ثلاثة بعدي مطبوعة ميكروفلويديك نظام الصليب لتدفق الترشيح الفائق / ميكن للترشيح النانوي غشاء اختبار الأداء

الهدف العام من هذا الإجراء هو إظهار تصميم وتشغيل خلية التدفق المتقاطع للموائع الدقيقة المطبوعة ثلاثية الأبعاد لغرض اختبار أداء وميل أغشية البوليمر. يمكن أن تساعد هذه الطريقة الباحثين في مجال الأغشية على دراسة أداء الغشاء وميل القاذورات باستخدام الموائع الدقيقة عند ضغوط مرتفعة وظروف تدفق محددة جيدا بأقل تكاليف. تشمل مزايا هذا الإعداد الصغير القدرة على إجراء عمليات فصل لكميات صغيرة من المواد ذات الحجم الكبير ، وإجراء دراسات الأغشية التي تتطلب مواد إعادة صياغة باهظة الثمن واختبار تركيبات أو تعديلات أغشية جديدة متعددة بالتوازي.

ابدأ بتصميم جهاز الموائع الدقيقة في جزأين منفصلين باستخدام برنامج صياغة بمساعدة الكمبيوتر. لعمل الطبقة السفلية ، استخدم أداة المستطيل لرسم مستطيل 40 ملم × 60 ملم. في أحد أركان المستطيل ، استخدم أداة الدائرة لإنشاء دائرة قطرها 6.2 ملم.

توسيط هذه الدائرة على بعد 10 ملليمترات من الحافة اليسرى ، و 10 ملليمترات من الحافة السفلية. بعد ذلك ، استخدم أداة النمط الخطي لتكرار الثقوب عبر المستطيل بتباعد 20 ملم ليصبح المجموع ستة ثقوب. بعد ذلك ، استخدم أداة الشرائح لتقطيع المستطيلات بنصف قطر ملليمتر واحد.

ثم قم بثق الجزء 10 ملم باستخدام أداة البثق. في وسط الوجه العلوي ، استخدم أداة المستطيل لإنشاء مستطيل 30 ملم في مليمتر واحد. بعد ذلك ، استخدم أداة قطع البثق لقطع قناة بعمق 0.2 مم في السطح.

بعد ذلك ، استخدم أداة الدائرة لإنشاء دائرة قطرها ملليمتر واحد في نهاية قناة التدفق. بعد ذلك ، استخدم أداة الخط لإنشاء مسار يربط الدائرة بأقرب وجه 40 ملم × 10 ملم ، بما في ذلك نصف قطر أربعة ملليمترات مصنوع باستخدام أداة الفيليه. باستخدام أداة القطع المكتسحة ، قم بعمل قطع على طول هذا المسار.

بعد ذلك ، انتقل إلى عرض المستوى الأيمن ، واستخدم أداة الدائرة لإنشاء دائرة قطرها 3.9 ملم في وسط مسار التدفق. بعد ذلك ، استخدم أداة قطع البثق لقطع ثمانية ملليمترات من أجل إفساح المجال للتركيبات. كرر نفس العملية على الجانب الآخر من القناة المستطيلة لإنشاء صورة معكوسة.

لتصميم الطبقة العليا من نظام اختبار الموائع الدقيقة ، قم أولا بعمل مستطيل بستة فتحات لولبية لها نفس أبعاد الطبقة السفلية. بعد ذلك ، في وسط الوجه العلوي ، قم بإنشاء قناة نفاذية 30 ملم × ملليمتر واحد × 0.5 ملم باستخدام أداة المستطيل لإنشاء مستطيل 30 ملم × مليمتر واحد أولا. وبعد ذلك ، باستخدام أداة قطع البثق ، لقطع المستطيل 0.5 ملم في السطح العلوي.

الآن ، استخدم أداة الدائرة لعمل دائرة ملليمتر واحد متمركزة في القناة المتنفذة ، خمسة ملليمترات من أحد طرفي القناة. بعد ذلك ، كما كان من قبل ، استخدم أدوات الخط والشرائح لإنشاء مسار يتضمن نطاقا نصف قطره أربعة ملليمترات لتوصيل الدائرة بأحد وجوه المستطيل التي يبلغ طولها سنتيمترا واحدا في ستة سنتيمترات. استخدم أداة القطع المكسورة للقص على طول المسار وإنشاء قناة.

بعد ذلك ، استخدم أداة الدائرة لإنشاء دائرة إضافية قطرها 3.9 ملم مع مركزها على مسار التغلغل. واستخدم أداة قطع البثق لقطع الدائرة ثمانية ملليمترات في السطح. في أعلى حواف الجزء البالغ 40 ملم ، باستخدام أداة المستطيل ، قم بإنشاء مستطيلات 40 ملم × خمسة ملليمترات ، مع إضافة نصف قطر أربعة ملليمترات باستخدام أداة الفيليه.

استخدم أداة البثق لبثق ثلاثة ملليمترات لأسفل للمقابض. أخيرا ، قم بطباعة القطع العلوية والسفلية باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد ، مع بوليمر شفاف صلب. قم بتضمين طلاء علوي 0.05 ملم ببوليمر مطاطي ناعم على وجه كل جزء يحتوي على القناة ، وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.

للبدء ، قم بإعداد الموائع الدقيقة ، بما في ذلك المضخة والصمامات ومحول الضغط والماكينات ومقياس التدفق والمنظمين والمتحكم الدقيق كما هو موضح في بروتوكول النص المصاحب. بعد ذلك ، قم بتكوين النظام لقياس أربعة أغشية بالتوازي عن طريق فتح جميع الصمامات لخلايا التدفق. ضع أنبوب مدخل مضخة واحد في خزان المياه فائق النقاء ، وضع أنبوب المدخل الآخر في خزان يحتوي على 0.08 جرام لكل لتر من محلول BSA.

باستخدام حقنة ، قم بتجهيز الأنبوب لإزالة جميع فقاعات الهواء في النظام. بعد ذلك ، ضع أغشية الترشيح الفائق على الجزء السفلي من خلايا التدفق بحيث يكون الجانب النشط من الغشاء باتجاه قنوات التغذية. ثم أغلق الخلايا ، وقم بتغذية البراغي من خلال الفتحات الموجودة في الجهاز.

اربط المكسرات باليد في البداية. بعد ذلك ، باستخدام مفتاح ربط لتشديدها بالتناوب حول الجهاز بحيث يكون هناك ضغط متساو على الغرفة. لا تفرط في شد أي جانب ، لأن الشد غير السليم قد يؤدي إلى تسرب المياه.

بعد ذلك ، حدد الماء النقي للغاية باستخدام مفتاح الخزان. اضبط معدل تدفق المضخة على ثمانية ملليلتر في الدقيقة ثم ابدأ تشغيل المضخة. أثناء تشغيل المضخة ، اضبط منظم الضغط على 0.4 بار.

راقب القيم المرنة للأغشية باستخدام برنامج الحصول على البيانات ، واضبط منظم الضغط حتى يتم تحقيق متوسط تدفق يتراوح بين 180 و 220 لترا لكل متر مربع في الساعة. استبدل غشاء فردي قبل إجراء التجربة ، إذا لم يكن قادرا على الوصول إلى 20 لترا لكل متر مربع في الساعة من هذا النطاق. عندما تكون جاهزا ، قم بإعداد التشغيل التجريبي عن طريق اختيار الماء فائق النقاء أولا في الخزان الأول لمدة 60 دقيقة بتدفق ثابت يتراوح بين 180 و 220 لترا لكل متر مربع في الساعة.

بعد ذلك ، حدد BSA في الخزان الثاني ، لمدة 420 دقيقة إضافية مع التحكم اليدوي في منظم الضغط. حدد الماء النقي للغاية في الخزان الأول لمدة 15 دقيقة الأخيرة من التجربة لتنظيف النظام. استخدم التحكم اليدوي في منظم الضغط خلال هذه الخطوة.

بعد ذلك ، اضبط مفتاح الخزان على تلقائي وابدأ التجربة. بعد اكتمال التشغيل التجريبي ، قم بإيقاف تشغيل النظام وإزالة الأغشية من خلايا التدفق. بعد ذلك ، اشطف أنبوب مدخل BSA عن طريق سحب الماء النقي للغاية من خلاله باستخدام حقنة.

لقياس الأداء في تلوث أغشية الترشيح النانوي ، تم توصيل مقياس التدفق بالخط لقياس تدفق النفاذية حيث تم تدفق حلول مختلفة عبر النظام. أولا ، تم موازنة النظام بالماء لمدة 45 دقيقة ، تليها 45 دقيقة من 10 مللي مولار من كبريتات المغنيسيوم. ثم أعيد النظام إلى الماء النقي لمدة 45 دقيقة إضافية حتى تم تحقيق تدفق مستقر قبل إدخال 0.8 جرام لكل لتر من BSA في النظام لمدة 45 دقيقة.

أخيرا ، تم إرجاع النظام إلى الماء النقي لمدة 45 دقيقة الأخيرة. يشير الانخفاض في التدفق ، مقارنة بتدفق غشاء التحكم في ظل ظروف 10 مللي مولار كلوريد الصوديوم ، إلى تلوث الغشاء بسبب BSA. يعرض الرسم البياني الموضح هنا تلوث أغشية الترشيح الفائق.

التدفق عبر أغشية 50 كيلودالتون باللون الأزرق. ويظهر التدفق عبر أغشية 30 كيلودالتون باللون الأحمر. في حين أن غشاء 50 كيلودالتون كان له تدفق طبيعي أعلى عند إنهاء التجربة ، لم يكن الفرق كبيرا.

وجدنا أن تقنية قاعدة البلمرة الضوئية النافثة للحبر ثلاثية الأبعاد متعددة المواد كانت ضرورية لإنتاج خلية تدفق قوية وتتضمن طبقة حشية مطبوعة تشبه المطاط ، والتي كانت ضرورية لإغلاق خلية التدفق ومنع التسرب. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصميم وتشغيل خلية التدفق المتقاطع للموائع الدقيقة المطبوعة ثلاثية الأبعاد المخصصة لتطبيقات الترشيح الفائق أو غشاء الترشيح النانوي.