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Artículo de método

Métodos de construcción para dispositivos microfluídicos híbridos de policarbonato y silicio

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DOI:

10.3791/69640

⸱

28 de julio de 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

En este artículo

Resumen

Este protocolo describe tres métodos sencillos de sellado para fabricar un dispositivo microfluídico híbrido que integra componentes de policarbonato y silicio. Al implementar estrategias de unión de disolventes, compresión térmica y compresión mecánica, facilitamos técnicas de sellado fiables y a baja temperatura que evitan equipos especializados para dispositivos microfluídicos híbridos.

Resumen

Los dispositivos microfluídicos híbridos que combinan termoplásticos con sustratos rígidos, como silicio y vidrio, permiten aplicaciones biológicas avanzadas, pero son difíciles de unir debido a diferencias en las propiedades térmicas y mecánicas. Estos desafíos hacen que los métodos convencionales de alta temperatura y alta presión sean inadecuados, lo que motiva la necesidad de estrategias alternativas de sellado. Aquí presentamos tres estrategias de sellado relativamente económicas para dispositivos microfluídicos de policarbonato-silicio: unión con disolventes y enmascaramiento protector para preservar la geometría del canal; capa de enlace térmico a baja temperatura utilizando una capa intermedia de polietileno de baja densidad (LDPE) de 100 μm; y compresión mecánica con un cable de junta tórica que sirve como junta. Cada enfoque requiere pasos de diseño y montaje personalizados para garantizar sellos herméticos. Estas estrategias no requieren equipos especializados ni infraestructuras costosas, lo que las hace muy adecuadas para prototipar dispositivos microfluídicos híbridos en laboratorios de investigación académicos y entornos con recursos limitados. La unión con disolventes produjo la mayor resistencia a fugas (hasta 692 mmHg) con una interfaz robusta policarbonato–policarbonato, mientras que la compresión de juntas ofreció los sellos más reproducibles y visualmente limpios con una caída de presión mínima (2 mmHg a 10 mL/min). En contraste, el enlace LDPE mostró intrusión de canales, caída de presión elevada (196 mmHg) y casos de delaminación.

Introducción

Los sistemas microfluídicos permiten la manipulación controlada de pequeños volúmenes de fluidos y se han convertido en herramientas esenciales en aplicaciones biomédicas, incluyendo diagnósticos en punto de atención 1,2, plataformas órgano-on-chip 3,4 y tecnologías de sensores 5,6. A pesar de la diversidad de sus aplicaciones, estos dispositivos comparten las necesidades fundamentales de la ingeniería: selección adecuada de materiales, estrategias de fabricación reproducibles y biocompatibilidadsostenida 7,8. Estos requisitos se vuelven más estrictos en los sistemas de contacto sanguíneo, donde los materiales y las arquitecturas de dispositivos deben garantizar la hemocompatibilidad, formar un sellado robusto del fluido y mantener parámetros fisiológicos de flujo como el esfuerzo cortante y los gradientesde presión 9,10,11.

Los sistemas microfluídicos híbridos integran termoplásticos con sustratos rígidos como silicio y vidrio, ampliando la funcionalidad de los dispositivos biomédicos (Figura suplementaria S1)12,13,14,15,16,17. Este enfoque resulta especialmente interesante para aplicaciones de contacto con sangre, donde componentes de silicio o vidrio mecánicamente frágiles pero muy precisos se acoplan a carcasas de polímero de bajo coste para permitir diseños escalables ybiocompatibles 18,19,20,21,22,23,24 . Aunque los PDMS y los microdispositivos termoplásticos siguen siendo predominantes debido a su simplicidad de fabricación, estos materiales limitan la resistencia química, la durabilidad mecánica y la incorporación de materiales funcionales rígidos, lo que motiva el desarrollo de arquitecturashíbridas 25,26,27,28. A pesar de las ventajas de los dispositivos híbridos, ensamblar materiales diferentes presenta desafíos inherentes. Las diferencias en la expansión térmica y las propiedades mecánicas pueden debilitar la integridad del sellado, y las condiciones de fabricación deben controlarse estrictamente para preservar la hemocompatibilidad, mantener la geometría del canal y evitar daños en estructuras frágiles de silicio o vidrio. Por tanto, la implementación exitosa de sistemas híbridos depende de una elección deliberada de las propiedades del material con estrategias de fabricación adecuadas.

Los materiales termoplásticos, incluyendo policarbonato y polimetacrilato (PMMA), se utilizan ampliamente en sistemas microfluídicos porque proporcionan resistencia mecánica, biocompatibilidad, eficiencia de costes y son compatibles con estrategias de fabricación escalables como la unión de disolventes, la termocompresión y los adhesivos12,29,30,31,32,33,34,35. En cambio, los sustratos de silicio y vidrio ofrecen una resistencia química mejorada y geometrías de alta precisión, pero su integración con los termoplásticos sigue siendo técnicamente desafiante debido a las disparidades en la química superficial y las propiedadesmecánicas 36,37,38,39. La unión termocompresión convencional puede someter componentes frágiles de silicio o vidrio a presiones elevadas, aumentando el riesgo de grietas. Alternativamente, los enfoques basados en adhesivos pueden reducir el estrés mecánico, pero pueden introducir variabilidad en la uniformidad de los enlaces o generar preocupaciones sobre la biocompatibilidad a largoplazo 40.

Nuestro laboratorio está desarrollando dispositivos de contacto sanguíneo destinados a funciones de reemplazo de órganos, incluyendo oxigenadores yhemofiltros 17,21. Estos sistemas integran membranas nanoporosas de silicio como elementos funcionales activos con carcasas de policarbonato que establecen la vía de flujo sanguíneo y proporcionan soporte mecánico 18,19,21. Lograr una fabricación robusta y escalable de estas plataformas depende de una unión fiable entre estos materiales diferentes.

Este trabajo evalúa tres enfoques de enlace desarrollados para abordar las limitaciones de los métodos convencionales de ensamblaje a alta temperatura y alta presión utilizados en sistemas microfluídicos híbridos policarbonato–silicio. El diseño de la plataforma deriva de los esfuerzos continuos para desarrollar componentes modulares para un oxigenador de membrana extracorpóreamicrofluídico 17. El dispositivo incorpora una carcasa rígida de policarbonato que proporciona estabilidad mecánica y define un canal de flujo sanguíneo mecanizado, integrado con una membrana semipermeable de silicio destinada a facilitar el intercambio de gases. Para aislar el rendimiento de enlace durante las pruebas, se utilizó un sustrato de silicio no poroso en lugar de la membrana funcional.

Los tres enfoques de unión evaluados fueron: 1) un método basado en disolventes que evita altas temperaturas y cargas mecánicas significativas con una estrategia de enmascaramiento protector para preservar la geometría del canal, 2) una técnica de unión térmica a baja temperatura que incorpora una capa intermedia de polietileno de baja densidad (LDPE) de 100 μm entre placas de policarbonato, y 3) una configuración sellada mecánicamente usando un cable de junta tórica situado alrededor del canal fluídico. Estas estrategias se compararon sistemáticamente para determinar su viabilidad y fiabilidad para el prototipado rápido de dispositivos microfluídicos híbridos en un entorno de investigación de laboratorio. Todos los métodos fueron diseñados para permitir un ensamblaje a baja temperatura soportando presiones de funcionamiento moderadas (10–700 mmHg) y condiciones de flujo relevantes para sistemas microfluídicos en contacto con la sangre. El siguiente artículo se basa en un capítulo de la tesis del primer autor41.

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Protocolo

1. Diseño del dispositivo: modificaciones de carcasas de policarbonato

NOTA: Cada estrategia de unión requirió modificaciones específicas de diseño en la carcasa de policarbonato. Por ello, el diseño microfluídico base se adaptó para facilitar la implementación sencilla y eficaz de diferentes enfoques de enlace para nuestros dispositivos híbridos. Los archivos de diseño de dispositivos se proporcionan en el Archivo Suplementario 1.

  1. Diseño general de viviendas
    1. Diseña la capa de policarbonato para incluir un asiento empotrado para el chip de silicio con una canaleta interior perimetral que contenga adhesivo epoxi.
  2. Consideraciones de diseño para la unión con LDPE
    1. Incluir agujeros para clavillas en el diseño de la carcasa para permitir una alineación precisa de las capas de policarbonato y la lámina de LDPE.
    2. Ten en cuenta la altura adicional del canal creada por el grosor de la capa de LDPE.
    3. Asegúrese de que las características finales del diseño del LDPE sean las siguientes: superficie sellada: ~15cm 2, altura del canal objetivo: 200 μm.
  3. Consideraciones de diseño para la unión con disolventes
    1. Incluye agujeros para los alfileres de varilla que permitan la alineación entre capas de policarbonato.
    2. Ajusta la altura del canal para compensar la posible reducción de altura tras la unión con disolvente.
    3. Crea un borde o saliente empotrado los bordes de una pieza de policarbonato. Esto facilita la absorción del disolvente en la interfaz de unión.
    4. Asegúrese de que las características finales del diseño del disolvente sean las siguientes: superficie sellada: ~11cm 2, altura del canal objetivo: 200 μm.
  4. Consideraciones de diseño para la unión por compresión de juntas
    1. Diseña una prensaestafusas para un cable de junta que siga el camino del canal fluídico. Dimensiona la prensaestopayo para lograr aproximadamente un 25% de compresión de la sección transversal seleccionada de la junta.
    2. Incluye la prensaestopas de juntas en la pieza inferior de policarbonato; Diseña la superficie superior de policarbonato para que sea plana.
    3. Añade agujeros para los tornillos alrededor del perímetro para permitir tornillos. Para lograr una compresión uniforme, utiliza arandelas o placas de compresión fuertes. Usa tornillos para alinear las capas durante el montaje, en lugar de pasadores de varilla.
    4. Asegúrese de que las características finales del diseño de la junta sean las siguientes: superficie sellada: ~3cm 2, altura del canal objetivo: 200 μm.

2. Fabricación y preparación de capas de dispositivos

  1. Fabrica la carcasa de policarbonato.
    1. Fabricar las capas de policarbonato según las especificaciones de diseño utilizando un método adecuado (por ejemplo, fresado CNC). Para seguir este protocolo, realiza mecanizado CNC para obtener una superficie de unión plana y una rugosidad superficial de 0,8 μm.
      NOTA: También se evaluó la impresión 3D, pero resultó en curvaturas, lo que redujo el área efectiva de adhesión.
  2. Limpia las carcasas de policarbonato y los chips de silicio.
    1. Inspecciona y limpia las carcasas fabricadas para detectar residuos, rebarbas o residuos de mecanizado bajo aumento óptico. Enjuaga bien las piezas con alcohol isopropílico y deja que se sequen completamente a temperatura ambiente.
    2. Inspecciona y limpia los chips de silicio en busca de defectos o residuos en exceso. Limpia según sea necesario usando alcohol isopropílico para eliminar partículas en partituras.
      NOTA: No se incorporó ninguna preparación adicional en superficie para esta evaluación.
  3. Prepara adhesivo epoxi.
    1. Mezcla una resina epoxi de dos partes según las instrucciones del fabricante. Deja que la epoxi cure parcialmente a temperatura ambiente hasta que alcance una viscosidad más espesa adecuada para una aplicación precisa.
  4. Aplica epoxi y monta el chip de silicio.
    1. Carga la resina viscosa en una jeringuilla equipada con una aguja dispensadora. Aplica una gota controlada de epoxi en la canaleta que rodea el asiento de la viruta para astillas.
    2. Coloca suavemente el chip de silicio en el asiento empotrado, asegurando el contacto total con la resina epoxi y sin burbujas de aire atrapadas. Aplica epoxi adicional según sea necesario para rellenar cualquier hueco.
      NOTA: El uso de resina epoxi viscosa parcialmente curada minimiza el desbordamiento más allá de la zona de unión. Sin embargo, las burbujas atrapadas pueden crear puntos de fallo, así que considera desgasificar o sacar burbujas residuales del canal.
  5. Curar el vínculo principal.
    1. Deja que el conjunto cure a temperatura ambiente o a baja temperatura (<40 °C).
      NOTA: Evita el calentamiento excesivo, ya que el policarbonato tiene una baja temperatura de transición vítrea (150 °C), lo que puede provocar deformaciones o deformaciones.
  6. Sella los huecos residuales.
    1. Prepara un nuevo lote de resina epoxi y cárgalo en una jeringuilla equipada con una aguja fina (aguja de 27–30 G). Pasa una fina esfera de epoxi a lo largo de la junta perimetral entre la carcasa de silicio y policarbonato, permitiendo que la resina epoxi rellene las grietas. Deja que la capa de epoxi sellante se cure completamente antes de seguir manipulando.

3. Unión de disolventes

  1. Aplica cinta adhesiva para definir las paredes del canal. Cinta adhesiva cortada con láser para que coincida con la forma de las paredes del canal.
    NOTA: Se utilizó cinta de diagnóstico microfluídico para paredes temporales de canales (véase la Tabla de Materiales).
  2. Quita una capa de liner de la cinta. Alinea y aplica la cinta a las superficies de la pared del canal usando pasadores de varilla para alinear.
  3. Recubre el canal fluídico con alcohol polivinílico (PVA). Añade suficiente solución PVA al 1% para cubrir toda la zona del canal fluídico. Deja que la solución de PVA se seque completamente a temperatura ambiente.
    NOTA: El PVA no se disuelve fácilmente en diclorometano, por lo que protege la epoxi, el silicio, así como los recubrimientos como PDMS y PEG.
  4. Quita la máscara adhesiva. Una vez que la capa de PVA se haya curado completamente, retira cuidadosamente el adhesivo de doble cara, dejando un canal fluido recubierto de PVA. Inspecciona y, si es necesario, limpia cualquier adhesivo residual de las paredes del canal.
  5. Monta las capas de policarbonato. Alinea las carcasas superior e inferior de policarbonato usando pasadores de varilla.
  6. Aplica disolvente a lo largo de la interfaz de unión.
    1. Llena una jeringuilla de 5 mL con una aguja de 30 g con el disolvente elegido (por ejemplo, diclorometano, acetona). Coloca la punta de la jeringuilla en el borde/borde creado en el diseño del dispositivo. Dispensa cuidadosamente el disolvente a lo largo del borde/saliente a ambos lados del conjunto, permitiendo que el disolvente se filtre en la interfaz de unión y alcance la barrera de PVA.
      NOTA: Realizar toda la manipulación de disolventes en una campana de humos química, usando guantes y protección ocular. Dispensa el disolvente de forma constante para minimizar la formación de burbujas en la interfaz. PRECAUCIÓN: Eliminar el exceso de disolvente en un recipiente de residuos químicos etiquetado y apropiado, conforme a las directrices institucionales.
  7. Aplica presión y cura.
    1. Coloca un peso moderado (aproximadamente 2–3 libras) de forma uniforme sobre el dispositivo ensamblado. Deja que el dispositivo cure completamente a temperatura ambiente durante 10–15 minutos.
    2. Bajo el microscopio, asegúrate de que no haya burbujas grandes para reducir los puntos de fallo.
  8. Elimina la capa sacrificial PVA. Tras el curado, se fluye agua desionizada a 80 °C a través del canal fluídico a bajos caudales (1–5 mL/min) durante un mínimo de 3 horas para disolverse y eliminar el recubrimiento de PVA. Permite un flujo de agua de hasta 24 horas para asegurar la eliminación completa del PVA.
    1. Inspecciona visualmente el dispositivo en busca de PVA residual en el canal. Si el PVA es evidente, repite el flujo de agua hasta que no se vea PVA.

4. Vinculación con LDPE

  1. Prepara hojas de adhesión con LDPE. Láminas de polietileno de baja densidad (LDPE) cortadas con láser para adaptarse a la forma de las regiones de las paredes del canal. Para una lámina de LDPE de 100–200 μm, se utiliza un 75% de potencia y un 100% de velocidad para el cortador láser de sobremesa referenciado (véase la Tabla de Materiales).
  2. Limpia las láminas de LDPE.
    1. Inspecciona las láminas de LDPE cortadas con láser en busca de cenizas, residuos o partículas. Enjuaga bien con alcohol isopropílico (IPA) y deja secar completamente.
  3. Monta la carcasa con capas de LDPE.
    1. Alinea los recortes de LDPE en las paredes laterales del canal de fluido usando pasadores de varilla para alinearlos. Coloca la pieza superior de policarbonato sobre el conjunto inferior, enredando las capas de LDPE en la interfaz de unión.
  4. Une el conjunto en un horno caliente.
    1. Coloque la carcasa montada en un horno programable precalentado ajustado a 145 °C con un sensor de temperatura.
    2. Aplicar presión moderada (2–3 libras por pulgada cuadrada (PSI)) sobre el conjunto utilizando un peso calibrado como una placa metálica.
  5. Completa el montaje.
    1. Después de 2 horas, saca el conjunto del horno. Asegura una transparencia uniforme del LDPE en toda la superficie adherida. Deja que el dispositivo se enfríe hasta la temperatura ambiente en condiciones ambientales.

5. Sellado de juntas

  1. Corta y coloca la junta.
    1. Corta el material del cable de junta a la longitud requerida para que coincida con el camino del canal fluido.
    2. Coloca el cable de la junta en la prensaespaldas de la carcasa inferior de policarbonato, asegurando un ajuste ajustado y continuo a lo largo de todo el camino.
  2. Monta la carcasa.
    1. Alinea la pieza superior de policarbonato con la inferior usando tornillos para alinearla. Inserta los tornillos a través de la capa superior y dentro de la tuerca hexagonal, incluyendo arandelas o una placa de compresión según sea necesario para distribuir la presión de forma uniforme.
  3. Aprieta los tornillos para sellar el conjunto.
    1. Aprieta a mano cada tornillo para sujetar los tornillos y el dispositivo.
    2. Usa una llave dinamométrica para apretar cada tornillo, moviéndose en forma de cruz.
    3. Aprieta hasta 0,5 lb-in para evitar agrietar la astilla de silicio o deformar la carcasa de policarbonato. Aprieta aún más según sea necesario.
      NOTA: La compresión uniforme es fundamental para asegurar un sellado hermético y evitar que el silicio se agriete.

6. Puerto de entrada y salida (E/S)

NOTA: Los siguientes pasos han sido optimizados para evaluar nuestro diseño de dispositivo híbrido, tal y como se detalla en el resto del protocolo. Los siguientes pasos de esta sección no son necesarios para el uso de las técnicas de unión. El diseño de puertos de E/S utilizado en esta parte se ha añadido al Archivo Suplementario 1.

  1. Diseñar y fabricar el puerto de E/S adecuado para el diseño microfluídico.
    1. Diseña un puerto de E/S que encaje con el diseño microfluídico y se conecte a un circuito fluídico (es decir, conector de tubos, bloqueo luer).
    2. Imprime el diseño en 3D con una impresora 3D de alta precisión.
      NOTA: Se pueden usar otros puertos de E/S para el diseño, como puertos de E/S comprados o conectores con bloqueo por luer.
  2. Conecta los puertos de E/S al dispositivo microfluídico ensamblado.
    1. Prepara la resina epoxi según las instrucciones del fabricante y colócala en una jeringuilla de 1 mL con una aguja de 27 G.
    2. Dispensar entre 100 y 200 μL en la cara de los puertos de E/S, cuidando de que no haya epoxi en el camino de flujo, y conectar los puertos de E/S a los puertos de los dispositivos microfluídicos. Deja curar durante 24 horas.

7. Prueba del dispositivo

  1. Conecta el dispositivo microfluídico híbrido a un circuito fluídico.
    1. Utilizando tubería de bomba peristáltica (véase la Tabla de Materiales), conecta en serie un depósito de agua, una bomba de rodillos, un sensor de presión y el dispositivo microfluídico híbrido.
    2. Coloca el sensor de presión lo más cerca posible de la entrada del dispositivo para asegurar mediciones de presión precisas.
  2. Pruebas de presión y fugas
    1. Bombea agua a través del circuito a un caudal inicial de 10 mL/min.
    2. Aumenta el caudal en incrementos de 10 mL/min cada minuto.
    3. Mide y registra la presión en cada caudal. Si se requiere presión adicional, añade una restricción de aguja aguas abajo del dispositivo para aumentar la resistencia del circuito.
    4. Define la presión nominal como la presión a la que ocurre la primera fuga visible.
  3. Ensayo de caída de presión
    1. Usando el mismo circuito, inserta un segundo sensor de presión inmediatamente aguas abajo del dispositivo.
    2. Fluye el agua a un caudal seleccionado (10 mL/min en este estudio).
    3. Calcula la caída de presión a lo largo del dispositivo como la diferencia entre las mediciones de presión previas y posteriores al dispositivo.

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Resultados

La Figura 1 resume la secuencia global de ensamblaje para los tres enfoques de unión evaluados en este estudio. La arquitectura del dispositivo consistía en dos capas de policarbonato mecanizado, cada una incorporando un canal fluídico. Se unía un elemento de silicio a cada capa para completar la mitad del camino de flujo previsto. Las estrategias de sellado seleccionadas se usaron para unir los dos conjuntos de policarbonato, encerrando así el microcanal. L...

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Discusión

Un recinto y sellado fiables siguen presentando desafíos significativos en sistemas microfluídicos híbridos, especialmente cuando la integridad estructural debe mantenerse durante la operación presurizada. La fabricación estándar de dispositivos microfluídicos ha aprovechado una amplia gama de estrategias de unión, incluyendo soldadura láser, unión térmica, capas adhesivas y modificación química de superficies, dependiendo del material y la aplicación 42,43,44,45....

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Divulgaciones

SR es el fundador de Silicon Kidney. NCH, DGB y SR son coinventores de una patente provisional relacionada con la tecnología descrita en este manuscrito. Los autores no tienen otros intereses en competencia que declarar.

Agradecimientos

Gracias al Dr. Dorian Liepmann de UC Berkeley por su orientación y experiencia en fabricación de dispositivos microfluídicos.

Financiación: Subvención U01 EB025136 de los Institutos Nacionales de Salud, Subvención R21 HD113527 de los Institutos Nacionales de Salud, Subvención PR2104827 del Departamento de Defensa, Programa de Desarrollo de Científicos Pediátricos y March of Dimes, Institutos Nacionales de Salud K12HD047349

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
.040" (1.00 mm) Buna-N 70 O-Ring Cord StockThe O-Ring StoreN70.040Junta de 1 mm utilizada en el ensamblaje; diámetro ajustable según el diseño
Perno de espiga de acero inoxidable 18-8McMaster90145A876Usado para la alineación en el enlace de LDPE y disolvente
Arandela de acero inoxidable 18-8McMaster92141A006Usado en el ensamblaje de la junta
Tornillo de cabeza enchufable de acero inoxidable 316 de perfil ultrabajoMcMaster91223A315Tornillos utilizados en el ensamblaje de la junta
Software CADOnShape o SolidWorks (o equivalente)Usado para el diseño del dispositivo
Corte láser CO2 de escritorioUniversal Laser Systems (o equivalente)Usado para cortar láminas de LDPE y cinta adhesiva
Diclorometano, anhidro, 99.7+%ThermoFisher047352.M1Disolvente utilizado para la unión por disolvente
Destornillador de torque digitalChecklineTSD-400Usado para aplicar compresión controlada en el ensamblaje de la junta
Resina epoxi, de dos partesEpoxy Technology (o equivalente)MED-302Usado para unir silicio a policarbonato
Tuerca hexagonal, acero de baja resistenciaMcMaster90480A007Usado con tornillos para la compresión de la junta
Película de polietileno de baja densidad (LDPE)McMaster8593K71Hoja de LDPE de 100–200 µm para unión térmica
Cinta adhesiva diagnóstica microfluídica3M9965; 9972AUsado como capa de enmascaramiento temporal durante la unión por disolvente
Tubo de bomba peristáltica (tamaño 16 equivalente)Masterflex (o equivalente)Compatible con bomba de rodillos utilizada en pruebas
Carcasa de policarbonato (maquinada)Xometry (o equivalente)Capas de dispositivo de policarbonato mecanizadas CNC
Sensor de presiónUsado para medir las presiones de entrada y salida
Horno de laboratorio programableCapaz de mantener 145 °C para la unión de LDPE
Bomba de rodillosUsado para pruebas de presión y flujo
Sustrato de silicio (chip sólido)MicroDicing (o equivalente)Usado como componente de silicio modelo
Agujas dispensadoras de acero inoxidable con Luer LockMcMaster75165A688Usado para dispensar epoxi y disolvente

Referencias

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