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方法論記事

ハイブリッドポリカーボネート-シリコンマイクロ流体デバイスの構造方法

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DOI:

10.3791/69640

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2026年7月28日

 ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

このプロトコルは、ポリカーボネートとシリコン部品を統合したハイブリッドマイクロ流体デバイスを作るための3つの簡易なシーリング方法を説明しています。溶剤結合、熱圧縮、機械的圧縮戦略を導入することで、ハイブリッドマイクロ流体デバイス用の特殊な機器を避けた信頼性の高い低温シーリング技術を可能にします。

要約

熱可塑性とシリコンやガラスなどの剛性基板を組み合わせたハイブリッドマイクロ流体デバイスは、高度な生物学的応用を可能にしますが、熱的および機械的特性の違いにより接合が困難です。これらの課題により、従来の高温・高圧方式は適さず、代替のシーリング戦略の必要性が高まっています。ここでは、ポリカーボネート–シリコンマイクロ流体デバイス向けの比較的低コストの3つのシール戦略を紹介します。チャネル形状を保つための保護マスキングを用いた溶媒接合、100μmの低密度ポリエチレン(LDPE)インター層を用いた低温熱接合層;そしてガスケットとして機能するOリングコードによる機械的圧縮です。それぞれのアプローチには、漏れ防止シールを確保するために、設計や組み立てに合わせた工程が必要です。これらの戦略は専門的な機器や高価なインフラを必要としないため、学術研究室や資源制限のある環境でのハイブリッドマイクロ流体デバイスの試作に適しています。溶剤接合は堅牢なポリカーボネート–ポリカーボネート界面で最大692 mmHgの漏れ耐性を生み出し、ガスケット圧縮は最も再現性が高く、視覚的に清潔で圧力損失も最小(10 mL/minで2 mmHg)を生み出しました。対照的に、LDPE結合ではチャネル侵入、圧力降下(196 mmHg)、剥離の事例が見られました。

概要

マイクロ流体システムは小さな流体体積の制御操作を可能にし、ポイントオブケア診断1,2、オルガンオンチッププラットフォーム3,4、センサー技術5,6などの生体医学応用において不可欠なツールとなっています。用途の多様性にもかかわらず、これらの装置は適切な材料選択、再現可能な製造戦略、持続的な生体適合性といったコアな工学的要求を共有しています7,8。これらの要件は血液接触システムではより厳格になり、材料や装置の構造は血液適合性を確保し、強固な流体シールを形成し、せん断応力や圧力勾配9、10、11などの生理的流れパラメータを維持しなければなりません。

ハイブリッドマイクロ流体システムは、熱可塑性樹脂とシリコンやガラスなどの剛性基板を統合し、生物医療機器の機能を拡張します(補足図S1)12,13,14,15,16,17。このアプローチは特に血液接触用途で注目されており、機械的に脆弱でありながら高精度なシリコンやガラス部品を低コストのポリマーハウジングに結合させ、スケーラブルで生体適合性のある設計を可能にします。18,19,20,21,22,23,24.PDMSや熱可塑性マイクロデバイスは製造の簡便さから依然として広く使われていますが、これらの材料は化学的耐性、機械的耐久性、剛性機能材料の組み込みを制限し、ハイブリッドアーキテクチャの開発を促しました。ハイブリッドデバイスの利点がある一方で、異なる素材を組み立てることには本質的な課題があります。熱膨張や機械的特性の違いはシールの完全性を損なう可能性があり、製造条件は血液適合性の維持、チャネル形状の維持、脆いシリコンやガラス構造の損傷を防ぐために厳密に管理されなければなりません。したがって、ハイブリッドシステムの成功した実装は、適切な製造戦略を伴う材料特性の意図的な選択にかかっています。

ポリカーボネートやポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)を含む熱可塑性材料は、機械的強度、生体適合性、コスト効率を提供し、溶剤接着、熱圧縮、接着剤などの拡張可能な製造戦略と互換性があるため、マイクロ流体システムで広く使用されています。.対照的に、シリコンやガラス基板は化学耐性の向上と高精度な形状を提供しますが、表面化学や機械的特性の差異により熱可塑性樹脂との統合は技術的に困難なままです。従来の熱圧縮接合は、脆いシリコンやガラス部品に高圧をかけることがあり、亀裂のリスクを高めます。あるいは、接着剤ベースのアプローチは機械的応力を軽減するかもしれませんが、結合の均一性にばらつきが生じたり、長期的な生体適合性に関する懸念が生じる可能性があります。

私たちの研究室は、臓器置換機能のための血液接触装置、酸素装置や血液フィルターなどを開発しています17,21。これらのシステムは、シリコンナノポア膜を能動的機能要素として統合し、ポリカーボネートハウジングが血流経路を確立し、機械的支援を提供します18,19,21。これらのプラットフォームの堅牢で拡張可能な製造を実現するには、異質な材料間の信頼性の高い接合が不可欠です。

本研究では、ハイブリッドポリカーボネート–シリコンマイクロ流体システムで用いられる従来の高温・高圧組立法の制約に対応するために開発された3つの接合手法を評価します。このプラットフォーム設計は、マイクロ流体外膜酸素供給装置17のモジュール式コンポーネント開発の継続的な取り組みから派生しています。この装置は、機械的安定性を提供する剛性ポリカーボネート製のハウジングを組み込み、半透膜シリコン膜と統合された機械化された血流チャネルを特徴としています。試験中の結合性能を隔離するために、機能膜の代わりに非多孔質のシリコン基板が使用されました。

評価された3つの接合アプローチは、1) 高温および大きな機械的負荷を回避し、チャネル形状を保護する保護マスキング戦略を用いた溶媒ベースの方法、2) ポリカーボネート板間に100μmの低密度ポリエチレン(LDPE)中間層を組み込んだ低温熱接合技術、3) 流体チャネルの周囲に配置されたOリングガスケットコードを用いて機械的に密封された構成である。これらの戦略は、実験室研究環境でのハイブリッドマイクロ流体デバイスの迅速な試作の実現可能性と信頼性を評価するために体系的に比較されました。すべての方法は、血液接触型マイクロ流体システムに関連する適度な運転圧力(10–700 mmHg)と流れ条件を支持しつつ、低温組立を可能にするよう設計されました。以下の記事は第一著者41の博士論文の章を基にしています。

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プロトコル

1. デバイス設計:ポリカーボネートハウジングの改良

注:各接合戦略にはポリカーボネートハウジングの設計修正が必要でした。そのため、ベースのマイクロ流体レイアウトは、ハイブリッドデバイス向けに異なる結合手法を簡単かつ効果的に実装できるように調整されました。デバイス設計ファイルは 補足ファイル1に提供されています。

  1. 一般的な住宅設計
    1. ポリカーボネート層にはシリコンチップ用の凹み込みシートと、エポキシ接着剤を内蔵する内側の溝を設ける設計です。
  2. LDPE接合の設計上の考慮事項
    1. ハウジング設計にダボピン穴を設け、ポリカーボネート層とLDPEシートの正確な位置合わせを可能にします。
    2. LDPE層の厚さによって生じる追加のチャネル高さを考慮します。
    3. 最終的なLDPE設計特徴は以下の通りであることを確認してください:密閉表面積:~15 cm2、ターゲットチャネルの高さ:200 μm。
  3. 溶媒結合の設計上の考慮事項
    1. ポリカーボネート層間の整列を可能にするダボピン穴を設けてください。
    2. 溶媒結合後の高さ低下の可能性を考慮してチャネルの高さを調整します。
    3. ポリカーボネートの縁を埋め込みしてリップやレッジを作りましょう。これにより、接着界面での溶剤ウィッキングが促進されます。
    4. 最終的な溶剤設計の特徴は以下の通りであることを確認してください:密閉表面積:~11 cm2、ターゲットチャネルの高さ:200 μm。
  4. ガスケット圧縮接合の設計上の考慮事項
    1. ガスケットコード用のガスケットグランドを流体チャネル経路に沿って設計してください。選択したガスケット断面積の約25%圧縮を達成するためにグランドのサイズを調整します。
    2. 下部ポリカーボネート材にガスケットグランドを含みます。上部のポリカーボネート表面は平らに設計してください。
    3. ネジを取り付けられるように周囲にボルト穴を設けてください。均一な圧縮を実現するために、ワッシャーや強力な圧縮板を使いましょう。組み立て時の層の位置合わせには、ダボピンの代わりにボルトを使いましょう。
    4. 最終的なガスケット設計の特徴は以下の通りであることを確認してください:密閉表面積:~3 cm2、ターゲットチャネルの高さ:200 μm。

2. デバイス層の製造および準備

  1. ポリカーボネートハウジングを製作してください。
    1. 設計仕様に従って適切な方法(例:CNCフライリング)を用いてポリカーボネート層を製作します。このプロトコルに従うためにCNC加工を行い、平らな接合面と0.8μmの表面粗さを得ます。
      注:3Dプリンティングも評価されましたが、反りが生じ、実効接着面積が減少しました。
  2. ポリカーボネートのハウジングやシリコンチップを清掃してください。
    1. 光学的拡大で、製造されたハウジングの破片、バー、加工残留物を点検・清掃してください。部品をイソプロピルアルコールでしっかりすすぐ後、室温で完全に乾燥させます。
    2. シリコンチップの欠陥や余分な残留物を点検し、清掃してください。必要に応じてイソプロピルアルコールを使って粒子状のゴミを除去してください。
      注:本評価のために追加の表面準備は行われていません。
  3. エポキシ接着剤を準備します。
    1. メーカーの説明書に従って二成分エポキシを混ぜてください。エポキシは室温で部分的に硬化し、正確な塗布に適した粘度になるまで待ちます。
  4. エポキシを塗ってシリコンチップを取り付けます。
    1. 粘性エポキシをディスペンシングニーク付きのシリンジに注入します。チップシートを囲むトラフに制御されたエポキシのビードを塗布します。
    2. シリコンチップを凹んだ座席に優しく挿入し、エポキシと完全に接触し、気泡が閉じ込められないようにします。必要に応じて隙間を埋めるために追加のエポキシを塗布してください。
      注意:部分硬化した粘性エポキシを使用することで、接着部以降の溢れを最小限に抑えます。ただし、閉じ込められた気泡は故障点を作ることがあるため、ガスを抜いたり、トラフから残留気泡を出すことを検討してください。
  5. 一次結合を硬化させる。
    1. 常温または低温(<40°C)で硬化させます。
      注意:ポリカーボネートはガラス転移温度が低い(150°C)ため、反りや反りが生じる可能性があるため、過度な加熱は避けてください。
  6. 残った隙間を塞ぎましょう。
    1. 新しいエポキシを準備し、細い針(27〜30Gの針)を装着した注射器に詰めます。シリコンとポリカーボネートのハウジングの間の周囲継ぎ目に沿って薄いエポキシのビーズを通し、ひび割れを埋めます。シーラントのエポキシ層が完全に硬化するまで待ってから、さらに取り扱ってください。

3. 溶剤結合

  1. チャンネルの壁を定義するために粘着テープを貼ります。チャネル壁の形状に合わせてレーザーカットの接着テープを貼ります。
    注:一時的なチャネル壁にはマイクロ流体診断テープが使用されました( 材料表参照)。
  2. テープからライナーの層を一枚剥がしてください。テープをダウエルピンでチャンネル壁面に合わせて貼り付け、アライメントします。
  3. 流体チャネルにポリビニルアルコール(PVA)を塗布します。流体チャネル全体を覆うために十分な1%のPVA溶液を加えます。PVA溶液を室温で完全に乾燥させます。
    注意:PVAはジクロロメタンに容易に溶けないため、エポキシ、シリコン、さらにはPDMSやPEGなどのコーティングを保護します。
  4. 接着マスクを外してください。PVA層が完全に硬化したら、両面接着剤を慎重に剥がし、PVAコーティングされた流体チャネルを残します。チャネル壁の接着剤を点検し、必要に応じて残留粘着剤を除去してください。
  5. ポリカーボネート層を組み立てます。ポリカーボネートの上下のハウジングをダボピンで合わせます。
  6. 接着界面に沿って溶媒を塗布します。
    1. 5mLの注射器に30Gの針で選んだ溶媒(例:ジクロロメタン、アセトン)を充填します。注射器の先端を装置設計で作られたリップやレッジに位置させます。溶剤をアセンブリのリップ/レッジに沿って慎重に分散し、溶剤が接合界面に吸い込まれPVAバリアに到達できるようにします。
      注意:すべての溶剤取り扱いは、手袋と保護眼鏡を着用して化学煙幕フード内で行ってください。溶媒を一定に分散させ、界面での気泡形成を最小限に抑えましょう。注意:余剰溶剤は、機関のガイドラインに従ってラベルが貼られた適切な化学廃棄物容器に処分してください。
  7. 圧をかけて硬化させてください。
    1. 組み立てた装置の上に、約2〜3ポンド程度の重りを均等に置きます。装置を室温で10〜15分間完全に硬化させます。
    2. 顕微鏡の下で大きな気泡がないか確認し、故障点を減らしましょう。
  8. PVAの犠牲層を取り除いてください。硬化後、80°Cの脱イオン水を低流量(1–5 mL/分)で流体チャネルに流し、PVA被覆を溶かして除去します。PVAを完全に除去するために最大24時間の水流を確保してください。
    1. 機器を目視でチャンネル内に残留PVAがないか確認してください。PVAが見られたら、水の流れを繰り返してPVAが見えなくなるまで繰り返します。

4. LDPE結合

  1. LDPE接着シートを準備してください。チャネル壁の形状に合わせてレーザーカットされた低密度ポリエチレン(LDPE)シートを使用します。100〜200μmのLDPEシートでは、参照されたデスクトップレーザーカッターで75%の出力と100%の速度を用いてください(材料 表参照)。
  2. LDPEのシートをきれいにしてください。
    1. レーザーカットされたLDPEシートに灰、残留物、粒子状物質がないか検査してください。イソプロピルアルコール(IPA)でよくすすぎ、完全に乾かします。
  3. ハウジングはLDPE層で組み立てます。
    1. ダウエルピンを使って、液体チャネルの側面壁にLDPEカットアウトを整列させます。上部のポリカーボネート材を下部アセンブリに置き、LDPE層を接合界面で挟みます。
  4. 加熱されたオーブンで組み立てを接着します。
    1. 組み立てたハウジングを、温度センサー付きの145°Cに設定した予熱されたプログラム可能なオーブンに入れます。
    2. 金属板などの校正済み重りを使い、組立体の上に適度な圧力(2〜3ポンド毎平方インチ(PSI))を加えます。
  5. 組み立てを完了してください。
    1. 2時間後にオーブンから組み立て物を取り出します。接着された表面積全体にわたってLDPEの透明性を均一に保ちましょう。装置を室温まで冷やし、環境条件下で待ってください。

5. ガスケットシール

  1. ガスケットを切って取り付けます。
    1. ガスケットコードの素材を流体チャネル経路に合わせて必要な長さに切断します。
    2. ガスケットコードを下部ポリカーボネートハウジングのガスケットグランドに差し込み、全体にわたってぴったりと連続的にフィットするようにします。
  2. ハウジングを組み立てる。
    1. 上部のポリカーボネートパーツをボルトで下部パーツに合わせます。ボルトを上層から六角ナットに挿入し、必要に応じてワッシャーや圧縮板も含めて圧力を均等に分散させます。
  3. ボルトを締めてアセンブリを密閉してください。
    1. ネジを手で締めてボルトと装置を固定します。
    2. トルクレンチを使って各ネジをクロスパターンに締めます。
    3. シリコンチップの割れやポリカーボネートハウジングの変形を防ぐために、0.5ポンドインチに締めてください。必要に応じてさらに締めてください。
      注意:流体密閉性を確保し、シリコンの亀裂を防ぐためには、均等圧縮が不可欠です。

6. 入口出口(I/O)ポート

注:以下のステップは、プロトコルの残りの部分で示されたハイブリッドデバイス設計の評価のために最適化されています。この節の以下の手順は接着技術の使用には必須ではありません。この部分で使用されたI/Oポート設計は 補足ファイル1に追加されました。

  1. マイクロ流体設計に適したI/Oポートを設計・製造します。
    1. マイクロフルイド設計に適合し、流体回路に接続できるI/Oポート(チューブフィッティング、ルーアロック)を設計してください。
    2. 高精度3Dプリンターでデザインを3Dプリントします。
      注意:設計上は購入済みのI/Oポートやルーアロックコネクタなど、他のI/Oポートも使用可能です。
  2. I/Oポートを組み立てたマイクロ流体デバイスに接続します。
    1. メーカーの指示に従ってエポキシを準備し、27Gの針を使った1mLのシリンジに入れます。
    2. I/Oポートの面に100〜200μLを分散し、流れ経路にエポキシが入らないように注意しつつ、I/Oポートをマイクロフルイドデバイスポートに接続します。24時間硬化させます。

7. 装置のテスト

  1. ハイブリッドマイクロフルイディックデバイスを流体回路に接続します。
    1. 蠕動ポンプのチューブ( 材料表参照)を使い、水タンク、ローラーポンプ、圧力センサー、ハイブリッドマイクロ流体装置を直列に接続します。
    2. 正確な圧力測定を確保するために、圧力センサーを機器の入口にできるだけ近づけてください。
  2. 圧力および漏れ試験
    1. 回路に水を10 mL/minの初期流量で送ります。
    2. 流量を1分ごとに10 mL/分ずつ増やしてください。
    3. 各流量で圧力を測定・記録してください。追加の圧力が必要な場合は、装置の下流に針制限を追加して回路抵抗を増加させます。
    4. 定格圧力を、最初に目に見える漏れが発生する圧力と定義します。
  3. 圧力降下試験
    1. 同じ回路を使い、装置のすぐ下流に2つ目の圧力センサーを挿入します。
    2. 選択された流量(本研究では10 mL/min)で水を流します。
    3. 装置全体の圧力降下を、装置前と後の圧力測定値の差として計算します。

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結果

図1 は、本研究で評価された3つの結合アプローチの全体的な組み立てシーケンスをまとめたものです。この装置のアーキテクチャは、2層の加工されたポリカーボネート層で構成され、それぞれに流体チャネルが組み込まれていました。各層にはシリコン素子が結合され、意図された流れ経路の半分を完成させました。選定されたシール戦略を用いて2つのポリカーボネートアセンブリを結合し、マイクロチャネルを封閉しました。各構成の性能指標は 表1に示されており、漏れ前の最大持続圧力、10 mL/minの水流量で測定した圧力降下、接合後のチャネル高測定値41を含みます。

図2 は、溶媒結合によって得られた爆発CADレンダリング、組み立て済み構成、最終プロトタイプを示しています。この方法で製造された装置は、最大692 mmHgの漏れ試験圧力に耐えられまし...

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ディスカッション

ハイブリッドマイクロ流体システムにおいて、信頼性の高いエンクロージャーとシールは依然として大きな課題であり、特に加圧運転中に構造の完全性を維持する必要がある場合に顕著です。標準的なマイクロ流体デバイス製造では、材料や用途に応じてレーザー溶接、熱接合、接着層、化学的表面修飾など幅広い接合戦略が活用されています。確立された結合技術は一般的に単一ポリマー構造物で効果的であり、しかし、化学的・機械的に異なる材料で構成されるハイブリッドデバイスは、界面間の制約をもたらします。接合界面での性質の不一致は、密閉性能を損なうだけでなく、機械的故障の原因となります。これらの課題にもかかわらず、ハイブリッドマイクロ流体デバイスは、均一なポリマーシステムでは容易に達成できない機能を実現し、より高度なデバイスアーキテクチャをサポートする剛性...

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開示事項

SRはシリコン・キドニーの創設者です。NCH、DGB、SRは、本論文で記述された技術に関連する暫定特許の共同発明者です。著者たちには他に競合する利害関係はありません。

謝辞

UCバークレーのドリアン・リープマン博士にマイクロ流体デバイス製造の指導と専門知識を提供していただき、ありがとうございます。

資金調達: 国立衛生研究所助成金U01 EB025136、国立衛生研究所助成金R21 HD113527、国防総省助成金PR2104827、小児科学者育成プログラムおよびMarch of Dimes、国立衛生研究所K12HD047349

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
.040" (1.00 mm) Buna-N 70 O-Ring Cord StockOリングストアN70.040アセンブリで使用される1 mmガスケット; 直径は設計ごとに調整可能
18-8ステンレススチールドウェルピンMcMaster90145A876LDPEと溶剤ボンドの位置合わせに使用
18-8ステンレススチールワッシャーMcMaster92141A006ガスケットの圧縮アセンブリに使用
316ステンレススチール超低プロファイルソケットヘッドねじMcMaster91223A315ガスケットアセンブリに使用されるねじ
CADソフトウェアOnShapeまたはSolidWorks（または同等のもの）デバイス設計に使用
デスクトップCO2レーザーカッターUniversal Laser Systems（または同等のもの）LDPEシートと粘着テープの切断に使用
ジクロロメタン、無水、99.7％以上ThermoFisher047352.M1溶剤ボンドに使用される溶剤
デジタルトルクドライバーChecklineTSD-400ガスケットアセンブリに制御された圧縮を適用するために使用
エポキシ樹脂、2成分Epoxy Technology（または同等のもの）MED-302シリコンをポリカーボネートに接着するために使用
六角ナット、低強度鋼McMaster90480A007ガスケット圧縮用ねじと共に使用
低密度ポリエチレン（LDPE）フィルムMcMaster8593K71熱ボンド用100–200 µm LDPEシート
マイクロ流体診断粘着テープ3M9965; 9972A溶剤ボンド中の一時的なマスキング層として使用
ペリスタルティックポンプチューブ（サイズ16相当）Masterflex（または同等のもの）テストに使用されるローラーポンプと互換性
ポリカーボネートハウジング（機械加工）Xometry（または同等のもの）CNC加工されたポリカーボネートデバイス層
圧力センサーLDPEボンドの145 °Cを維持可能
プログラマブル研究用オーブンLDPEボンドのための145 °Cを維持可能
ローラーポンプ圧力と流量のテストに使用
シリコン基板（固体チップ）MicroDicing（または同等のもの）モデルシリコンコンポーネントとして使用
リューアルロック付きステンレス鋼分配ニードルMcMaster75165A688エポキシと溶剤の分配に使用

参考文献

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