한외 여과 / 나노 멤브레인 성능 테스트 용 삼차원 인쇄물 미세 유체 교차 유동 시스템
February 13th, 2016
설계 및 삼차원 (3-D)의 제조 인쇄 미세 크로스 플로우 여과 시스템이 설명된다. 시스템 성능을 테스트하고 나노 여과 및 한외 여과 (박막 복합체) 막의 오염을 관찰하는데 사용된다.
이 절차의 전반적인 목표는 고분자 멤브레인의 성능 및 오염 성향을 테스트하기 위해 3D 프린팅된 미세유체 교차 흐름 셀의 설계 및 작동을 시연하는 것입니다. 이 방법은 멤브레인 분야의 연구원들이 최소한의 비용으로 높은 압력과 잘 정의된 흐름 조건에서 미세 유체 공학을 사용하여 멤브레인 성능 및 오염 성향을 연구하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 소규모 설정의 장점에는 소량의 대용량 물질을 분리하고, 값비싼 재분석 물질이 필요한 멤브레인 연구를 수행하고, 여러 개의 새로운 멤브레인 제형 또는 변형을 병렬로 테스트할 수 있는 기능이 포함됩니다.
컴퓨터 원조 제도 프로그램을 사용하여 2개의 분리되는 부분에 있는 microfluidic 장치를 디자인해서 시작하십시오. 맨 아래 레이어를 만들려면 사각형 도구를 사용하여 40mm x 60mm 크기의 사각형을 그립니다. 사각형의 한쪽 모서리에서 원 도구를 사용하여 지름 6.2mm의 원을 만듭니다.
이 원은 왼쪽 가장자리에서 10mm, 아래쪽 가장자리에서 10mm 떨어진 곳에 가운데를 맞춥니다. 그런 다음 선형 패턴 도구를 사용하여 20mm 간격으로 사각형을 가로질러 총 6개의 구멍을 복제합니다. 그런 다음 필렛 도구를 사용하여 반지름이 1mm인 직사각형을 필렛합니다.
그런 다음 돌출 도구를 사용하여 부품을 10mm 돌출시킵니다. 위쪽 면의 중앙에서 사각형 도구를 사용하여 30mm x 1mm 사각형을 만듭니다. 그런 다음 돌출 절단 도구를 사용하여 표면에 0.2mm 깊이의 채널을 자릅니다.
그런 다음 원 도구를 사용하여 흐름 채널 끝에 직경 1mm의 원을 만듭니다. 그런 다음 선 도구를 사용하여 필렛 도구로 만든 4mm 반경을 포함하여 가장 가까운 40mm x 10mm 면에 원을 연결하는 경로를 구성합니다. 스윕 절단 도구를 사용하여 이 경로를 따라 절단합니다.
그런 다음 오른쪽 평면 뷰로 이동하고 원 도구를 사용하여 흐름 경로의 중심에 직경 3.9mm의 원을 만듭니다. 그런 다음 돌출 절단 도구를 사용하여 피팅을 위한 공간을 확보하기 위해 8mm를 자릅니다. 미러링된 이미지를 만들기 위해 사각형 채널의 다른 쪽에서도 동일한 프로세스를 반복합니다.
미세유체 테스트 시스템의 최상층을 설계하려면 먼저 하단 층과 치수가 같은 6개의 나사 구멍이 있는 직사각형을 만듭니다. 다음으로, 위쪽 면의 중앙에서 사각형 도구를 사용하여 30mm x 1mm x 0.5mm 투과 채널을 만들고 먼저 30mm x 1mm 직사각형을 만듭니다. 그런 다음 돌출 절단 도구를 사용하여 직사각형을 상단 표면으로 0.5mm 자릅니다.
이제 circle 도구를 사용하여 채널의 한쪽 끝에서 5mm 떨어진 투과 채널의 중앙에 1mm 원을 만듭니다. 그런 다음 이전과 마찬가지로 선과 모깎기 도구를 사용하여 4mm 반경 밴드가 포함된 경로를 구성하여 원을 직사각형의 1cm x 6cm 면 중 하나에 연결합니다. 스윕 절단 도구를 사용하여 경로를 따라 절단하고 채널을 만듭니다.
그런 다음 원 도구를 사용하여 투과 경로에 중심을 둔 직경 3.9mm의 원을 추가로 만듭니다. 그리고 돌출 절단 도구를 사용하여 원을 표면으로 8mm 자릅니다. 사각형 도구를 사용하여 파트의 위쪽 40mm 가장자리에서 40mm x 5mm 크기의 사각형을 작성하고 필렛 도구를 사용하여 4mm 반경을 추가합니다.
돌출 도구를 사용하여 핸들을 위해 아래쪽으로 3mm 돌출시킵니다. 마지막으로, 단단한 투명 폴리머로 다중 재료 포토폴리머 3D 프린터를 사용하여 상단 및 하단 부품을 인쇄합니다. 제조업체의 프로토콜에 따라 채널을 포함하는 각 부품의 표면에 부드럽고 고무 같은 폴리머가 있는 0.05mm 오버코팅을 포함합니다.
시작하려면 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 펌프, 밸브, 압력 변환기, 서보, 유량계, 조절기 및 마이크로 컨트롤러를 포함한 미세 유체 역학을 설정합니다. 그런 다음 플로우 셀에 대한 모든 밸브를 열어 4개의 멤브레인을 병렬로 측정하도록 시스템을 구성합니다. 하나의 펌프 흡입 튜브를 초순수 저장소에 넣고 다른 입구 튜브를 BSA 용액 리터당 0.08g이 들어 있는 저장소에 넣습니다.
주사기를 사용하여 튜브를 프라이밍하여 시스템의 모든 기포를 제거합니다. 다음으로, 한외여과 멤브레인을 플로우 셀의 바닥 부분에 배치하여 멤브레인의 활성 면이 공급 채널을 향하도록 합니다. 그런 다음 셀을 닫고 장치의 구멍을 통해 나사를 공급합니다.
처음에는 너트를 손으로 고정하십시오. 그런 다음 렌치를 사용하여 장치 주위를 번갈아 가며 조여 챔버에 압력이 가해지도록합니다. 잘못 조이면 누수가 발생할 수 있으므로 한쪽을 과도하게 조이지 마십시오.
그런 다음 저장소 스위치를 사용하여 초순수를 선택합니다. 펌프 유량을 분당 8밀리리터로 설정한 다음 펌프를 시동하십시오. 펌프가 작동 중인 상태에서 압력 조절기를 0.4bar로 조정합니다.
데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 멤브레인의 플렉스 값을 모니터링하고 시간당 평방 미터당 180-220리터의 평균 플럭스가 달성될 때까지 압력 조절기를 조정합니다. 이 범위의 시간당 평방 미터당 20리터 이내를 얻을 수 없는 경우 실험을 실행하기 전에 개별 멤브레인을 교체하십시오. 준비가 되면 먼저 시간당 제곱미터당 180리터에서 220리터 사이의 일정한 플럭스로 60분 동안 저장소 1의 초순수를 선택하여 실험 실행을 설정합니다.
그런 다음 압력 조절기를 수동으로 제어하여 추가로 420분 동안 저장소 2에서 BSA를 선택합니다. 실험의 마지막 15분 동안 저장소 1에서 초순수를 선택하여 시스템을 세척합니다. 이 단계에서 압력 조절기를 수동으로 제어하십시오.
그런 다음 저장소 스위치를 자동으로 설정하고 실험을 시작합니다. 실험 실행이 완료된 후 시스템을 종료하고 플로우 셀(flow cell)에서 멤브레인을 제거합니다. 그런 다음 주사기로 초순수를 끌어들여 BSA 주입 튜브를 헹굽니다.
나노 여과 멤브레인의 오염 성능을 측정하기 위해 유량계를 라인에 연결하여 다양한 용액이 시스템을 통해 흐를 때 투과 플럭스를 측정했습니다. 먼저, 시스템을 45분 동안 물로 평형을 이룬 다음 45분 동안 10밀리몰의 황산마그네슘을 주입했습니다. 그런 다음 안정적인 플럭스가 달성될 때까지 시스템을 추가로 45분 동안 순수한 물로 되돌린 후 리터당 0.8g의 BSA를 45분 동안 시스템에 공급했습니다.
마지막으로, 시스템은 마지막 45분 동안 순수한 물로 되돌려졌습니다. 10 millimolar NaCl 조건에서 대조막의 플럭스와 비교하여 플럭스의 감소는 BSA로 인한 멤브레인 오염을 나타냅니다. 여기에 표시된 그래프는 한외여과막의 오염을 표시합니다.
50 킬로달톤 멤브레인을 가로지르는 플럭스는 파란색으로 표시됩니다. 그리고 30킬로달톤 막을 가로지르는 플럭스는 빨간색으로 표시됩니다. 50킬로달톤 멤브레인은 실험 종료 시 더 높은 정규화된 플럭스를 가졌지만 그 차이는 크지 않았습니다.
우리는 다중 재료 3D 잉크젯 광중합 기반 기술이 견고하고 인쇄된 고무와 같은 개스킷 층을 포함하는 플로우 셀을 생산하는 데 필수적이라는 것을 알게 되었으며, 이는 플로우 셀을 밀봉하고 누출을 방지하는 데 매우 중요했습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 한외여과 또는 나노여과 멤브레인 응용 분야를 위한 맞춤형 3D 프린팅 미세유체 직교류 셀을 설계하고 운영하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
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개요
이 기사는 3D 인쇄된 미세유체학적 교차 흐름 여과 시스템의 설계 및 작동을 보여줍니다. 이 시스템은 초여과막 및 나노여과막의 성능 및 오염 경향을 테스트하는 데 사용됩니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 미세유체학
- 막 기술
- 여과 시스템
배경
- 미세유체학 장치는 유체 흐름을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
- 막 성능 테스트는 다양한 응용 분야에서 중요합니다.
- 오염은 막 여과에서 중요한 문제입니다.
- 3D 인쇄는 장치 제작에 대한 비용 효과적인 솔루션을 제공합니다.
연구 목적
- 3D 인쇄된 미세유체학적 교차 흐름 셀을 보여주기 위함입니다.
- 고분자 막의 성능을 평가하기 위함입니다.
- 제어된 조건에서 오염 경향을 평가하기 위함입니다.
사용된 방법
- CAD 소프트웨어를 사용하여 미세유체학 장치 설계하기.
- 장치를 두 개의 별도 부품으로 제작하기.
- 고압에서 막을 테스트하기.
- 최소한의 비용으로 실험 수행하기.
주요 결과
- 이 시스템은 막 성능을 효과적으로 테스트합니다.
- 제어된 조건에서 오염 경향을 관찰할 수 있습니다.
- 소규모 설치는 여러 막의 병렬 테스트를 가능하게 합니다.
- 막 연구에 대한 비용 효과적인 방법입니다.
결론
- 3D 인쇄된 미세유체학 시스템은 막 연구에 유용한 도구입니다.
- 새로운 막 배합의 효율적인 테스트를 가능하게 합니다.
- 이 접근 방식은 막 오염에 대한 이해를 발전시킬 수 있습니다.
자주 묻는 질문
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.
