Microfluidic assessment of platelet-polyurethane interactions under physiological and supra-physiological shear rates

Cardiovascular diseases remain the leading cause of death worldwide, and mechanical circulatory support devices (MCSDs) often represent the only viable therapeutic option. However, these devices are associated with severe thrombotic complications caused by non-physiological shear when in contact with blood. Among the materials used in MCSDs, polyurethane (PU) is widely employed for its biocompatibility and unique mechanical properties. This study aims to investigate the interaction between human blood and PU under physiological and supra-physiological shear conditions using a customized microfluidic platform. The experimental setup consists of polydimethylsiloxane (PDMS) chips with microfluidic straight channels clamped with PU samples, perfused first with platelet-rich plasma (PRP) and then with reconstituted blood at 40% hematocrit, at controlled shear rates of 1,000, 5,000, and 10,000 s⁻¹. Analysis is performed via confocal fluorescence microscopy, followed by quantitative image processing to evaluate platelet adhesion and thrombus formation on PU. The results indicate low platelet adhesion on PU at the end of the PRP experiments, with peaks below 3% of the PU surface area coverage (%SAC), consistent with the final adhesion observed with RB, where peaks rarely exceeded 5% of the %SAC. However, in the latter case, adhesion and thrombus formation were more pronounced during intermediate phases under higher shear rates, with peaks around 30% of %SAC and mean thrombus areas of approximately 5400 μm². Most adhered platelets and thrombi were washed away by flow in later phases. The literature offers limited data on dynamic contact between PU and human blood; however, the few available studies, despite several limitations, report findings broadly consistent with those presented here. This study itself has important limitations, particularly the limited number of donors and the lack of platelet count standardization and thus serves as a preliminary step for future research addressing these issues.

Le malattie cardiovascolari restano la principale causa di morte a livello globale, e i dispositivi di assistenza circolatoria meccanica (MCSDs) rappresentano spesso l’unica opzione terapeutica praticabile. Tuttavia, questi dispositivi sono associati a gravi complicanze trombotiche causate da shear non fisiologici durante il contatto con il sangue. Tra i materiali utilizzati nei MCSDs, il poliuretano (PU) è ampiamente impiegato per la sua biocompatibilità e per le sue peculiari proprietà meccaniche. Questo studio ha l’obiettivo di investigare l’interazione tra sangue umano e PU in condizioni di shear fisiologiche e supra-fisiologiche, utilizzando una piattaforma microfluidica personalizzata. L’allestimento sperimentale è costituito da chip in polidimetilsilossano (PDMS) con canali microfluidici rettilinei serrati con campioni di PU, perfusi prima con plasma ricco di piastrine (PRP) e poi con sangue ricostituito al 40% di ematocrito, a shear rate controllati di 1.000, 5.000 e 10.000 s⁻¹. L’analisi è condotta mediante microscopia confocale a fluorescenza, seguita da un’elaborazione quantitativa delle immagini per valutare l’adesione piastrinica e la formazione di trombi sul PU. I risultati indicano una bassa adesione piastrinica sul PU al termine degli esperimenti con PRP, con picchi inferiori al 3% della superficie totale di PU (%SAC), in linea con l’adesione finale osservata con RB, dove i picchi raramente superano il 5% della %SAC. Tuttavia, in quest’ultimo caso, adesione e formazione di trombi risultano più evidenti nelle fasi intermedie degli esperimenti condotti a shear rate più elevati, con picchi intorno al 30% della %SAC e aree medie di trombi di circa 5400 μm². La maggior parte delle piastrine adese e dei trombi formati è stata successivamente rimossa dalla forza del flusso nelle fasi finali. La letteratura riporta dati limitati sul contatto dinamico tra PU e sangue umano; tuttavia, i pochi studi disponibili, pur con diverse limitazioni, presentano risultati generalmente coerenti con quelli qui descritti. Anche questo studio presenta importanti limitazioni, in particolare il numero limitato di donatori e la mancata standardizzazione della conta piastrinica, rappresentando quindi un punto di partenza preliminare per future ricerche volte a superare tali limiti.