezifikationen mit einer geeigneten Methode (z. B. CNC-Fräsen). Um diesem Protokoll zu folgen, wird CNC-Bearbeitung durchgeführt, um eine ebene Verbindungsfläche und eine Oberflächenrauheit von 0,8 μm zu erhalten.
      HINWEIS: 3D-Druck wurde ebenfalls getestet, führte jedoch zu Schleifungen, was den effektiven Haftbereich verringerte.
  2. Reinigen Sie die Polycarbonatgehäuse und Siliziumchips.
    1. Untersuchen und reinigen Sie die gefertigten Gehäuse unter optischer Vergrößerung auf Schmutz, Bohrer oder Bearbeitungsrückstände. Spülen Sie die Teile gründlich mit Isopropylalkohol ab und lassen Sie sie bei Zimmertemperatur vollständig trocknen.
    2. Inspiziere und reinige die Siliziumchips auf Defekte oder überschüssige Rückstände. Reinigen Sie bei Bedarf mit Isopropylalkohol, um Partikelreste zu entfernen.
      HINWEIS: Für diese Bewertung wurde keine weitere Oberflächenvorbereitung einbezogen.
  3. Bereiten Sie Epoxidkleber vor.
    1. Mische ein zweiteiliges Epoxidharz gemäß den Anweisungen des Herstellers. Lassen Sie das Epoxidharz bei Raumtemperatur teilweise aushärten, bis es eine dickere Viskosität erreicht, die für eine präzise Anwendung geeignet ist.
  4. Trage Epoxidharz auf und montiere den Siliziumchip.
    1. Füllen Sie das viskose Epoxidharz in eine Spritze, die mit einer Dosiernadel versehen ist. Tragen Sie eine kontrollierte Epoxidkugel in die Rinne um den Chip-Sitz auf.
    2. Setzen Sie den Siliziumchip vorsichtig in den versenkten Sitz, wobei Sie vollen Kontakt mit dem Epoxidharz haben und keine Luftblasen eingeschlossen sind. Tragen Sie bei Bedarf zusätzliches Epoxidharz auf, um eventuelle Lücken zu füllen.
      HINWEIS: Die Verwendung von teilweise ausgehärtetem, viskosem Epoxidharz minimiert den Überlauf über die Haftfläche hinaus. Allerdings können eingeschlossene Blasen Versagenspunkte schaffen, daher sollten Sie Entgasung oder das Herausdrücken von Restblasen aus der Rinne in Betracht ziehen.
  5. Heile die primäre Bindung.
    1. Lassen Sie die Baugruppe bei Raumtemperatur oder bei niedriger Hitze (<40 °C) aushärten.
      HINWEIS: Vermeiden Sie übermäßige Erhitzung, da Polycarbonat eine niedrige Glasübergangstemperatur (150 °C) hat, was zu Verziehen oder Verbiegungen führen kann.
  6. Versiegeln Sie die Restspalten.
    1. Bereiten Sie eine frische Ladung Epoxidharz vor und füllen Sie sie in eine Spritze, die mit einer dünnen Nadel (27–30 g Nadel) versehen ist. Führen Sie eine dünne Epoxidkugel entlang der Randnaht zwischen Silizium- und Polycarbonatgehäuse, damit Epoxidharz Risse füllen kann. Lassen Sie die Dichtmittel-Epoxidschicht vollständig aushärten, bevor Sie es weiter anfassen.

3. Lösungsmittelbindung

  1. Tragen Sie Klebeband auf, um die Kanalwände zu definieren. Lasergeschnittenes Klebeband, das der Form der Kanalwände entspricht.
    HINWEIS: Mikrofluidisches Diagnoseband wurde für temporäre Kanalwände verwendet (siehe Materialtabelle).
  2. Entferne eine Linerschicht vom Klebeband. Richten Sie das Band aus und bringen Sie das Tape mit Dübeln auf die Kanalwandoberflächen auf.
  3. Beschichten Sie den Fluidkanal mit Polyvinylalkohol (PVA). Füge genug 1% PVA-Lösung hinzu, um den gesamten fluidischen Kanal abzudecken. Lassen Sie die PVA-Lösung bei Raumtemperatur vollständig trocknen.
    HINWEIS: PVA löst sich nicht leicht in Dichlormethan und schützt daher Epoxidharz, Silizium sowie Beschichtungen wie PDMS und PEG.
  4. Entferne die Klebemaske. Sobald die PVA-Schicht vollständig ausgehärtet ist, zieht man vorsichtig den doppelseitigen Klebstoff ab, sodass ein PVA-beschichteter fluidischer Kanal entsteht. Inspiziere und entfernen Sie gegebenenfalls eventuelle Klebstoffe von den Kanalwänden.
  5. Setze die Polycarbonatschichten zusammen. Richten Sie die oberen und unteren Polycarbonat-Gehäuse mit Dübelstiften aus.
  6. Wenden Sie Lösungsmittel entlang der Bindungsgrenze auf.
    1. Füllen Sie eine 5-mL-Spritze mit einer 30-G-Nadel mit dem gewählten Lösungsmittel (z. B. Dichlormethan, Aceton). Positioniere die Spritzenspitze an der Lippe/Kante, die im Gerätentwurf entstanden ist. Dosieren Sie das Lösungsmittel vorsichtig entlang der Lippe/Kante auf beiden Seiten der Baugruppe, sodass das Lösungsmittel in die Bindungsoberfläche eindringen und die PVA-Barriere erreichen kann.
      HINWEIS: Führen Sie alle Lösungsmittelhandhabungen mit einer chemischen Abgashaube durch, tragen Sie Handschuhe und Augenschutz. Geben Sie das Lösungsmittel gleichmäßig ab, um die Bildung von Blasen an der Grenzfläche zu minimieren. VORSICHT: Entsorgen Sie überschüssiges Lösungsmittel gemäß den institutionellen Richtlinien in einem gekennzeichneten, geeigneten Chemikalienbehälter.
  7. Druck ausüben und aushärten.
    1. Legen Sie ein mittleres Gewicht (ca. 1–1,5 kg) gleichmäßig auf das zusammengebaute Gerät. Lassen Sie das Gerät 10–15 Minuten bei Raumtemperatur vollständig aushärten.
    2. Unter dem Mikroskop sollten keine großen Blasen vorhanden sein, um Ausfallpunkte zu reduzieren.
  8. Entferne die PVA-Opferschicht. Nach dem Aushärten wird 80 °C deionisiertes Wasser mit niedrigen Durchflüssen (1–5 mL/min) durch den fluidischen Kanal für mindestens 3 Stunden geleitet, um die PVA-Beschichtung aufzulösen und zu entfernen. Lassen Sie bis zu 24 Stunden Wasserfluss zu, um eine vollständige PVA-Entfernung sicherzustellen.
    1. Inspiziere das Gerät visuell auf Rest-PVA im Kanal. Wenn PVA sichtbar ist, wiederholen Sie den Wasserfluss, bis kein PVA mehr sichtbar ist.

4. LDPE-Bindung

  1. Bereiten Sie LDPE-Bonding-Sheets vor. Lasergeschnittene Polyethylenplatten mit niedriger Dichte (LDPE), die der Form der Kanalwandregionen entsprechen. Für ein 100–200 μm LDPE-Blatt verwenden Sie 75 % Leistung und 100 % Geschwindigkeit für den referenzierten Desktop-Laserschneider (siehe Materialtabelle).
  2. Reinigen Sie die LDPE-Laken.
    1. Untersuchen Sie die lasergeschnittenen LDPE-Platten auf Asche, Rückstände oder Partikel. Gründlich mit Isopropylalkohol (IPA) abspülen und vollständig trocknen lassen.
  3. Bauen Sie das Gehäuse mit LDPE-Schichten zusammen.
    1. Richten Sie die LDPE-Aussparungen auf die Seitenwände des Fluidkanals mit Dübeln zur Ausrichtung aus. Legen Sie das oberste Polycarbonatstück auf die untere Baugruppe und legen Sie die LDPE-Schichten an der Verbindungsoberfläche ein.
  4. Verkleben Sie die Baugruppe in einem beheizten Ofen.
    1. Setzen Sie das zusammengebaute Gehäuse in einen vorgeheizten, programmierbaren Ofen, der auf 145 °C mit Temperatursensor eingestellt ist.
    2. Üben Sie moderaten Druck (2–3 Pfund pro Quadratzoll (PSI)) auf die Baugruppe mit einem kalibrierten Gewicht wie einer Metallplatte aus.
  5. Mach die Montage fertig.
    1. Nach 2 Stunden entferne ich die Baugruppe aus dem Ofen. Sorgen Sie für eine gleichmäßige LDPE-Transparenz über die gesamte verbondene Oberfläche. Lassen Sie das Gerät unter Umgebungstemperatur auf Raumtemperatur abkühlen.

5. Dichtung der Dichtung

  1. Schneide und setze die Dichtung.
    1. Schneiden Sie das Material des Dichtungskabels auf die erforderliche Länge, um dem Fluidkanalpfad zu entsprechen.
    2. Setzen Sie das Dichtungskabel in die Dichtungsverkleidung am unteren Polycarbonatgehäuse und sorgen Sie für eine enge und durchgehende Passform entlang des gesamten Weges.
  2. Bauen Sie das Gehäuse zusammen.
    1. Richte das obere Polycarbonatstück mit dem unteren Teil mit Schrauben zur Ausrichtung aus. Stecken Sie Schrauben durch die oberste Schicht und in die Sechskantmutter, einschließlich Unterlegscheiben oder einer Druckplatte, um den Druck gleichmäßig zu verteilen.
  3. Ziehen Sie die Schrauben fest, um die Baugruppe abzudichten.
    1. Ziehen Sie jede Schraube von Hand an, um die Schrauben und das Gerät an Ort und Stelle zu halten.
    2. Benutze einen Drehmomentschlüssel, um jede Schraube festzuziehen und dich in einem Querschnitt zu bewegen.
    3. Ziehen Sie auf 0,5 lb-in fest, um ein Riss im Siliziumchip oder eine Verformung des Polycarbonatgehäuses zu vermeiden. Ziehen Sie sie bei Bedarf weiter fest.
      HINWEIS: Sogar die Kompression ist entscheidend, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu gewährleisten und Risse im Silizium zu vermeiden.

6. Inlet-Outlet (I/O)-Port

HINWEIS: Die folgenden Schritte wurden zur Bewertung unseres hybriden Gerätedesigns optimiert, wie im restlichen Protokoll beschrieben. Die folgenden Schritte in diesem Abschnitt sind für die Anwendung der Bindungstechniken nicht erforderlich. Das in diesem Abschnitt verwendete I/O-Port-Design wurde in Supplemental File 1 aufgenommen.

  1. Entwerfen und fertigen Sie den passenden I/O-Port für das mikrofluidische Design an.
    1. Entwerfen Sie einen I/O-Port, der in das mikrofluidische Design passt und an einen fluidischen Schaltkreis (z. B. Rohrverbindung, Luer-Lock) angeschlossen wird.
    2. 3D-Drucken des Designs mit einem hochpräzisen 3D-Drucker.
      HINWEIS: Für das Design können weitere I/O-Anschlüsse verwendet werden, wie gekaufte I/O-Anschlüsse oder Luer-Locked-Anschlüsse.
  2. Schließen Sie die I/O-Ports an das montierte mikrofluidische Gerät an.
    1. Bereiten Sie Epoxidharz gemäß den Anweisungen des Herstellers vor und legen Sie es mit einer 27-G-Nadel in eine 1-mL-Spritze.
    2. Dosieren Sie 100–200 μL auf die Vorderseite der I/O-Kanäle, achten Sie darauf, dass kein Epoxidharz in den Durchflussweg gelangt, und verbinden Sie die I/O-Ports mit den Mikrofluidik-Anschlüssen. Lassen Sie 24 Stunden aushärten.

7. Testung des Geräts

  1. Verbinden Sie das hybride mikrofluidische Gerät mit einer fluidischen Schaltung.
    1. Mit peristaltischem Pumpenrohr (siehe Materialtabelle) werden ein Wasserreservoir, eine Walzenpumpe, ein Drucksensor und das hybride mikrofluidische Gerät in Reihe geschaltet.
    2. Positionieren Sie den Drucksensor so nah wie möglich am Einlass des Geräts, um genaue Druckmessungen zu gewährleisten.
  2. Druck- und Lecktests
    1. Pumpen Sie Wasser mit einer Anfangsdurchflussrate von 10 mL/min durch den Stromkreis.
    2. Erhöhen Sie die Durchflussrate in Schritten von 10 mL/min pro Minute.
    3. Messen und zeichnen Sie den Druck bei jeder Durchflussrate auf. Wenn zusätzlicher Druck erforderlich ist, fügen Sie stromabwärts dem Gerät eine Nadelbeschränkung hinzu, um den Schaltungswiderstand zu erhöhen.
    4. Definieren Sie den Nenndruck als den Druck, bei dem das erste sichtbare Leck auftritt.
  3. Druckabfallprüfung
    1. Mit demselben Stromkreis wird ein zweiter Drucksensor unmittelbar stromabwärts des Geräts eingesetzt.
    2. Wasser mit einer ausgewählten Durchflussrate (10 mL/min in dieser Studie) fließen lassen.
    3. Berechnen Sie den Druckabfall über das Gerät als Differenz zwischen Druckmessungen vor und nach dem Gerät.

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Ergebnisse

Abbildung 1 fasst die gesamte Montagesequenz der drei in dieser Studie bewerteten Bindungsansätze zusammen. Die Bauelementarchitektur bestand aus zwei bearbeiteten Polycarbonatschichten, die jeweils einen fluidischen Kanal enthielten. Ein Siliziumelement wurde an jede Schicht gebunden, um die Hälfte des vorgesehenen Durchflusswegs abzuschließen. Die ausgewählten Dichtungsstrategien wurden dann verwendet, um die beiden Polycarbonat-Baugruppen zu verbinden und...

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Diskussion

Eine zuverlässige Abdeckung und Abdichtung stellen in hybriden Mikrofluidsystemen weiterhin erhebliche Herausforderungen dar, insbesondere wenn die strukturelle Integrität während des Druckbetriebs aufrechterhalten werden muss. Die Standardfertigung von mikrofluidischen Geräten hat eine Vielzahl von Bindungsstrategien genutzt, darunter Laserschweißen, thermische Bindungen, Klebstoffschichten und chemische Oberflächenmodifikation, je nach Material und Anwendung 42,43,44,45.

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Offenlegungen

SR ist der Gründer von Silicon Kidney. NCH, DGB und SR sind Mit-Erfinder eines vorläufigen Patents, das sich auf die in diesem Manuskript beschriebene Technologie bezieht. Die Autoren haben keine weiteren konkurrierenden Interessen zu erklären.

Danksagungen

Vielen Dank an Dr. Dorian Liepmann von der UC Berkeley für seine Anleitung und Expertise in der Herstellung von mikrofluidischen Geräten.

Finanzierung: National Institutes of Health Grant U01 EB025136, National Institutes of Health Grant R21 HD113527, Department of Defense Grant PR2104827, Pediatric Scientist Development Program & March of Dimes, National Institutes of Health K12HD047349

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
.040" (1,00 mm) Buna-N 70 O-Ring Cord StockThe O-Ring StoreN70.0401 mm Dichtung, verwendet in der Montage; Durchmesser je nach Design einstellbar
18-8 EdelstahlstiftMcMaster90145A876Verwendet für die Ausrichtung bei LDPE und Lösungsmittelverklebung
18-8 EdelstahlscheibeMcMaster92141A006Verwendet in Dichtungskompressionsbaugruppe
316 Edelstahl Ultra-Low-Profile SechskantschraubeMcMaster91223A315Schrauben, die in der Dichtungsbaugruppe verwendet werden
CAD-SoftwareOnShape oder SolidWorks (oder gleichwertig)Verwendet für Gerätedesign
Desktop CO2 LaserschneiderUniversal Laser Systems (oder gleichwertig)Verwendet zum Schneiden von LDPE-Folien und Klebeband
Dichlormethan, wasserfrei, 99,7+%ThermoFisher047352.M1Lösungsmittel, das für die Lösungsmittelverklebung verwendet wird
Digitaler DrehmomentschrauberChecklineTSD-400Verwendet, um eine kontrollierte Kompression in der Dichtungsbaugruppe anzuwenden
Epoxydharz, zweikomponentigEpoxy Technology (oder gleichwertig)MED-302Verwendet zum Verkleben von Silikon mit Polycarbonat
Sechskantmutter, niedrigfester StahlMcMaster90480A007Verwendet mit Schrauben für Dichtungskompression
Niederdichtes Polyethylen (LDPE) FilmMcMaster8593K71100–200 μm LDPE-Folie für thermische Verklebung
Mikrofluidische diagnostische Klebeband3M9965; 9972AVerwendet als temporäre Abdeckschicht während der Lösungsmittelverklebung
Peristaltische Pumpenschlauch (Größe 16 äquivalent)Masterflex (oder gleichwertig)Kompatibel mit Rollenpumpe, die bei Tests verwendet wird
Polycarbonatgehäuse (bearbeitet)Xometry (oder gleichwertig)CNC-bearbeitete Polycarbonat-Geräteschicht
DrucksensorVerwendet zur Messung von Einlass- und Auslassdrücken
Programmierbarer LaborofenFähig, 145 °C für LDPE-Verklebung aufrechtzuerhalten
RollenpumpeVerwendet für Druck- und Durchflusstests
Silicium-Substrat (fester Chip)MicroDicing (oder gleichwertig)Verwendet als Silizium-Modellkomponente
Edelstahl-Dosiernadeln mit Luer-LockMcMaster75165A688Verwendet zum Dosieren von Epoxid und Lösungsmittel

Referenzen

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