Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Hibrit polikarbonat-silikon mikrofluidik cihazların yapım yöntemleri

463 görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/69640

⸱

28 Temmuz 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

Bu makalede

Özet

Bu protokol, polikarbonat ve silikon bileşenleri entegre eden hibrit mikrofluidik cihaz üretmek için üç basit mühürleme yöntemini tanımlar. Çözücü bağlanma, termal sıkıştırma ve mekanik sıkıştırma stratejilerini uygulayarak, hibrit mikrofluidik cihazlar için özel ekipmanlardan kaçınan güvenilir, düşük sıcaklık sızdırmazlık tekniklerini mümkün kılıyoruz.

Özet

Termoplastikleri silikon ve cam gibi sert substratlarla birleştiren hibrit mikrofluidik cihazlar, gelişmiş biyolojik uygulamalara olanak tanır ancak termal ve mekanik özelliklerdeki farklılıklar nedeniyle bağlanması zordur. Bu zorluklar, geleneksel yüksek sıcaklık ve yüksek basınç yöntemlerini uygun kılmaz hale getirir ve alternatif sızdırmazlık stratejilerine olan ihtiyacı artırır. Burada, polikarbonat–silikon mikrofluidik cihazlar için nispeten düşük maliyetli üç sızdırmazlık stratejisi sunuyoruz: kanal geometrisini korumak için koruyucu maskeli çözücü bağlanması; 100 μm düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) ara katmanı kullanılarak düşük sıcaklık termal bağlanma katmanı; ve conta görevi gören O-ring kablosu ile mekanik sıkıştırma. Her yaklaşım, sızdırmaz contaların sağlanması için özel tasarım ve montaj adımları gerektirir. Bu stratejiler, özel ekipman veya pahalı altyapı gerektirmez, bu da onları akademik araştırma laboratuvarlarında ve kaynakları sınırlı ortamlarda hibrit mikrofluidik cihazların prototiplenmesi için oldukça uygundur. Solvent bağlanması, sağlam polikarbonat–polikarbonat arayüzüyle en yüksek sızıntı direncini (692 mmHg'ye kadar) sağlarken, conta sıkıştırması en tekrarlanabilir, görsel olarak temiz ve minimum basınç düşüşüyle (10 mL/dakika'da 2 mmHg) mühürler elde etti. Buna karşılık, LDPE bağlanmasında kanal intruziyası, yüksek basınç düşüşü (196 mmHg) ve delaminasyon vakaları görüldü.

Giriş

Mikrofluidik sistemler, küçük sıvı hacimlerinin kontrollü manipülasyonunu mümkün kılar ve biyomedikal uygulamalarda temel araçlar haline gelmiştir; bunlar arasında bakım noktası tanı 1,2, organ-on-chipplatformları 3,4 ve sensörteknolojileri 5,6 bulunmaktadır. Uygulama çeşitliliğine rağmen, bu cihazlar temel mühendislik taleplerini paylaşır: uygun malzeme seçimi, tekrarlanabilir üretim stratejileri ve sürdürülebilir biyouyumluluk 7,8. Bu gereksinimler, malzemeler ve cihaz mimarileri hemouyumluluğu sağlamak, sağlam sıvı sızdırmazlığı oluşturmak ve kesme gerilimi ile basınçgradyanları 9,10,11 gibi fizyolojik akış parametrelerini korumak zorunda olduğu kanla temas edilen sistemlerde daha sıkı hale gelir.

Hibrit mikrofluidik sistemler, termoplastikleri silikon ve cam gibi sert substratlarla entegre eder ve biyomedikal cihazların işlevselliğini genişletir (Ek Şekil S1)12,13,14,15,16,17. Bu yaklaşım, mekanik olarak kırılgan ama son derece hassas silikon veya cam bileşenlerin, ölçeklenebilir, biyouyumlu tasarımların mümkün kıldığı düşük maliyetli polimer muhafazalara bağlanarak kanla temas uygulamaları için özellikle ilgi çekicidir 18,19,20,21,22,23,24. PDMS ve termoplastik mikro cihazlar üretim basitliği nedeniyle yaygın olsa da, bu malzemeler kimyasal direnci, mekanik dayanıklılığı ve katı fonksiyonel malzemelerin dahil edilmesini sınırlayarak hibritmimarilerin gelişimini teşvik eder 25,26,27,28. Hibrit cihazların avantajlarına rağmen, farklı malzemelerin montajı doğasında zorluklar yaratır. Termal genleşme ve mekanik özelliklerdeki farklılıklar, conta bütünlüğünü zayıflatabilir ve hemouyumluluğu korumak, kanal geometrisini korumak ve kırılgan silikon veya cam yapılara zarar vermemek için üretim koşullarının sıkı kontrol edilmesi gerekir. Bu nedenle, hibrit sistemlerin başarılı uygulanması, uygun üretim stratejileriyle malzeme özelliklerinin bilinçli seçimlerine bağlıdır.

Polikarbonat ve poli(metil metakrilat) (PMMA) dahil termoplastik malzemeler, mekanik dayanıklılık, biyouyumluluk, maliyet verimliliği sağladıkları ve çözücü bağlanma, termokompresyon ve yapıştırıcılar gibi ölçeklenebilir üretim stratejileriyle uyumlu olmaları nedeniyle mikrofluidik sistemlerde yaygın olarak kullanılır 12,29,30,31,32,33,34,35. Buna karşılık, silikon ve cam substratlar gelişmiş kimyasal direnç ve yüksek hassasiyetli geometriler sunar, ancak termoplastiklerle entegrasyonu yüzey kimyası ve mekanik özelliklerdeki farklılıklar nedeniyle teknik olarak zordur 36,37,38,39. Geleneksel termokompresyon bağlanması, kırılgan silikon veya cam bileşenleri yüksek basınçlara maruz bırakabilir ve çatlama riskini artırır. Alternatif olarak, yapıştırma temelli yaklaşımlar mekanik stresi azaltabilir ancak bağ düzeninde değişkenlik yaratabilir veya uzun vadeli biyouyumlulukla ilgili endişeleryaratabilir 40.

Laboratuvarımız, organ değişimi işlevleri için oksijenatörler ve hemofiltrler 17,21 dahil olmak üzere kan temas cihazları geliştirmektedir. Bu sistemler, kan akışı yolunu oluşturan ve mekanik destek sağlayan polikarbonat muhafazalar ile aktif fonksiyonel elemanlar olarak silikon nanopore zarlarınıentegre eder 18,19,21. Bu platformların sağlam ve ölçeklenebilir üretimini sağlamak, bu farklı malzemeler arasında güvenilir bir bağ kurulmasına bağlıdır.

Bu çalışma, hibrit polikarbonat–silikon mikrofluidik sistemler için kullanılan geleneksel yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı montaj yöntemlerinin kısıtlamalarını gidermek amacıyla geliştirilen üç bağlama yaklaşımını değerlendirmektedir. Platform tasarımı, mikrofluidik ekstrakorporeal membran oksijenatörü17 için modüler bileşenler geliştirme çabalarından türetilmiştir. Cihaz, mekanik stabilite sağlayan ve gaz değişimini kolaylaştırmak için yarı geçirgen silikon membranla entegre edilmiş bir makineli kan akışı kanalını tanımlayan sert bir polikarbonat muhafaza içerir. Test sırasında bağlanma performansını izole etmek için fonksiyonel membran yerine gözeneksiz bir silikon substrat kullanıldı.

Değerlendirilen üç bağlanma yaklaşımı şunlardı: 1) yüksek sıcaklık ve önemli mekanik yükü önleyen, kanal geometrisini koruyan koruyucu maskeleme stratejisi ile çözücü bazlı bir yöntem, 2) polikarbonat plakalar arasında 100 μm düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) ara katmanı içeren düşük sıcaklık termal bağlanma tekniği ve 3) akışkan kanalın etrafına yerleştirilmiş O-ring conta kablosu kullanılarak mekanik olarak mühürlenmiş bir konfigürasyon. Bu stratejiler, laboratuvar araştırma ortamında hibrit mikrofluidik cihazların hızlı prototiplenmesi için uygulanabilirlikleri ve güvenilirlikleri sistematik olarak karşılaştırıldı. Tüm yöntemler, kan temaslı mikrofluidik sistemlerle ilgili orta çalışma basınçlarını (10–700 mmHg) ve akış koşullarını desteklerken düşük sıcaklıkta montajı mümkün kılacak şekilde tasarlanmıştır. Aşağıdaki makale, ilk yazarın tezindenbir bölüm üzerine inşa edilmektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Cihaz tasarımı: polikarbonat konut modifikasyonları

NOT: Her bir bağlanma stratejisi, polikarbonat gövdede hedefli tasarım değişikliği gerektiriyordu. Bu nedenle, temel mikrofluidik düzen, hibrit cihazlarımız için farklı bağlama yaklaşımlarının basit ve etkili uygulanmasını kolaylaştıracak şekilde uyarlandı. Cihaz tasarım dosyaları Ek Dosya 1'de sağlanmıştır.

  1. Genel konut tasarımı
    1. Polikarbonat katmanı, silikon çip için gömülü bir yuva ve epoksi yapıştırıcı içeren iç çevre çukuru içerecek şekilde tasarlayın.
  2. LDPE bağlanması için tasarım değerlendirmeleri
    1. Polikarbonat katmanlarının ve LDPE tabakasının hassas hizalanmasını sağlamak için gövde tasarımına dübel pin delikleri ekleyin.
    2. LDPE tabakasının kalınlığıyla oluşan ek kanal yüksekliğini hesaba katın.
    3. Son LDPE tasarım özelliklerinin şu olduğundan emin olun: mühürlenmiş yüzey alanı: ~15 cm2, hedef kanal yüksekliği: 200 μm.
  3. Çözücü bağlanması için tasarım değerlendirmeleri
    1. Polikarbonat katmanlar arasında hizalanmayı sağlamak için dübel pin delikleri ekleyin.
    2. Çözücü bağlanmasından sonra potansiyel yükseklik azalmasını telafi etmek için kanal yüksekliğini ayarlayın.
    3. Bir polikarbonat parçanın kenarlarını geri çekerek bir dudak veya çıkıntı oluşturun. Bu, bağlanma arayüzünde çözücü emilmesini kolaylaştırır.
    4. Son çözücü tasarım özelliklerinin şu şekilde olduğundan emin olun: mühürlenmiş yüzey alanı: ~11cm 2, hedef kanal yüksekliği: 200 μm.
  4. Conta sıkıştırma bağı için tasarım değerlendirmeleri
    1. Akışkan kanal yolunu takip eden bir conta kablosu için bir conta bezi tasarlayın. Seçilen conta kesitinin yaklaşık %25 sıkıştırmasını sağlamak için bezi ölçüsün.
    2. Alt polikarbonat parçaya conta bezini ekleyin; Üst polikarbonat yüzeyi düz olarak tasarlayın.
    3. Vidaların kullanılabilmesi için çevresine cıvata delikleri ekleyin. Eşit sıkıştırma sağlamak için alçalar veya güçlü sıkıştırma plakaları kullanın. Montaj sırasında katman hizalanması için dübel pimleri yerine cıvatalar kullanın.
    4. Son conta tasarım özelliklerinin şu olduğundan emin olun: kapalı yüzey alanı: ~3 cm2, hedef kanal yüksekliği: 200 μm.

2. Cihaz katmanlarının üretimi ve hazırlanması

  1. Polikarbonat muhafazayı üretin.
    1. Polikarbonat katmanlarını tasarım spesifikasyonlarına uygun bir yöntemle (örneğin CNC frezeleme) üretin. Bu protokolü takip etmek için, düz bir yapıştırma yüzeyi ve 0,8 μm yüzey pürüzlülüğü elde etmek için CNC işleme işlemi yapılabilir.
      NOT: 3D baskı da değerlendirildi ancak eğilme ile sonuçlandı ve bu da etkili yapıştırma alanını azalttı.
  2. Polikarbonat muhazaları ve silikon çipleri temizleyin.
    1. Optik büyütme altında üretilen muhafazaları döküntü, buruk veya işleme kalıntısı açısından inceleyin ve temizleyin. Parçaları izopropil alkolle iyice durulayın ve oda sıcaklığında tamamen kurumasına izin verin.
    2. Silikon çipleri kusur veya fazla kalıntı açısından inceleyin ve temizleyin. Partikül kalıntılarını temizlemek için izopropil alkol kullanarak gerekirse temizleyin.
      NOT: Bu değerlendirme amacıyla başka bir yüzey hazırlığı uygulanmadı.
  3. Epoksi yapıştırıcı hazırlayın.
    1. Üreticinin talimatlarına göre iki parçalı epoksi karıştırın. Epoksinin oda sıcaklığında kısmen kürlenmesine izin verin, ta ki hassas uygulama için uygun daha kalın bir viskoziteye ulaşana kadar.
  4. Epoksi uygulayın ve silikon çipi monte edin.
    1. Viskoz epoksiyi dağıtıcı iğneyle takılı bir şırıngaya yükleyin. Cips yuvasının çevresindeki yeliğe kontrollü bir epoksi damlası uygulayın.
    2. Silikon çipi nazikçe girintili koltuğuna yerleştirin, epoksi ile tam temas ve hapsolan hava kabarcıkları olmadan dikkat edin. Boşlukları doldurmak için gerektiğinde ek epoksi uygulayın.
      NOT: Kısmen kürlenmiş viskoz epoksi, bağlanma alanının ötesine taşmayı en aza indirir. Ancak, hapsolmuş baloncuklar arıza noktaları oluşturabilir, bu yüzden gazdan gazı çıkarmayı veya kabarcıkları çukurdan çıkarmayı düşünün.
  5. Birincil bağı iyileştirin.
    1. Montajın oda sıcaklığında veya düşük ısıda (<40 °C) kürlenmesine izin verin.
      NOT: Aşırı ısınmaktan kaçının, çünkü polikarbonatın cam geçiş sıcaklığı düşük (150 °C) vardır ve bu da eğrme veya eğilmeye yol açabilir.
  6. Kalan boşlukları kapatın.
    1. Yeni bir epoksi partisi hazırlayın ve ince bir iğne (27–30 G iğne) takılmış bir şırıngaya yerleştirin. Silikon ve polikarbonat muhafazası arasındaki çevre dikişi boyunca ince bir epoksi damlası geçirerek epoksinin çatlakları doldurmasına izin verin. Daha fazla işlemeden önce sızdırmazlık epoksi tabakasının tamamen kürlenmesine izin verin.

3. Çözücü bağlanması

  1. Kanal duvarlarını tanımlamak için yapışkan bant uygulayın. Kanal duvarlarının şekline uyacak lazerle kesim yapıştırıcı bant.
    NOT: Geçici kanal duvarları için mikrofluidik tanı bantı kullanılmıştır (bkz. Materyaller Tablosu).
  2. Banttan bir astar katmanını çıkarın. Bandı kanal duvar yüzeylerine hizalamak için dübel pinleri kullanarak hizalamak ve uygulamaktır.
  3. Akışkan kanalı polivinil alkol (PVA) ile kaplayın. Tüm akışkan kanal alanını kaplayacak kadar %1 PVA çözeltisi ekleyin. PVA çözeltinin oda sıcaklığında tamamen kurumasına izin verin.
    NOT: PVA diklorometan içinde kolayca çözünmez, bu nedenle epoksi, silikon ve PDMS ile PEG gibi kaplamaları korur.
  4. Yapışkan maskeni çıkarın. PVA tabakası tamamen kürlendikten sonra, çift taraflı yapıştırıcıyı dikkatlice soyarak PVA kaplı akışkan bir kanal bırakın. Kanal duvarlarındaki yapışkan kalıntılarını inceleyin ve gerekirse temizleyin.
  5. Polikarbonat katmanlarını birleştirin. Üst ve alt polikarbonat muhazaları dübel pinlerle hizalayın.
  6. Çözücü yapıştırıcı arayüzü boyunca uygulayın.
    1. 5 mL'lik bir şırıngayı 30 G'lik bir iğneyle seçilen çözücüyle (örneğin, diklorometan, aseton) doldurun. Şırınga ucu, cihaz tasarımında oluşturulan dudak veya çıkıntıya yerleştirin. Çözücüyü, montajın her iki tarafındaki dudak veya çıkıntı boyunca dikkatlice dağıtarak çözücünün bağlanma arayüzüne girip PVA bariyerine ulaşmasını sağlasın.
      NOT: Tüm çözücü kullanımını kimyasal duman kapüşonunda eldiven ve göz koruyucu takarak gerçekleştirin. Arayüzde baloncuk oluşumunu en aza indirmek için solventi düzenli olarak dağıtın. DIKKAT: Fazla çözücüyü kurumsal yönergelere uygun olarak etiketlenmiş ve uygun bir kimyasal atık konteynerine atın.
  7. Baskı uygulayın ve kürleyin.
    1. Monte edilen cihazın üzerine orta ağırlıkta (yaklaşık 2–3 lbs) eşit şekilde yerleştirilin. Cihazın oda sıcaklığında 10–15 dakika boyunca tamamen kürlenmesine izin verin.
    2. Mikroskop altında, büyük baloncukların olmadığından emin olun, böylece arıza noktalarını azaltabilirsiniz.
  8. PVA fedakarlık katmanını çıkarın. Kürlemeden sonra, sıvı kanalından düşük akışlarda (1–5 mL/dakika) 80 °C deiyonize su akın, böylece PVA kaplaması çözülür ve çıkarılır. PVA'nın tamamen temizlenmesi için 24 saate kadar su akışına izin verin.
    1. Kanalda kalan PVA olup olmadığını görsel olarak inceleyin. PVA belirginse, görsel olarak PVA görünmeyecek kadar su akışını tekrarlayın.

4. LDPE bağlanması

  1. LDPE bağlama levhalarını hazırlayın. Kanal duvarı bölgelerinin şekline uyacak şekilde lazerle kesimli düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) levhalar. 100–200 μm LDPE levha için, referans edilen masaüstü lazer kesici için %75 güç ve %100 hız kullanın (bkz. Malzemeler Tablosu).
  2. LDPE çarşaflarını temizle.
    1. Lazerle kesilmiş LDPE levhalarını kül, kalıntı veya partikül açısından kontrol edin. İzopropil alkol (IPA) ile iyice durulayın ve tamamen kurumasına izin verin.
  3. Gövdeyi LDPE katmanlarıyla birleştirin.
    1. LDPE kesiklerini sıvı kanalının yan duvarlarına düzemek için dübel pinleri kullanarak hizala. Üstteki polikarbonat parçayı alt montaja yerleştirin, LDPE katmanlarını birleştirme arayüzüne yerleştirin.
  4. Montajı ısıtılmış bir fırında birleştirin.
    1. Monte edilen gövdeyi, sıcaklık sensörüyle 145 °C sıcaklığa ayarlanmış önceden ısıtılan programlanabilir fırına yerleştirin.
    2. Metal plaka gibi kalibre edilmiş bir ağırlıkla montajın üstüne orta düzeyde basınç (2–3 pound/inch (PSI)) uygulayın.
  5. Montajı tamamla.
    1. 2 saat sonra montajı fırından çıkarın. Tüm bağlanmış yüzey alanında eşit bir LDPE şeffaflığı sağlanın. Cihazın ortam koşullarında oda sıcaklığına soğumasına izin verin.

5. Conta sızdırmazlığı

  1. Kesin ve contanı yerleştirin.
    1. Conta kablosu malzemesini akışkanlık kanal yoluna uyacak şekilde gerekli uzunluğa kesin.
    2. Conta kablosunu alt polikarbonat gövdedeki conta bezine yerleştirin; böylece tüm yol boyunca sıkı ve sürekli bir uyum sağlanır.
  2. Gövdeyi birleştirin.
    1. Üst polikarbonat parçayı alt parçayla hizalamak için cıvatalar kullanarak hizala. Basıncı eşit dağıtmak için gerekirse altıgen somun içinden cıvataları veya kompresyon plakası dahil olmak üzere üst katmandan altıgen somuna vidalar yerleştirin.
  3. Montajı kapatmak için cıvataları sıkın.
    1. Her vidayı elle sıkarak cıvataları ve cihazı yerinde tutun.
    2. Her vidayı çapraz bir desenle sıkmak için tork anahtarı kullanın.
    3. Silikon çipin çatlamasını veya polikarbonat gövdesinin deformasyonunu önlemek için 0.5 lb-in'e kadar sıkıştırın. Gerekirse daha da sıkıştır.
      NOT: Sıvı geçirmez bir sızdırmazlık sağlamak ve silisyumun çatlamasını önlemek için eşit sıkıştırma kritik öneme sahiptir.

6. Giriş-çıkış (I/O) portu

NOT: Protokolün geri kalanında belirtildiği gibi, hibrit cihaz tasarımımızı değerlendirmek için aşağıdaki adımlar optimize edilmiştir. Bu bölümdeki aşağıdaki adımlar bağlama tekniklerinin kullanımı için zorunlu değildir. Bu bölümde kullanılan I/O portu tasarımı, Ek Dosya 1'e eklenmiştir.

  1. Mikrofluidik tasarım için uygun I/O portunu tasarlayıp üretin.
    1. Mikrofluidik tasarıma uyabilecek ve akışkanlık devreye (örneğin, boru bağlantısı, luer kilidi) bağlanabilecek bir I/O portu tasarlayın.
    2. Tasarımı yüksek hassasiyetli bir 3D yazıcı ile 3D yazdırın.
      NOT: Tasarım için satın alınan G/Ç portları veya luer kilitli konnektörler gibi diğer G/Ç portları da kullanılabilir.
  2. I/O portlarını monte edilmiş mikrofluidik cihaza bağlayın.
    1. Epoksini üreticinin talimatlarına göre hazırlayın ve 27 G'lik iğneyle 1 mL bir enşiringeye yerleştirin.
    2. I/O portlarının yüzüne 100–200 μL dağıtın, akış yolunda epoksi olmamaya dikkat edin ve I/O portlarını mikrofluidik cihaz portlarına bağlayın. 24 saat boyunca kürlenmesine izin verin.

7. Cihazı test etmek

  1. Hibrit mikrofluidik cihazı akışkan bir devreye bağlayın.
    1. Peristalttik pompa boru kullanılarak (bkz. Malzemeler Tablosu), bir su rezervuarı, rulo pompası, basınç sensörü ve hibrit mikrofluidik cihazı seri olarak bağlayın.
    2. Basınç sensörünü cihaz girişine mümkün olduğunca yakın konumlandırarak doğru basınç ölçümlerini sağlayın.
  2. Basınç ve sızıntı testi
    1. Suyu devreden 10 mL/dakika başlangıç akış hızıyla pompalayın.
    2. Akış hızını dakikada 10 mL/dakika adımlarla artırın.
    3. Her akış hızında basıncı ölçün ve kaydedin. Ek basınç gerekirse, cihazın aşağısında devre direncini artırmak için iğne kısıtlaması ekleyin.
    4. Nominal basıncı, ilk görünür sızıntının gerçekleştiği basınç olarak tanımlayın.
  3. Basınç düşüşü testi
    1. Aynı devreyi kullanarak, cihazın hemen aşağısına ikinci bir basınç sensörü yerleştirin.
    2. Seçilmiş bir akış hızında (bu çalışmada 10 mL/dakika) su akışı.
    3. Cihaz üzerindeki basınç düşüşü, cihaz öncesi ve sonrası basınç ölçümleri arasındaki fark olarak hesaplayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Şekil 1, bu çalışmada değerlendirilen üç bağlanma yaklaşımının genel montaj dizisini özetlemektedir. Cihaz mimarisi, her biri akışkan bir kanal içeren iki işlenmiş polikarbonat katmandan oluşuyordu. Her katmana bir silikon element bağlanarak hedeflenen akış yolunun yarısını tamamladı. Seçilen sızdırmazlık stratejileri daha sonra iki polikarbonat montajı birleştirmek için kullanıldı ve böylece mikrokanal kaplandı. Her konfigürasyon için performans metrikleri,...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Güvenilir muhafaza ve sızdırmazlık, özellikle basınçlı çalışma sırasında yapısal bütünlüğün korunması gereken hibrit mikrofluidik sistemlerde önemli zorluklar teşkil etmeye devam etmektedir. Standart mikrofluidik cihaz üretimi, malzeme ve uygulamaya bağlı olarak lazer kaynak, termal bağlanma, yapışkan katmanlar ve kimyasal yüzey modifikasyonu gibi geniş bir bağlantı stratejisi yelpazesinikullanmıştır 42,43,44,45.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

SR, Silicon Kidney şirketinin kurucusudur. NCH, DGB ve SR, bu el yazmasında tanımlanan teknolojiyle ilgili geçici bir patentte ortak mucitlerdir. Yazarların başka rekabet eden çıkarları yoktur.

Teşekkürler

UC Berkeley'den Dr. Dorian Liepmann'a mikrofluidik cihaz üretimindeki rehberlik ve uzmanlığı için teşekkür ederiz.

Fonlama: Ulusal Sağlık Enstitüleri U01 EB025136 Destek Raporu, Ulusal Sağlık Enstitüleri R21 HD113527 Yardım Hibesi, Savunma Bakanlığı Hibesi PR2104827, Pediatrik Bilim İnsanı Geliştirme Programı ve March of Dimes, Ulusal Sağlık Enstitüleri K12HD047349

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
.040" (1.00 mm) Buna-N 70 O-Ring Cord StockThe O-Ring StoreN70.040Montajda kullanılan 1 mm conta; çap tasarım başına ayarlanabilir
18-8 Paslanmaz Çelik Mil PimleriMcMaster90145A876LDPE ve solvent yapıştırmada hizalama için kullanılır
18-8 Paslanmaz Çelik RondelaMcMaster92141A006Conta sıkıştırma montajında kullanılır
316 Paslanmaz Çelik Ultra Düşük Profil Soket Kafa VidasıMcMaster91223A315Conta montajında kullanılan vidalar
CAD YazılımıOnShape veya SolidWorks (veya eşdeğeri)Cihaz tasarımı için kullanılır
Masaüstü CO2 Lazer KesiciUniversal Laser Systems (veya eşdeğeri)LDPE levhaları ve yapışkan bantları kesmek için kullanılır
Diklorometan, susuz, %99,7+ThermoFisher047352.M1Solvent yapıştırmada kullanılan solvent
Dijital Tork TornavidaChecklineTSD-400Conta montajında kontrollü sıkıştırma uygulamak için kullanılır
Epoxy Reçinesi, iki parçalıEpoxy Technology (veya eşdeğeri)MED-302Silikonu polikarbonat ile yapıştırmak için kullanılır
Altıgen Somun, Düşük Mukavemetli ÇelikMcMaster90480A007Conta sıkıştırma için vidalarla birlikte kullanılır
Düşük Yoğunluklu Polietilen (LDPE) FilmMcMaster8593K71Termal yapıştırma için 100–200 μm LDPE levha
Mikrooflüidik Teşhis Yapışkan Bant3M9965; 9972ASolvent yapıştırma sırasında geçici maskeleme katmanı olarak kullanılır
Peristaltik Pompa Hortumu (16 numara eşdeğeri)Masterflex (veya eşdeğeri)Testte kullanılan roller pompası ile uyumlu
Polikarbonat Muhafaza (işlenmiş)Xometry (veya eşdeğeri)CNC işlemeli polikarbonat cihaz katmanları
Basınç SensörüGiriş ve çıkış basınçlarını ölçmek için kullanılır
Programlanabilir Laboratuvar FırınıLDPE yapıştırması için 145 °C'yi koruyabilir
Roller PompasıBasınç ve akış testleri için kullanılır
Silikon Substrat (katı çip)MicroDicing (veya eşdeğeri)Model silikon bileşeni olarak kullanılır
Luer Kilidi ile Paslanmaz Çelik Dağıtım İğneleriMcMaster75165A688Epoksi ve solvent dağıtımı için kullanılır

Kaynaklar

  1. Yang, S. -M., Lv, S., Zhang, W., Cui, Y. Microfluidic point-of-care (POC) devices in early diagnosis: a review of opportunities and challenges. Sensors (Basel). 22 (4), 1620(2022).
  2. Kankaanpää, M., et al. Comparison of the use of comprehensive point-of-care test panel to conventional laboratory process in emergency department. BMC Emerg Med. 18 (1), 43(2018).
  3. Ingber, D. E. Human organs-on-chips for disease modelling, drug development and personalized medicine. Nat Rev Genet. 23 (8), 467-491 (2022).
  4. Baudoin, R., Griscom, L., Monge, M., Legallais, C., Leclerc, E. Development of a renal microchip for in vitro distal tubule models. Biotechnol Prog. 23 (1), 124-131 (2007).
  5. Spinelli, J. C., et al. Wearable microfluidic biosensors with haptic feedback for continuous monitoring of hydration biomarkers in workers. npj Digit Med. 8 (1), 76(2025).
  6. Pour, S. R. S., et al. Microfluidic-based non-invasive wearable biosensors for real-time monitoring of sweat biomarkers. Biosensors. 14 (1), 29(2024).
  7. S, A. D., P, S. P. A., Naveen, J., Khan, T., Khahro, S. H. Advancement in biomedical implant materials—a mini review. Front Bioeng Biotechnol. 12, 1400918(2024).
  8. Ranjan, N. Chitosan with PVC polymer for biomedical applications: a bibliometric analysis. Mater Today Proc. 81, 894-898 (2023).
  9. Szydzik, C., Brazilek, R. J., Nesbitt, W. S. A review of design considerations for hemocompatibility within microfluidic systems. Semin Thromb Hemost. 46 (5), 622-636 (2020).
  10. Xu, Y., Yu, G., Nie, R., Wu, Z. Microfluidic systems toward blood hemostasis monitoring and thrombosis diagnosis: from design principles to micro/nano fabrication technologies. VIEW. 3 (1), 20200183(2022).
  11. Blauvelt, D. G., Abada, E. N., Oishi, P., Roy, S. Advances in extracorporeal membrane oxygenator design for artificial placenta technology. Artif Organs. 45 (3), 205-221 (2021).
  12. Matellan, C., Del Río Hernández, A. E. Cost-effective rapid prototyping and assembly of poly(methyl methacrylate) microfluidic devices. Sci Rep. 8 (1), 6971(2018).
  13. Yu, H., Chong, Z. Z., Tor, S. B., Liu, E., Loh, N. H. Low temperature and deformation-free bonding of PMMA microfluidic devices with stable hydrophilicity via oxygen plasma treatment and PVA coating. RSC Adv. 5 (11), 8377-8388 (2015).
  14. Testa, G., Persichetti, G., Sarro, P. M., Bernini, R. A hybrid silicon-PDMS optofluidic platform for sensing applications. Biomed Opt Express. 5 (2), 417-425 (2014).
  15. Toniolo, F., et al. Efficient and reliable encapsulation for perovskite/silicon tandem solar modules. Nanoscale. 15 (42), 16984-16991 (2023).
  16. Chiang, C. -C., Immanuel, P. N., Chiu, Y. -H., Huang, S. -J. Heterogeneous bonding of PMMA and double-sided polished silicon wafers through H2O plasma treatment for microfluidic devices. Coatings. 11 (5), 580(2021).
  17. Moyer, J., et al. Surgical refinement of silicon nanopore membrane devices for implantable kidney replacement therapy: 7-year experience across 90 prototypes: SA-PO557. J Am Soc Nephrol. 35 (10S), (2024).
  18. Santandreu, A. G., et al. Characterization of human islet function in a convection-driven intravascular bioartificial pancreas. Bioeng Transl Med. 8 (2), e10444(2023).
  19. Kim, E. J., et al. Feasibility of an implantable bioreactor for renal cell therapy using silicon nanopore membranes. Nat Commun. 14 (1), 4890(2023).
  20. Dharia, A., et al. Silicon micropore-based parallel plate membrane oxygenator. Artif Organs. 42 (2), 166-173 (2018).
  21. Blauvelt, D. G., et al. A silicon membrane microfluidic oxygenator for use as an artificial placenta with minimal anticoagulation. Bioeng Transl Med. , e70037(2025).
  22. Aralekallu, S., Boddula, R., Singh, V. Development of glass-based microfluidic devices: a review on its fabrication and biologic applications. Mater Des. 225, 111517(2023).
  23. Carvell, T., Burgoyne, P., Fraser, A. R., Bridle, H. Categorising hybrid material microfluidic devices. Front Lab Chip Technol. 3, 1412290(2024).
  24. Yadavali, S., Jeong, H. -H., Lee, D., Issadore, D. Silicon and glass very large scale microfluidic droplet integration for terascale generation of polymer microparticles. Nat Commun. 9 (1), 1222(2018).
  25. Thompson, A. J., Ma, L. J., Plegue, T. J., Potkay, J. A. Design analysis and optimization of a single-layer PDMS microfluidic artificial lung. IEEE Trans Biomed Eng. 66 (4), 1082-1093 (2019).
  26. Tony, A., et al. The additive manufacturing approach to polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic devices: review and future directions. Polymers. 15 (8), 1926(2023).
  27. Gonçalves, M., et al. Polydimethylsiloxane surface modification of microfluidic devices for blood plasma separation. Polymers. 16 (10), 1416(2024).
  28. Khoo, H., Allen, W. S., Arroyo-Currás, N., Hur, S. C. Rapid prototyping of thermoplastic microfluidic devices via SLA 3D printing. Sci Rep. 14 (1), 17646(2024).
  29. Gencturk, E., Mutlu, S., Ulgen, K. O. Advances in microfluidic devices made from thermoplastics used in cell biology and analyses. Biomicrofluidics. 11 (5), 051502(2017).
  30. Islam, M. M., Loewen, A., Allen, P. B. Simple, low-cost fabrication of acrylic based droplet microfluidics and its use to generate DNA-coated particles. Sci Rep. 8 (1), 8763(2018).
  31. Giri, K., Tsao, C. -W. Recent advances in thermoplastic microfluidic bonding. Micromachines. 13 (3), 486(2022).
  32. Wan, A. M. D., Moore, T. A., Young, E. W. K. Solvent bonding for fabrication of PMMA and COP microfluidic devices. J Vis Exp. (119), e55175(2017).
  33. Ogończyk, D., Węgrzyn, J., Jankowski, P., Dąbrowski, B., Garstecki, P. Bonding of microfluidic devices fabricated in polycarbonate. Lab Chip. 10 (10), 1324-1327 (2010).
  34. Ahmed, M. A. M., Jurczak, K. M., Lynn, N. S., Mulder, J. -P. S. H., Verpoorte, E. M. J., Nagelkerke, A. Rapid prototyping of PMMA-based microfluidic spheroid-on-a-chip models using micromilling and vapour-assisted thermal bonding. Sci Rep. 14 (1), 2831(2024).
  35. Hassanpour-Tamrin, S., Sanati-Nezhad, A., Sen, A. A simple and low-cost approach for irreversible bonding of polymethylmethacrylate and polydimethylsiloxane at room temperature for high-pressure hybrid microfluidics. Sci Rep. 11 (1), 4821(2021).
  36. Zhao, Z., et al. Plastic polymers for efficient DNA microarray hybridization: application to microbiological diagnostics. J Clin Microbiol. 46 (11), 3752-3758 (2008).
  37. Nielsen, J. B., et al. Microfluidics: innovations in materials and their fabrication and functionalization. Anal Chem. 92 (1), 150-168 (2020).
  38. Washburn, A. L., Gunn, L. C., Bailey, R. C. Label-free quantitation of a cancer biomarker in complex media using silicon photonic microring resonators. Anal Chem. 81 (22), 9499-9506 (2009).
  39. Kojic, S. P., Stojanovic, G. M., Radonic, V. Novel cost-effective microfluidic chip based on hybrid fabrication and its comprehensive characterization. Sensors (Basel). 19 (7), 1719(2019).
  40. Boursier, M., Bayon, Y., Negrell, C., Pinaud, J., Caillol, S. Biocompatible glues: recent progress and emerging frontiers in surgical adhesion. Polymers. 17 (13), 1749(2025).
  41. Higgins, N. Engineering a silicon membrane oxygenator for an artificial placenta. eScholarship. , (2025).
  42. Wei, Y., et al. Rapid prototyping of multi-functional and biocompatible Parafilm®-based microfluidic devices by laser ablation and thermal bonding. Micromachines. 14 (3), 656(2023).
  43. Madadi, M., Madadi, A., Zareifar, R., Nikfarjam, A. A simple solvent-assisted method for thermal bonding of large-surface, multilayer PMMA microfluidic devices. Sens Actuators A Phys. 349, 114077(2023).
  44. Riegger, L., Strohmeier, O., Faltin, B., Zengerle, R., Koltay, P. Adhesive bonding of microfluidic chips: influence of process parameters. J Micromech Microeng. 20 (8), 087003(2010).
  45. Jung, B. -J., et al. Surface functionalization and bonding of chemically inert parylene microfluidics using Parylene-A adhesive layer. BioChip J. 16 (2), 168-174 (2022).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

BiyomühendislikSayı 233Sayı 233Boş DeğerSayımikroakışkanlarSolventDüşük Yoğunluklu PolietilenContaTermoplastikSızdırmazlıkBağlama
Hibrit polikarbonat-silikon mikrofluidik cihazların yapım yöntemleri
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.