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Artigo de método

Métodos de Construção para Dispositivos Microfluídicos Híbridos de Policarbonato-Silício

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DOI:

10.3791/69640

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28 de julho 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

Neste artigo

Resumo

Este protocolo descreve três métodos simples de vedação para fabricar um dispositivo microfluídico híbrido que integra componentes de policarbonato e silício. Ao implementar estratégias de ligação com solventes, compressão térmica e compressão mecânica, possibilitamos técnicas confiáveis de vedação em baixa temperatura que evitam equipamentos especializados para dispositivos microfluídicos híbridos.

Resumo

Dispositivos microfluídicos híbridos que combinam termoplásticos com substratos rígidos, como silício e vidro, possibilitam aplicações biológicas avançadas, mas são difíceis de se unir devido às diferenças nas propriedades térmicas e mecânicas. Esses desafios tornam os métodos convencionais de alta temperatura e alta pressão inadequados, motivando a necessidade de estratégias alternativas de vedação. Aqui, apresentamos três estratégias de vedação relativamente de baixo custo para dispositivos microfluídicos de policarbonato–silício: ligação solvente com máscara protetora para preservar a geometria do canal; camada de ligação térmica de baixa temperatura usando uma intercamada de polietileno de baixa densidade (LDPE) de 100 μm; e compressão mecânica com um cabo de anel de vedação que serve como uma junta. Cada abordagem exige etapas de projeto e montagem personalizadas para garantir vedações estanques. Essas estratégias não requerem equipamentos especializados nem infraestrutura cara, tornando-as adequadas para prototipagem de dispositivos microfluídicos híbridos em laboratórios de pesquisa acadêmica e ambientes com recursos limitados. A ligação com solvente produziu a maior resistência a vazamento (até 692 mmHg) com uma interface robusta policarbonato–policarbonato, enquanto a compressão de juntas proporcionou as vedações mais reproduzíveis e visualmente limpas, com queda mínima de pressão (2 mmHg a 10 mL/min). Em contraste, a ligação com LDPE apresentou intrusão de canal, queda de pressão elevada (196 mmHg) e casos de delaminação.

Introdução

Sistemas microfluídicos permitem a manipulação controlada de pequenos volumes de fluidos e tornaram-se ferramentas essenciais em aplicações biomédicas, incluindo diagnósticos no ponto de atendimento 1,2, plataformas organ-on-chip 3,4 e tecnologias de sensores 5,6. Apesar da diversidade de suas aplicações, esses dispositivos compartilham demandas centrais de engenharia: seleção adequada de materiais, estratégias de fabricação reprodutíveis e biocompatibilidadesustentada 7,8. Esses requisitos tornam-se mais rigorosos em sistemas de contato sanguíneo, onde materiais e arquiteturas de dispositivos devem garantir hemocompatibilidade, formar vedação robusta de fluidos e manter parâmetros fisiológicos de fluxo, como tensão de cisalhamento e gradientesde pressão 9,10,11.

Sistemas microfluídicos híbridos integram termoplásticos com substratos rígidos como silício e vidro, expandindo a funcionalidade dos dispositivos biomédicos (Figura Suplementar S1)12,13,14,15,16,17. Essa abordagem é particularmente interessante para aplicações de contato sanguíneo, onde componentes de silício ou vidro mecanicamente frágeis, porém altamente precisos, são acoplados a carcaças de polímero de baixo custo para permitir projetos escaláveis e biocompatíveis 18,19,20,21,22,23,24. Embora os PDMS e microdispositivos termoplásticos continuem prevalentes devido à sua simplicidade de fabricação, esses materiais limitam a resistência química, a durabilidade mecânica e a incorporação de materiais funcionais rígidos, motivando o desenvolvimento de arquiteturashíbridas 25,26,27,28. Apesar das vantagens dos dispositivos híbridos, montar materiais diferentes apresenta desafios inerentes. Diferenças na expansão térmica e nas propriedades mecânicas podem comprometer a integridade do selo, e as condições de fabricação devem ser rigidamente controladas para preservar a hemocompatibilidade, manter a geometria do canal e evitar danos a estruturas frágeis de silício ou vidro. A implementação bem-sucedida de sistemas híbridos, portanto, depende de escolhas deliberadas das propriedades dos materiais com estratégias de fabricação apropriadas.

Materiais termoplásticos, incluindo policarbonato e polimetacrilato (PMMA), são amplamente utilizados em sistemas microfluídicos porque proporcionam resistência mecânica, biocompatibilidade, eficiência de custo e são compatíveis com estratégias de fabricação escaláveis como ligação de solventes, termocompressão eadesivos 12,29,30,31,32,33,34,35. Em contraste, substratos de silício e vidro oferecem resistência química aprimorada e geometrias de alta precisão, mas sua integração com termoplásticos continua tecnicamente desafiadora devido às disparidades na química de superfícies e nas propriedadesmecânicas 36,37,38,39. A ligação termopor convencional pode submeter componentes frágeis de silício ou vidro a pressões elevadas, aumentando o risco de rachadura. Alternativamente, abordagens baseadas em adesivos podem reduzir o estresse mecânico, mas podem introduzir variabilidade na uniformidade das ligações ou levantar preocupações sobre biocompatibilidade a longoprazo 40.

Nosso laboratório está desenvolvendo dispositivos de contato sanguíneo destinados a funções de substituição de órgãos, incluindo oxigenadores ehemofiltros 17,21. Esses sistemas integram membranas nanoporosas de silício como elementos funcionais ativos com carcaças de policarbonato que estabelecem a via do fluxo sanguíneo e fornecem suporte mecânico 18,19,21. Alcançar uma fabricação robusta e escalável dessas plataformas depende de uma ligação confiável entre esses materiais diferentes.

Este trabalho avalia três abordagens de ligação desenvolvidas para lidar com as restrições dos métodos convencionais de montagem de alta temperatura e alta pressão usados em sistemas microfluídicos híbridos policarbonato–silício. O design da plataforma deriva de esforços contínuos para desenvolver componentes modulares para um oxigenador de membrana extracorpóreamicrofluídico 17. O dispositivo incorpora uma carcaça rígida de policarbonato que proporciona estabilidade mecânica e define um canal de fluxo sanguíneo usinado, integrado a uma membrana semipermeável de silício destinada a facilitar a troca gasosa. Para isolar o desempenho de ligação durante os testes, foi usado um substrato de silício não poroso no lugar da membrana funcional.

As três abordagens de ligação avaliadas foram: 1) um método baseado em solvente que evita altas temperaturas e carga mecânica significativa com uma estratégia de mascaramento protetor para preservar a geometria do canal, 2) uma técnica de ligação térmica de baixa temperatura incorporando uma intercamada de polietileno de baixa densidade (LDPE) de 100 μm entre placas de policarbonato, e 3) uma configuração mecanicamente vedada usando um cabo de junta O-ring posicionado ao redor do canal fluídico. Essas estratégias foram sistematicamente comparadas para determinar sua viabilidade e confiabilidade para prototipagem rápida de dispositivos microfluídicos híbridos em um ambiente de pesquisa laboratorial. Todos os métodos foram projetados para permitir montagem em baixa temperatura, suportando pressões de operação moderadas (10–700 mmHg) e condições de fluxo relevantes para sistemas microfluídicos em contato sanguíneo. O artigo a seguir se baseia em um capítulo da dissertação do primeiro autor41.

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Protocolo

1. Design do dispositivo: modificações na carcaça em policarbonato

NOTA: Cada estratégia de ligação exigiu modificações direcionadas ao design da carcaça de policarbonato. O layout microfluídico base foi, portanto, adaptado para facilitar a implementação simples e eficaz de diferentes abordagens de ligação para nossos dispositivos híbridos. Os arquivos de design de dispositivos são fornecidos no Arquivo Suplementar 1.

  1. Design geral de habitação
    1. Projete a camada de policarbonato para incluir um assento embutido para o chip de silício com um canal interno de perímetro para conter adesivo epóxi.
  2. Considerações de projeto para a colagem LDPE
    1. Inclua furos de pino de cavilha no design da carcaça para permitir o alinhamento preciso das camadas de policarbonato e da folha de LDPE.
    2. Considere a altura adicional do canal criada pela espessura da camada de LDPE.
    3. Certifique-se de que as características finais do projeto do LDPE sejam as seguintes: área de superfície selada: ~15cm 2, altura do canal alvo: 200 μm.
  3. Considerações de projeto para a ligação de solventes
    1. Inclua furos para pinos de cavilha para permitir o alinhamento entre camadas de policarbonato.
    2. Ajuste a altura do canal para compensar a possível redução de altura após a ligação com solvente.
    3. Crie uma borda ou saliência rebaixando as bordas de uma peça de policarbonato. Isso facilita a absorção do solvente na interface de ligação.
    4. Certifique-se de que as características finais do design do solvente sejam as seguintes: área de superfície selada: ~11cm 2, altura do canal alvo: 200 μm.
  4. Considerações de projeto para a ligação por compressão de juntas
    1. Projete uma glândula de junta para um cabo de junta que siga o caminho do canal fluídico. Dimensione a glândula para alcançar aproximadamente 25% de compressão da seção transversal da junta selecionada.
    2. Inclua a glândula de junta na peça inferior de policarbonato; Projete a superfície superior de policarbonato para ser plana.
    3. Adicione furos para parafusos ao redor do perímetro para permitir parafusos. Para criar compressão uniforme, use arruelas ou placas de compressão fortes. Use parafusos para alinhamento das camadas durante a montagem, em vez de pinos de cavilha.
    4. Certifique-se de que as características finais do projeto da junta sejam as seguintes: área de superfície selada: ~3cm 2, altura do canal alvo: 200 μm.

2. Fabricação e preparação de camadas de dispositivos

  1. Fabrice a carcaça de policarbonato.
    1. Fabricar as camadas de policarbonato de acordo com as especificações de projeto usando um método apropriado (por exemplo, fresagem CNC). Para seguir esse protocolo, realize usinagem CNC para obter uma superfície de ligação plana e uma rugosidade superficial de 0,8 μm.
      NOTA: A impressão 3D também foi avaliada, mas resultou em curvatura, o que reduziu a área de colagem efetiva.
  2. Limpe as carcaças de policarbonato e os chips de silício.
    1. Inspecione e limpe as carcaças fabricadas para detritos, rebarbas ou resíduos de usinagem sob ampliação óptica. Enxágue bem as partes com álcool isopropílico e deixe secar completamente em temperatura ambiente.
    2. Inspecione e limpe os chips de silício em busca de defeitos ou resíduos em excesso. Limpe conforme necessário usando álcool isopropílico para remover partículas residuais.
      NOTA: Nenhuma preparação adicional de superfície foi incorporada para o propósito desta avaliação.
  3. Prepare adesivo epóxi.
    1. Misture um epóxi em duas partes conforme as instruções do fabricante. Deixe a epóxi curar parcialmente à temperatura ambiente até atingir uma viscosidade mais espessa, adequada para aplicação precisa.
  4. Aplique epóxi e monte o chip de silício.
    1. Coloque o epóxi viscoso em uma seringa equipada com uma agulha dispensadora. Aplique uma gota controlada de epóxi na calha ao redor do assento de lasca.
    2. Coloque delicadamente o chip de silício no assento embutido, garantindo contato total com o epóxi e sem bolhas de ar presas. Aplique epóxi adicional conforme necessário para preencher quaisquer lacunas.
      NOTA: O uso de epóxi viscoso parcialmente curado minimiza o transbordamento além da área de ligação. No entanto, bolhas presas podem criar pontos de falha, então considere desgaseificar ou espetar bolhas residuais para fora da calha.
  5. Cure o vínculo primário.
    1. Deixe o conjunto curar em temperatura ambiente ou baixa temperatura (<40 °C).
      NOTA: Evite aquecimento excessivo, pois o policarbonato tem baixa temperatura de transição vítrea (150 °C), o que pode causar empenamento ou curvamento.
  6. Vede as lacunas residuais.
    1. Prepare um novo lote de epóxi e coloque em uma seringa equipada com uma agulha fina (agulha de 27–30 G). Passe uma fina esfera de epóxi ao longo da emenda perimetral entre a carcaça de silício e policarbonato, permitindo que o epóxi preencha as rachaduras. Deixe a camada de epóxi do selante curar completamente antes de manusear novamente.

3. Ligação de solvente

  1. Aplique fita adesiva para definir as paredes do canal. Fita adesiva cortada a laser para combinar com o formato das paredes do canal.
    NOTA: Fita de diagnóstico microfluídico foi usada para paredes temporárias de canais (veja a Tabela de Materiais).
  2. Remova uma camada de liner da fita. Alinhe e aplique a fita nas superfícies da parede do canal usando pinos de cavilha para alinhamento.
  3. Recubra o canal fluídico com álcool polivinílico (PVA). Adicione solução suficiente de PVA a 1% para cobrir toda a área do canal fluídico. Deixe a solução de PVA secar completamente em temperatura ambiente.
    NOTA: O PVA não se dissolve facilmente no diclorometano, protegendo assim o epóxi, o silício, bem como revestimentos como PDMS e PEG.
  4. Remova a máscara adesiva. Quando a camada de PVA estiver totalmente curada, retire cuidadosamente o adesivo de dois lados, deixando um canal fluídico revestido com PVA. Inspecione e, se necessário, limpe qualquer adesivo residual das paredes do canal.
  5. Monte as camadas de policarbonato. Alinhe as carcaças superiores e inferiores de policarbonato usando pinos de cavilha.
  6. Aplique solvente ao longo da interface de aderência.
    1. Encha uma seringa de 5 mL com uma agulha de 30 g com o solvente escolhido (por exemplo, diclorometano, acetona). Posicione a ponta da seringa na borda/borda criada no design do dispositivo. Dispense cuidadosamente o solvente ao longo da borda/borda em ambos os lados do conjunto, permitindo que o solvente se infiltre na interface de ligação e alcance a barreira de PVA.
      NOTA: Realize toda a manipulação de solventes em uma capela química usando luvas e proteção ocular. Dispense o solvente de forma constante para minimizar a formação de bolhas na interface. ATENÇÃO: Descarte o excesso de solvente em um recipiente de resíduos químicos rotulado e apropriado, de acordo com as diretrizes institucionais.
  7. Aplique pressão e cure.
    1. Coloque um peso moderado (aproximadamente 2–3 lbs) de forma uniforme sobre o dispositivo montado. Deixe o dispositivo curar completamente em temperatura ambiente por 10–15 minutos.
    2. Ao microscópio, certifique-se de que não haja bolhas grandes para reduzir os pontos de falha.
  8. Remova a camada sacrificial do PVA. Após a cura, fluxo de água deionizada a 80 °C pelo canal fluídico em baixas vazões (1–5 mL/min) por um mínimo de 3 h para dissolver e remover o revestimento de PVA. Permita fluxo de água de até 24 horas para garantir a remoção completa do PVA.
    1. Inspecione visualmente o dispositivo em busca de PVA residual no canal. Se PVA for aparente, repita o fluxo de água até que não haja PVA visível.

4. Ligação com LDPE

  1. Prepare folhas de colagem com LDPE. Folhas de polietileno de baixa densidade (LDPE) cortadas a laser para combinar com o formato das regiões das paredes do canal. Para uma folha de LDPE de 100–200 μm, use 75% de potência e 100% de velocidade para o cortador a laser de mesa referenciado (veja a Tabela de Materiais).
  2. Limpe as folhas de LDPE.
    1. Inspecione as folhas de LDPE cortadas a laser em busca de cinzas, resíduos ou partículas. Enxágue bem com álcool isopropílico (IPA) e deixe secar completamente.
  3. Montar a carcaça com camadas de LDPE.
    1. Alinhe os recortes de LDPE nas paredes laterais do canal de fluido usando pinos de cavilha para alinhamento. Coloque a peça superior de policarbonato sobre o conjunto inferior, fazendo um sanduíche nas camadas de LDPE na interface de aderência.
  4. Ligue o conjunto em um forno aquecido.
    1. Coloque a carcaça montada em um forno programável pré-aquecido ajustado a 145 °C com sensor de temperatura.
    2. Aplique pressão moderada (2–3 libras por polegada quadrada (PSI)) sobre o conjunto usando um peso calibrado, como uma placa de metal.
  5. Complete a montagem.
    1. Após 2 horas, retire o conjunto do forno. Garanta uma transparência uniforme do LDPE em toda a área de superfície colada. Deixe o aparelho esfriar até a temperatura ambiente em condições ambientes.

5. Vedação da vedação da junta

  1. Corte e coloque a junta.
    1. Corte o material do cabo da junta no comprimento necessário para corresponder ao caminho do canal fluídico.
    2. Coloque o cabo da junta na glândula da junta na carcaça inferior de policarbonato, garantindo um encaixe justo e contínuo ao longo de todo o caminho.
  2. Montar a carcaça.
    1. Alinhe a peça superior de policarbonato com a inferior usando parafusos para alinhamento. Insira parafusos pela camada superior e na porca hexagonal, incluindo arruelas ou uma placa de compressão conforme necessário para distribuir a pressão de forma uniforme.
  3. Aperte os parafusos para selar o conjunto.
    1. Aperte manualmente cada parafuso para segurar os parafusos e o dispositivo no lugar.
    2. Use uma chave dinamométrica para apertar cada parafuso, movendo-se em padrão cruzado.
    3. Aperte para 0,5 lb-in para evitar rachar o chip de silício ou deformar a carcaça de policarbonato. Aperte ainda mais conforme necessário.
      NOTA: Até mesmo a compressão é fundamental para garantir uma vedação estanque ao fluido e evitar trincas no silício.

6. Porta de entrada-saída (I/O)

NOTA: Os seguintes passos foram otimizados para avaliar nosso design de dispositivo híbrido, conforme descrito no restante do protocolo. Os passos a seguir nesta seção não são necessários para o uso das técnicas de aderência. O design da porta de E/S usado nesta parte foi adicionado ao Arquivo Suplementar 1.

  1. Projete e fabrique a porta de E/S apropriada para o projeto microfluídico.
    1. Projete uma porta de E/S que possa se encaixar no projeto microfluídico e se conectar a um circuito fluídico (ou seja, conexão de tubos, trava luer).
    2. Imprima o design em 3D com uma impressora 3D de alta precisão.
      NOTA: Outras portas de E/S podem ser usadas para o projeto, como portas de I/O compradas ou conectores com travamento por luer.
  2. Conecte as portas de E/S ao dispositivo microfluídico montado.
    1. Prepare o epóxi conforme as instruções do fabricante e coloque-o em uma seringa de 1 mL com uma agulha de 27 G.
    2. Dispense 100–200 μL na face das portas de E/S, tomando cuidado para não entrar epóxi no caminho do fluxo, e conecte as portas de I/O às portas do dispositivo microfluídico. Deixe curar por 24 horas.

7. Testando o dispositivo

  1. Conecte o dispositivo microfluídico híbrido a um circuito fluídico.
    1. Usando tubos de bomba peristáltica (veja a Tabela de Materiais), conecte um reservatório de água, bomba de rolos, sensor de pressão e o dispositivo microfluídico híbrido em série.
    2. Posicione o sensor de pressão o mais próximo possível da entrada do dispositivo para garantir medições de pressão precisas.
  2. Teste de pressão e vazamento
    1. Bombeie água pelo circuito com uma vazão inicial de 10 mL/min.
    2. Aumente a vazão em incrementos de 10 mL/min a cada minuto.
    3. Meça e registre a pressão em cada vazão. Se for necessária pressão adicional, adicione uma restrição de agulha a jusante do dispositivo para aumentar a resistência do circuito.
    4. Defina a pressão nominal como a pressão na qual ocorre o primeiro vazamento visível.
  3. Teste de queda de pressão
    1. Usando o mesmo circuito, insira um segundo sensor de pressão imediatamente a jusante do dispositivo.
    2. Escoe a água em uma vazão selecionada (10 mL/min neste estudo).
    3. Calcule a queda de pressão através do dispositivo como a diferença entre as medições de pressão pré e pós-dispositivo.

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Resultados

A Figura 1 resume a sequência geral de montagem para as três abordagens de ligação avaliadas neste estudo. A arquitetura do dispositivo consistia em duas camadas de policarbonato usinadas, cada uma incorporando um canal fluído. Um elemento de silício era colado a cada camada para completar metade do caminho de fluxo pretendido. As estratégias de vedação selecionadas foram então usadas para unir os dois conjuntos de policarbonato, encerrando assim o microcana...

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Discussão

Invólucros e vedações confiáveis continuam a apresentar desafios significativos em sistemas microfluídicos híbridos, especialmente quando a integridade estrutural deve ser mantida durante a operação pressurizada. A fabricação padrão de dispositivos microfluídicos utilizou uma ampla gama de estratégias de colagem, incluindo soldagem a laser, colagem térmica, camadas adesivas e modificação química da superfície, dependendo do material e da aplicação 42,43,44,45.

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Divulgações

SR é o fundador da Silicon Kidney. NCH, DGB e SR são co-inventores de uma patente provisória relacionada à tecnologia descrita neste manuscrito. Os autores não têm outros interesses concorrentes a declarar.

Agradecimentos

Obrigado ao Dr. Dorian Liepmann, da UC Berkeley, por sua orientação e expertise em fabricação de dispositivos microfluídicos.

Financiamento: Subvenção dos Institutos Nacionais de Saúde U01 EB025136, Bolsa R21 HD113527 dos Institutos Nacionais de Saúde, Subvenção PR2104827 do Departamento de Defesa, Programa de Desenvolvimento de Cientistas Pediátricos & March of Dimes, Institutos Nacionais de Saúde K12HD047349

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
.040" (1.00 mm) Buna-N 70 O-Ring Cord StockThe O-Ring StoreN70.040Junta de 1 mm usada na montagem; diâmetro ajustável por design
18-8 Stainless Steel Dowel PinMcMaster90145A876Usado para alinhamento em LDPE e colagem com solvente
18-8 Stainless Steel WasherMcMaster92141A006Usado na montagem de compressão da junta
316 Stainless Steel Ultra-Low-Profile Socket Head ScrewMcMaster91223A315Parafusos usados na montagem da junta
Software CADOnShape ou SolidWorks (ou equivalente)Usado para o design do dispositivo
Corte a laser CO2 de mesaUniversal Laser Systems (ou equivalente)Usado para cortar folhas de LDPE e fita adesiva
Diclorometano, anidro, 99,7+%ThermoFisher047352.M1Solvente usado para colagem com solvente
Chave de torque digitalChecklineTSD-400Usada para aplicar compressão controlada na montagem da junta
Resina epóxi, dois componentesEpoxy Technology (ou equivalente)MED-302Usada para colar silício ao policarbonato
Porca sextavada, aço de baixa resistênciaMcMaster90480A007Usada com parafusos para compressão da junta
Filme de polietileno de baixa densidade (LDPE)McMaster8593K71Folha de LDPE de 100–200 μm para colagem térmica
Fita adesiva de diagnóstico microfluídico3M9965; 9972AUsada como camada de máscara temporária durante a colagem com solvente
Tubo de bomba peristáltica (tamanho 16 equivalente)Masterflex (ou equivalente)Compatível com bomba de rolo usada nos testes
Carcaça de policarbonato (usinada)Xometry (ou equivalente)Camadas de dispositivo de policarbonato usinadas em CNC
Sensor de pressãoUsado para medir pressões de entrada e saída
Forno de laboratório programávelCapaz de manter 145 °C para colagem de LDPE
Bomba de roloUsada para testes de pressão e fluxo
Substrato de silício (chip sólido)MicroDicing (ou equivalente)Usado como componente de silício modelo
Agulhas de distribuição de aço inoxidável com trava LuerMcMaster75165A688Usadas para distribuição de epóxi e solvente

Referências

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