超滤/纳滤膜性能测试三维印刷微流控横流系统
2016年2月13日
设计和三维（3-D）的制造印刷的微流体交叉流过滤系统被证明。该系统用于测试性能和观察超滤和纳滤（薄膜复合）膜的结垢。
该程序的总体目标是演示 3D 打印微流体错流池的设计和作，以测试聚合物膜的性能和结垢倾向。该方法可以帮助膜领域的研究人员在高压和明确定义的流动条件下使用微流体以最低的成本研究膜性能和结垢倾向。这种小规模设置的优势包括能够分离少量大体积材料，进行需要昂贵试剂活化材料的膜研究，以及并行测试多种新膜配方或修饰。
首先使用计算机辅助绘图程序将微流体装置分为两个单独的部分。要制作底部图层，请使用矩形工具绘制一个 40 毫米 x 60 毫米的矩形。在矩形的一角处，使用圆工具创建一个直径为 6.2 毫米的圆。
将此圆居中距左边缘 10 毫米，距下边缘 10 毫米。然后，使用线性图案工具以 20 毫米的间距在矩形上复制孔，总共有 6 个孔。接下来，使用圆角工具对半径为 1 毫米的矩形进行圆角处理。
然后，使用拉伸工具将零件拉伸 10 毫米。在顶面的中心，使用矩形工具创建一个 30 毫米 x 1 毫米的矩形。然后，使用拉伸切割工具在曲面中切割 0.2 毫米深的通道。
接下来，使用圆形工具在流道末端制作一个直径为 1 毫米的圆形。然后，使用线条工具构建一条路径，将圆连接到最接近的 40 毫米 x 10 毫米的面，包括使用圆角工具制作的 4 毫米半径。使用扫掠切割工具，沿此路径进行切割。
接下来，转到右侧平面视图，并使用圆工具在流路中心创建一个直径为 3.9 毫米的圆。然后，使用拉伸切割工具切割 8 毫米，以便为配件留出空间。在矩形通道的另一侧重复相同的过程，以创建镜像图像。
要设计微流体测试系统的顶层，首先制作一个带有六个螺丝孔的矩形，这些螺丝孔的尺寸与底层相同。接下来，在顶面的中心，使用矩形工具创建一个 30 毫米 x 1 毫米 x 0.5 毫米的渗透通道，首先创建一个 30 毫米 x 1 毫米的矩形。然后，使用拉伸切割工具将矩形切割到顶面 0.5 毫米处。
现在，使用圆工具在渗透通道的中心制作一个 1 毫米的圆，距离通道的一端 5 毫米。然后，像以前一样，使用直线和圆角工具构建一条路径，其中包括一个 4 毫米半径的带，以将圆连接到矩形的 1 厘米 x 6 厘米的面之一。使用扫掠剪切工具沿路径剪切并创建通道。
然后，使用圆工具创建一个直径为 3.9 毫米的额外圆，其中心位于渗透液路径上。并使用拉伸切割工具将圆切割成表面 8 毫米。在零件的顶部 40 毫米边缘处，使用矩形工具创建 40 毫米 x 5 毫米的矩形，并使用圆角工具添加 4 毫米的半径。
使用凸出工具，将手柄向下拉伸 3 毫米。最后，使用多材料光敏聚合物 3D 打印机和坚硬的透明聚合物打印顶部和底部。根据制造商的协议，在包含通道的每个部件的表面涂上 0.05 毫米的涂层，并涂上柔软的橡胶状聚合物。
首先，按照随附的文本协议中所述，设置微流体，包括泵、阀门、压力传感器、伺服系统、流量计、调节器和微控制器。然后，通过打开流通池的所有阀门，将系统配置为平行测量四个膜。将一根泵入口管放入超纯水储液器中，将另一根进水管放入每升 BSA 溶液中含有 0.08 克的储液罐中。
使用注射器灌注管道以去除系统中的所有气泡。接下来，将超滤膜放在流通池的底部，使膜的活性侧朝向进料通道。然后，关闭单元，并将螺钉穿过器件上的孔。
最初用手拧紧螺母。然后，使用扳手在设备周围交替拧紧它们，使腔室受到均匀的压力。不要将任何一侧拧得过紧，因为拧紧不当可能会导致漏水。
接下来，使用储液罐开关选择超纯水。将泵流速设置为 8 毫升/分钟，然后启动泵。在泵运行的情况下，将压力调节器调节至 0.4 bar。
使用数据采集软件监测膜的弯曲值，并调整压力调节器，直到达到每小时每平方米 180 至 220 升的平均通量。在运行实验之前，如果单个膜的浓度不能达到每小时 20 升/平方米/小时以内，请更换该范围。准备好后，首先在 1 号储液罐中选择超纯水 60 分钟，恒定通量在每小时 180 至 220 升/平方米之间，以此设置实验运行。
然后，在储液罐 2 中选择 BSA，通过手动控制减压阀再延长 420 分钟。在实验的最后 15 分钟内，选择储液罐 1 中的超纯水来冲洗系统。在此步骤中，使用手动控制压力调节器。
然后，将储液槽开关设置为 auto 并开始实验。实验运行完成后，关闭系统并从流通池中去除膜。然后，用注射器抽取超纯水冲洗 BSA 入口管路。
为了测量纳滤膜的污染性能，将流量计连接到管线上，以测量各种溶液流经系统时的渗透通量。首先，将系统用水平衡 45 min，然后用 10 毫摩尔硫酸镁平衡 45 min。然后将系统再放回纯水中 45 分钟，直到达到稳定的通量，然后将每升 0.8 克 BSA 送入系统，持续 45 分钟。
最后，系统在最后 45 分钟内返回纯水。在 10 毫摩尔 NaCl 条件下，与对照膜的通量相比，通量降低表明 BSA 导致膜污染。此处显示的图表显示了超滤膜的结垢情况。
穿过 50 kdalton 膜的通量以蓝色显示。通过 30 千道尔顿膜的通量以红色显示。虽然 50 kdalton 膜在实验结束时具有较高的归一化通量，但差异并不显着。
我们发现，多材料 3D 喷墨光聚合基料技术对于生产坚固耐用的流通池至关重要，并且包括打印的橡胶状垫圈层，这对于密封流通池和防止泄漏至关重要。观看此视频后，您应该对如何为超滤或纳滤膜应用设计和作自己的定制 3D 打印微流体错流池有很好的了解。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文展示了3D打印微流控交叉流过滤系统的设计和操作。该系统用于测试超滤和纳滤膜的性能和污染倾向。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 膜技术
- 过滤系统
背景
- 微流控装置允许对流体流动进行精确控制。
- 测试膜的性能对于各种应用至关重要。
- 污染是膜过滤中的重大挑战。
- 3D打印为设备制造提供了成本效益的解决方案。
研究目的
- 展示3D打印的微流控交叉流池。
- 评估聚合物膜的性能。
- 在受控条件下评估污染倾向。
使用的方法
- 使用CAD软件设计微流控装置。
- 将设备分为两个独立的部分进行制造。
- 在高压下测试膜。
- 以最低成本进行实验。
主要结果
- 该系统有效测试膜性能。
- 在受控条件下可以观察到污染倾向。
- 小规模设置允许多个膜的并行测试。
- 膜研究的成本效益方法。
结论
- 3D打印的微流控系统是膜研究的宝贵工具。
- 它能够有效测试新的膜配方。
- 这种方法可以推进对膜污染的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
This 3D-printed microfluidic cross-flow system enables parallel testing of up to four ultrafiltration or nanofiltration membranes under controlled flow and pressure conditions, supporting early-stage evaluation of membrane fouling propensity. By minimizing reagent consumption and allowing rapid iteration on membrane formulations, the system aids in de-risking target validation and lead identification in membrane-based separation technologies relevant to biopharma purification workflows. Its modular, scalable design supports assay development and reproducibility for downstream process optimization.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of membrane performance and fouling mechanisms using model foulants like BSA to validate separation hypotheses.
- Operational Value: Supports parallel testing of multiple membrane variants, accelerating structure-function relationship studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative flux measurements under defined conditions, enabling standardized assessment of membrane fouling resistance.
- Operational Value: Reduces reagent and sample volume requirements, making it feasible to test expensive or limited-availability biomaterials.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical evaluation by generating reproducible fouling data predictive of larger-scale performance.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions through early detection of fouling-prone membrane candidates.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into membrane discovery workflows by supporting hypothesis testing, assay standardization, and data-driven selection of membrane candidates prior to scale-up.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by isolating variables such as pressure, flow rate, and foulant concentration to clarify membrane-foulant interactions.
- Screening: Enables high-throughput readiness through parallel testing and modular expansion for evaluating diverse membrane formulations.
- Analytics: Generates flux decline readouts that serve as quantitative dependent variables for comparing membrane performance under fouling conditions.
- Translational Research: Connects early fouling observations to preclinical continuity by providing data that inform scale-up feasibility.
- Enterprise Reuse: Designed as a reusable platform for iterative testing across multiple projects, reducing redundant development efforts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in membrane selection by enabling controlled fouling studies with measurable outputs.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through precise fluid control and sealed multi-material fabrication.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by identifying fouling risks early, reducing late-stage process failures.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of membrane candidates based on empirical fouling resistance data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design, CAD modeling, and multi-material 3D printing.
- Needs pressure regulation, flow control, and flux measurement instrumentation (e.g., pump, flow meter, data acquisition).
- Demands standardization of membrane preparation, sealing, and tightening procedures to ensure leak-free operation.
- Involves adaptation considerations for different membrane types, foulants, and operational pressures.
- Limited by the small membrane surface area, which may not fully replicate hydrodynamics of industrial-scale systems.
