Systemy mikrofluidyczne umożliwiają kontrolowane manipulowanie małymi objętościami płynów i stały się podstawowymi narzędziami w zastosowaniach biomedycznych, w tym w diagnostyce w punkcie opieki1,2, platformach organ-on-chip3,4 oraz technologiach sensorycznych5,6. Pomimo różnorodności ich zastosowań, urządzenia te dzielą wspólne wymagania inżynieryjne: odpowiedni dobór materiałów, powtarzalne strategie produkcji i utrzymanie biokompatybilności7,8. Te wymagania stają się bardziej surowe w systemach kontaktujących się z krwią, gdzie materiały i architektura urządzeń muszą zapewniać hemokompatybilność, utworzenie trwałej uszczelki płynowej oraz utrzymanie fizjologicznych parametrów przepływu, takich jak nacisk ścinający i gradienty ciśnienia9,10,11.
Hybrydowe systemy mikrofluidyczne integrują termoplastyki z sztywnymi podłożami, takimi jak krzem i szkło, rozszerzając funkcjonalność urządzeń biomedycznych (Dodatkowa Figurka S1)12,13,14,15,16,17. Podejście to jest szczególnie interesujące w zastosowaniach kontaktujących się z krwią, gdzie mechanicznie kruche, ale wysoce precyzyjne komponenty krzemowe lub szklane są połączone z nisko kosztownymi obudowami polimerowymi, aby umożliwić skalowalne, biokompatybilne projekty18,19,20,21,22,23,24. Chociaż urządzenia mikrofluidyczne z PDMS i termoplastyków pozostają rozpowszechnione ze względu na prostotę produkcji, materiały te ograniczają odporność chemiczną, trwałość mechaniczną i wprowadzenie sztywnych materiałów funkcjonalnych, co motywuje rozwój hybrydowych architektur25,26,27,28. Pomimo zalet urządzeń hybrydowych, łączenie różnych materiałów stwarza nieodłączne wyzwania. Różnice w ekspansji termicznej i właściwościach mechanicznych mogą osłabić integralność uszczelki, a warunki produkcji muszą być ściśle kontrolowane, aby zachować hemokompatybilność, utrzymać geometrię kanałów i zapobiec uszkodzeniu kruchych struktur krzemowych lub szklanych. Skuteczne wdrożenie systemów hybrydowych polega zatem na rozważnych wyborach właściwości materiałowych z odpowiednimi strategiami produkcji.
Termoplastyczne materiały, w tym poliwęglan i poli(metakrylan metylu) (PMMA), są szeroko stosowane w systemach mikrofluidycznych, ponieważ zapewniają wytrzymałość mechaniczną, biokompatybilność, efektywność kosztową i są kompatybilne ze skalowalnymi strategiami produkcji, takimi jak wiązanie rozpuszczalnikami, wiązanie termiczne i kleje12,29,30,31,32,33,34,35. Natomiast podłoża krzemowe i szklane oferują zwiększoną odporność chemiczną i wysoce precyzyjne geometrie, jednak ich integracja z termoplastykami pozostaje technicznie trudnym zadaniem ze względu na różnice w chemii powierzchni i właściwościach mechanicznych36,37,38,39. Konwencjonalne wiązanie termiczne może poddawać kruche komponenty krzemowe lub szklane podwyższonym ciśnieniom, zwiększając ryzyko pęknięć. Alternatywnie, podejścia oparte na klejach mogą zmniejszyć stres mechaniczny, ale mogą wprowadzać różnorodność w jednolitości połączeń lub wywoływać obawy dotyczące długoterminowej biokompatybilności40.
Nasze laboratorium opracowuje urządzenia kontaktujące się z krwią przeznaczone do funkcji zastępczych narządów, w tym oksygenatory i hemofiltry17,21. Te systemy integrują krzemiowo-nanoporowe membrany jako aktywne elementy funkcjonalne z poliwęglanowymi obudowami, które ustanawiają ścieżkę przepływu krwi i zapewniają wsparcie mechaniczne18,19,21. Osiągnięcie trwałej i skalowalnej produkcji tych platform zależy od niezawodnego wiązania między tymi różnymi materiałami.
Niniejsza praca ocenia trzy podejścia do wiązania, opracowane w celu rozwiązania ograniczeń konwencjonalnych metod montażu wysokotemperaturowych i wysokociśnieniowych stosowanych w hybrydowych systemach mikrofluidycznych