I sistemi microfluidici consentono la manipolazione controllata di piccoli volumi di fluidi e sono diventati strumenti essenziali nelle applicazioni biomediche, tra cui diagnostica punto di cura 1,2, piattaforme organ-on-chip 3,4 e tecnologiesensori 5,6. Nonostante la diversità delle loro applicazioni, questi dispositivi condividono esigenze ingegneristiche fondamentali: selezione appropriata dei materiali, strategie di fabbricazione riproducibili e biocompatibilitàsostenuta 7,8. Questi requisiti diventano più severi nei sistemi di contatto con il sangue, dove materiali e architetture di dispositivi devono garantire l'emocompatibilità, formare una sigillatura solida del fluido e mantenere parametri fisiologici di flusso come lo stress di taglio e i gradientidi pressione 9,10,11.
I sistemi microfluidici ibridi integrano termoplastiche con substrati rigidi come silicio e vetro, ampliando la funzionalità dei dispositivi biomedici (Figura Supplementare S1)12,13,14,15,16,17. Questo approccio è particolarmente interessante per applicazioni di contatto con il sangue, dove componenti meccanicamente fragili ma altamente precisi in silicio o vetro sono accoppiati a alloggiamenti polimerici a basso costo per consentire progetti scalabili ebiocompatibili 18,19,20,21,22,23,24 . Sebbene i PDMS e i microdispositivi termoplastici rimangano prevalenti grazie alla loro semplicità di fabbricazione, questi materiali limitano la resistenza chimica, la durabilità meccanica e l'incorporazione di materiali funzionali rigidi, stimolando lo sviluppo di architettureibride 25,26,27,28. Nonostante i vantaggi dei dispositivi ibridi, assemblare materiali dissimili presenta sfide intrinseche. Le differenze nell'espansione termica e nelle proprietà meccaniche possono compromettere l'integrità della tenuta, e le condizioni di fabbricazione devono essere strettamente controllate per preservare l'emocompatibilità, mantenere la geometria dei canali e prevenire danni alle strutture fragili di silicio o vetro. L'implementazione di successo dei sistemi ibridi, quindi, dipende da scelte deliberate delle proprietà dei materiali con strategie di fabbricazione appropriate.
I materiali termoplastici, inclusi policarbonato e poli(metilmetacrilato) (PMMA), sono ampiamente utilizzati nei sistemi microfluidici perché offrono resistenza meccanica, biocompatibilità, efficienza dei costi e sono compatibili con strategie di fabbricazione scalabili come il legame con solventi, la termocompressione e gliadesivi 12,29,30,31,32,33,34,35. Al contrario, i substrati di silicio e vetro offrono una resistenza chimica migliorata e geometrie ad alta precisione, eppure la loro integrazione con i termoplastici rimane tecnicamente difficile a causa delle disparità nella chimica superficiale e nelle proprietàmeccaniche 36,37,38,39. Il legame termocompressione convenzionale può sottoporre componenti fragili al silicio o al vetro a pressioni elevate, aumentando il rischio di crepe. In alternativa, gli approcci basati su adesivi possono ridurre lo stress meccanico ma introdurre variabilità nell'uniformità del legame o sollevare preoccupazioni riguardo alla biocompatibilità a lungotermine 40.
Il nostro laboratorio sta sviluppando dispositivi a contatto con il sangue destinati a funzioni di sostituzione degli organi, inclusi ossigenatori edemofiltri 17,21. Questi sistemi integrano membrane nanoporose di silicio come elementi funzionali attivi con alloggiamenti in policarbonato che stabiliscono il percorso del flusso sanguigno e forniscono supportomeccanico 18,19,21. Ottenere una fabbricazione robusta e scalabile di queste piattaforme dipende da un legame affidabile tra questi materiali diversi.
Questo lavoro valuta tre approcci di legame sviluppati per affrontare i vincoli dei metodi convenzionali di assemblaggio ad alta temperatura e alta pressione utilizzati nei sistemi microfluidici ibridi policarbonato–silicio. Il design della piattaforma deriva dagli sforzi in corso per sviluppare componenti modulari per un ossigenatore a membranaextracorporea microfluidica 17. Il dispositivo incorpora un alloggiamento rigido in policarbonato che garantisce stabilità meccanica e definisce un canale di flusso sanguigno lavorato, integrato con una membrana semipermeabile in silicio pensata per facilitare lo scambio gasso. Per isolare le prestazioni di legame durante i test, è stato utilizzato un substrato di silicio non poroso al posto della membrana funzionale.
I tre approcci di legame valutati erano: 1) un metodo a base di solvente che evita carichi meccanici ad alta temperatura e significativi con una strategia di mascheramento protettivo per preservare la geometria del canale, 2) una tecnica di legame termico a bassa temperatura che incorpora uno strato interstrato di polietilene a bassa densità (LDPE) da 100 μm tra piastre di policarbonato, e 3) una configurazione meccanicamente sigillata utilizzando un cavo a guarnizione O-ring posizionato attorno al canale fluidico. Queste strategie sono state confrontate sistematicamente per determinarne la fattibilità e l'affidabilità per la prototipazione rapida di dispositivi microfluidici ibridi in un contesto di ricerca di laboratorio. Tutti i metodi sono stati progettati per consentire l'assemblaggio a bassa temperatura sostenendo pressioni di funzionamento moderate (10–700 mmHg) e condizioni di flusso rilevanti per i sistemi microfluidici a contatto sanguigno. L'articolo seguente si basa su un capitolo della tesi del primoautore 41.