限外濾過/ナノ濾過膜性能試験のための三次元プリントマイクロ流体クロスフローシステム
February 13th, 2016
三次元（3-D）印刷、マイクロ流体クロスフローろ過システムが示されているの設計および製造。システム性能をテストし、限外濾過及びナノ濾過（薄膜複合）膜の汚れを観察するために使用されます。
この手順の全体的な目標は、ポリマー膜の性能と汚れ傾向をテストする目的で、3Dプリントされたマイクロ流体クロスフローセルの設計と操作を実証することです。この方法は、メンブレン分野の研究者が、マイクロ流体工学を使用して、高圧で明確に定義された流動条件で最小限のコストでメンブレンの性能と汚れ傾向を研究するのに役立ちます。この小規模セットアップの利点には、少量の大量の材料の分離を行う能力、高価な再エージェンシー材料を必要とする膜研究を実施する能力、および複数の新しい膜製剤または修飾を並行して試験する能力が含まれます。
まず、コンピューター支援製図プログラムを使用して、マイクロ流体デバイスを2つの別々の部分で設計します。最下層を作成するには、四角形ツールを使用して 40 mm x 60 mm の四角形を描画します。長方形の 1 つの角に、円ツールを使用して直径 6.2 mm の円を作成します。
この円を左端から 10 mm、下端から 10 mm の位置に中心を置きます。次に、線形パターン ツールを使用して、長方形全体に穴を 20 mm 間隔で複製し、合計 6 つの穴を作成します。次に、フィレットツールを使用して、半径1ミリメートルの長方形をフィレットします。
次に、押し出しツールを使用してパーツを10ミリメートル押し出します。上面の中央に長方形ツールを使用して、30 mm x 1 mm の長方形を作成します。次に、押し出しカットツールを使用して、表面に0.2ミリメートルの深さのチャネルを切り取ります。
次に、円ツールを使用して、流路の端に直径1ミリメートルの円を作成します。次に、線ツールを使用して、フィレットツールで作成された半径4ミリメートルを含む、円を最も近い40ミリメートル×10ミリメートルの面に接続するパスを作成します。スイープ カット ツールを使用して、このパスに沿ってカットします。
次に、右側の平面ビューに移動し、円ツールを使用して、流路の中心に直径 3.9 mm の円を作成します。次に、押し出しカットツールを使用して8ミリメートルをカットし、フィッティング用のスペースを確保します。長方形のチャネルの反対側で同じプロセスを繰り返して、ミラーリングされたイメージを作成します。
マイクロ流体試験システムの最上層を設計するには、まず、最下層と同じ寸法の6つのネジ穴を持つ長方形を作成します。次に、上面の中央に、長方形ツールを使用して 30 mm x 1 mm x 0.5 mm の透過チャネルを作成し、最初に 30 mm x 1 mm の長方形を作成します。次に、押し出しカットツールを使用して、長方形を上面に0.5ミリメートルカットします。
次に、円ツールを使用して、透過チャネルの中心に 1 ミリメートルの円を作成し、チャネルの一方の端から 5 ミリメートルの角度にします。次に、前と同様に、線ツールとフィレット ツールを使用して、半径 4 mm のバンドを含むパスを作成し、円を四角形の 1 センチメートル x 6 センチメートルの面の 1 つに接続します。スイープ カット ツールを使用して、パスに沿ってカットし、チャネルを作成します。
次に、円ツールを使用して、透過パスを中心とする直径 3.9 mm の円を追加で作成します。また、押し出しカットツールを使用して、円を表面に8ミリメートルカットします。パーツの上部 40 mm エッジに、長方形ツールを使用して 40 mm x 5 mm の長方形を作成し、フィレット ツールで半径を 4 mm 追加します。
押し出しツールを使用して、ハンドルを 3 mm 下方向に押し出します。最後に、硬質透明ポリマーを使用して、マルチマテリアルフォトポリマー3Dプリンターを使用して、上部と下部のピースを印刷します。メーカーのプロトコルに従って、チャネルを含む各パーツの表面に柔らかいゴム状のポリマーで0.05ミリメートルのオーバーコーティングを含めます。
まず、付属のテキストプロトコルで説明されているように、ポンプ、バルブ、圧力トランスデューサ、サーボ、流量計、レギュレーター、マイクロコントローラーなどのマイクロ流体工学をセットアップします。次に、フローセルへのすべてのバルブを開いて、4つのメンブレンを並行して測定するようにシステムを構成します。一方のポンプインレットチューブを超純水リザーバーに入れ、もう一方のインレットチューブを0.08グラム/リットルのBSA溶液を含むリザーバーに入れます。
シリンジを使用してチューブをプライミングし、システム内のすべての気泡を取り除きます。次に、限外ろ過メンブレンをフローセルの底部に配置し、メンブレンの活性側が供給チャネルに向くようにします。次に、セルを閉じ、デバイスの穴にネジを通します。
最初はナットを手で固定します。次に、レンチを使用して、チャンバーに圧力が均等になるように、デバイスの周りを交互に締めます。不適切な締め付けは水漏れにつながる可能性があるため、片側を締めすぎないでください。
次に、リザーバースイッチを使用して超純水を選択します。ポンプの流量を毎分8ミリリットルに設定してから、ポンプを始動します。ポンプを作動させた状態で、圧力レギュレーターを0.4バールに調整します。
データ収集ソフトウェアを使用してメンブレンのフレックス値を監視し、180〜220リットル/平方メートル/時の平均フラックスが達成されるまで圧力調整器を調整します。この範囲の1平方メートルあたり1時間あたり20リットル以内に収まらない場合は、実験を実行する前に個々のメンブレンを交換してください。準備ができたら、まず、180〜220リットル/平方メートル/時で一定のフラックスを持つ超純水を貯留層1に60分間選択して、実験の実行を設定します。
次に、リザーバ2のBSAを選択し、圧力調整器の手動制御でさらに420分間使用します。実験の最後の15分間、リザーバー1の超純水を選択して、システムを洗い流します。このステップでは、圧力調整器の手動制御を使用します。
次に、リザーバースイッチを自動に設定し、実験を開始します。実験の実行が完了したら、システムをシャットダウンし、フローセルからメンブレンを取り外してください。次に、BSAインレットチューブに超純水をシリンジで引き込んで洗い流します。
ナノろ過膜の汚れの性能を測定するために、流量計をラインに接続して、さまざまな溶液がシステム内を流れるときの透過フラックスを測定しました。まず、システムを水で 45 分間平衡化し、続いて 10 ミリモルの硫酸マグネシウムを 45 分間平衡化しました。その後、システムをさらに 45 分間純水に戻して、安定したフラックスが得られるまで、BSA 1 リットルあたり 0.8 グラムを 45 分間システムに供給しました。
最後に、システムは最後の45分間純水に戻されました。フラックスの減少は、10ミリモルNaClの条件下でのコントロールメンブレンのフラックスと比較して、BSAによるメンブレンの汚れを示しました。ここに示すグラフは、限外ろ過膜の汚れを示しています。
50キロダルトンの膜を横切るフラックスは青色で示されています。また、30キロダルトンの膜を横切るフラックスは赤で示されています。50キロダルトンのメンブレンは、実験終了時に正規化されたフラックスが高かったが、その差は有意ではなかった。
その結果、マルチマテリアル3Dインクジェット光重合ベース技術が、フローセルを密閉し、漏れを防ぐために重要なゴムのようなガスケット層を印刷した堅牢なフローセルを製造するために不可欠であることがわかりました。このビデオを見れば、限外ろ過またはナノろ過膜アプリケーション用のカスタム3Dプリントマイクロ流体クロスフローセルを設計および操作する方法を十分に理解できるはずです。
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概要
この記事では、3Dプリントされたマイクロ流体クロスフロー濾過システムの設計と操作を示します。このシステムは、超濾過膜とナノ濾過膜の性能と汚れの傾向をテストするために使用されます。
主要な研究構成要素
科学の分野
- マイクロ流体力学
- 膜技術
- 濾過システム
背景
- マイクロ流体デバイスは流体の流れを正確に制御することができます。
- 膜の性能テストは様々な応用に不可欠です。
- 汚れは膜濾過の重要な課題です。
- 3Dプリンティングはデバイス製造のための費用効果的なソリューションを提供します。
研究の目的
- 3Dプリントされたマイクロ流体クロスフローセルを示す。
- ポリマー膜の性能を評価する。
- 制御された条件下で汚れの傾向を評価する。
使用された方法
- CADソフトウェアを使用してマイクロ流体デバイスを設計する。
- デバイスを2つの別々の部分で製造する。
- 高圧で膜をテストする。
- 最小限のコストで実験を実施する。
主要な結果
- このシステムは膜の性能を効果的にテストします。
- 制御された条件下で汚れの傾向を観察できます。
- 小規模なセットアップでは複数の膜の並行テストが可能。
- 膜研究のための費用効果的な方法。
結論
- 3Dプリントされたマイクロ流体システムは膜研究のための価値あるツールです。
- 新しい膜配合の効率的なテストを可能にします。
- このアプローチは膜の汚れの理解を進めることができます。
よくある質問
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.
