Les systèmes microfluidiques permettent la manipulation contrôlée de petits volumes de fluides et sont devenus des outils essentiels dans les applications biomédicales, notamment les diagnostics au pointde soins 1,2, les plateformes organe-on-puce 3,4 et les technologies de capteurs 5,6. Malgré la diversité de leurs applications, ces dispositifs partagent des exigences fondamentales d’ingénierie : sélection appropriée des matériaux, stratégies de fabrication reproductibles et biocompatibilité durable 7,8. Ces exigences deviennent plus strictes dans les systèmes de contact sanguin, où les matériaux et les architectures de dispositifs doivent garantir l’hémocompatibilité, assurer un scellement robuste des fluides et maintenir des paramètres d’écoulement physiologiques tels que les contraintes de cisaillement et les gradients de pression 9,10,11.
Les systèmes microfluidiques hybrides intègrent les thermoplastiques avec des substrats rigides tels que le silicium et le verre, élargissant ainsi la fonctionnalité des dispositifs biomédicaux (Figure supplémentaire S1)12,13,14,15,16,17. Cette approche est particulièrement intéressante pour les applications de contact sanguin, où des composants en silicium ou en verre mécaniquement fragiles mais très précis sont couplés à des boîtiers polymères à faible coût pour permettre des conceptions évolutives etbiocompatibles 18,19,20,21,22,23,24 . Bien que les PDMS et les microdispositifs thermoplastiques restent courants en raison de leur simplicité de fabrication, ces matériaux limitent la résistance chimique, la durabilité mécanique et l’intégration de matériaux fonctionnels rigides, ce qui a motivé le développement d’architectureshybrides 25,26,27,28. Malgré les avantages des dispositifs hybrides, assembler des matériaux différents présente des défis inhérents. Les différences de dilatation thermique et de propriétés mécaniques peuvent compromettre l’intégrité de l’étanchéité, et les conditions de fabrication doivent être strictement contrôlées pour préserver l’hémocompatibilité, maintenir la géométrie du canal et éviter les dommages aux structures fragiles en silicium ou en verre. La réussite de la mise en œuvre des systèmes hybrides dépend donc de choix délibérés des propriétés des matériaux avec des stratégies de fabrication appropriées.
Les matériaux thermoplastiques, notamment le polycarbonate et le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), sont largement utilisés dans les systèmes microfluidiques car ils offrent une résistance mécanique, une biocompatibilité, une efficacité de coûts et sont compatibles avec des stratégies de fabrication évolutives telles que la liaison par solvants, la thermocompression et les adhésifs12,29,30,31,32,33,34,35. En revanche, les substrats en silicium et en verre offrent une résistance chimique accrue et des géométries de haute précision, mais leur intégration avec les thermoplastiques reste techniquement difficile en raison des disparités de chimie des surfaces et des propriétésmécaniques 36,37,38,39. La liaison thermocompression conventionnelle peut soumettre des composants fragiles en silicium ou en verre à des pressions élevées, augmentant ainsi le risque de fissures. Alternativement, les approches à base d’adhésifs peuvent réduire les contraintes mécaniques mais introduire une variabilité dans l’uniformité des liaisons ou soulever des inquiétudes concernant la biocompatibilité à longterme 40.
Notre laboratoire développe des dispositifs de contact sanguin destinés à des fonctions de remplacement d’organes, notamment des oxygénateurs et deshémofiltres 17,21. Ces systèmes intègrent des membranes nanopores en silicium comme éléments fonctionnels actifs avec des boîtiers en polycarbonate qui établissent la voie de circulation sanguine et fournissent un support mécanique 18,19,21. La réalisation d’une fabrication robuste et évolutive de ces plateformes dépend d’un lien fiable entre ces matériaux différents.
Ce travail évalue trois approches de liaison développées pour répondre aux contraintes des méthodes conventionnelles d’assemblage haute température et haute pression utilisées pour les systèmes microfluidiques hybrides polycarbonate–silicium. La conception de la plateforme est issue d’efforts continus pour développer des composants modulaires pour un oxygénateur à membranemicrofluidique extracorporel 17. L’appareil intègre un boîtier rigide en polycarbonate qui assure une stabilité mécanique et définit un canal de circulation sanguine usiné, intégré à une membrane semi-perméable en silicium destinée à faciliter l’échange gazeux. Pour isoler la performance de liaison lors des essais, un substrat en silicium non poreux a été utilisé à la place de la membrane fonctionnelle.
Les trois approches de liaison évaluées étaient : 1) une méthode à base de solvant qui évite des charges mécaniques élevées et importantes grâce à une stratégie de masquage protecteur pour préserver la géométrie du canal, 2) une technique de liaison thermique à basse température incorporant une couche intercalaire en polyéthylène basse densité (LDPE) de 100 μm entre des plaques de polycarbonate, et 3) une configuration mécaniquement étanchée utilisant un cordon de joint torique positionné autour du canal fluidique. Ces stratégies ont été systématiquement comparées afin de déterminer leur faisabilité et leur fiabilité pour le prototypage rapide de dispositifs microfluidiques hybrides en laboratoire de recherche. Toutes les méthodes ont été conçues pour permettre un assemblage à basse température tout en supportant des pressions de fonctionnement modérées (10–700 mmHg) et des conditions de débit pertinentes pour les systèmes microfluidiques en contact sanguin. L’article suivant s’appuie sur un chapitre de la thèse du premier auteur41.