Driedimensionaal Printed microfluïdische Cross-flow-systeem voor Ultrafiltratie / nanofiltratiemembraan Performance Testing
13 februari 2016
Ontwerp en fabricage van een driedimensionaal (3-D) gedrukt microfluïdische kruisstroom filtratiesysteem wordt aangetoond. Het systeem wordt gebruikt om de prestaties te testen en observeren vervuiling van ultrafiltratie en nanofiltratie (dunne film composite) membranen.
Het algemene doel van deze procedure is om het ontwerp en de werking van een 3D-geprinte microfluïdische kruisstroomcel te demonstreren met als doel de prestaties en de neiging tot verstopping van polymeermembranen te testen. Deze methode kan onderzoekers op het gebied van membranen helpen om de prestaties en de neiging tot verstopping van membranen te bestuderen met behulp van microfluïdica bij verhoogde drukken en goed gedefinieerde stromingsomstandigheden met minimale kosten. Voordelen van deze kleinschalige opstelling zijn onder meer de mogelijkheid om afscheidingen van kleine hoeveelheden hoogvolumematerialen uit te voeren, om membraanopleidingen uit te voeren die dure reagentia vereisen en om meerdere nieuwe membraanformuleringen of modificaties parallel te testen.
Begin met het ontwerpen van het microfluïdische apparaat in twee afzonderlijke delen met behulp van een computerondersteund ontwerpprogramma. Gebruik voor de onderlaag de rechthoektool om een rechthoek van 40 millimeter bij 60 millimeter te tekenen. Gebruik bij een hoek van de rechthoek de cirkeltool om een cirkel van 6,2 millimeter diameter te maken.
Centreer deze cirkel 10 millimeter van de linkerrand en 10 millimeter van de onderkant. Gebruik vervolgens de lineaire patroontool om de gaten over de rechthoek te repliceren met een afstand van 20 millimeter voor een totaal van zes gaten. Gebruik vervolgens de afrondingstool om de rechthoeken af te ronden met een straal van één millimeter.
Vervolgens extrudeert u het onderdeel 10 millimeter met behulp van de extrudeertool. Gebruik in het midden van de bovenkant de rechthoektool om een rechthoek van 30 millimeter bij 1 millimeter te maken. Gebruik vervolgens de extrude-cuttool om een kanaal van 0,2 millimeter diep in het oppervlak te snijden.
Gebruik vervolgens de cirkeltool om een cirkel met een diameter van één millimeter aan het einde van het stromingskanaal te maken. Gebruik vervolgens de lijntool om een pad te construeren dat de cirkel verbindt met het dichtstbijzijnde gezicht van 40 millimeter bij 10 millimeter, inclusief een straal van vier millimeter gemaakt met de afrondingstool. Gebruik de geveegde snijdtool om langs dit pad een snede te maken.
Ga vervolgens naar de rechter vlaktekening en gebruik de cirkeltool om een cirkel met een diameter van 3,9 millimeter in het midden van het stromingspaad te maken. Gebruik vervolgens de extrude-cuttool om acht millimeter te snijden om ruimte te maken voor fittingen. Herhaal dit proces aan de andere kant van het rechthoekige kanaal om een spiegelbeeld te maken.
Om de bovenste laag van het microfluïdische testsysteem te ontwerpen, maakt u eerst een rechthoek met zes schroefgaten met dezelfde afmetingen als de onderlaag. Gebruik vervolgens in het midden van de bovenkant de rechthoektool om eerst een rechthoek van 30 millimeter bij 1 millimeter te maken. En gebruik vervolgens de extrude-cuttool om de rechthoek 0,5 millimeter in de bovenste oppervlakte te snijden.
Gebruik vervolgens de cirkeltool om een cirkel van één millimeter te maken, gecentreerd in het permeaatkanaal, vijf millimeter vanaf een uiteinde van het kanaal. Gebruik vervolgens, zoals eerder, de lijn- en afrondingstools om een pad te construeren dat een band van vier millimeter straal omvat om de cirkel te verbinden met een van de gezichten van één centimeter bij zes centimeter van de rechthoek. Gebruik de geveegde snijdtool om langs het pad te snijden en een kanaal te maken.
Gebruik vervolgens de cirkeltool om een extra cirkel van 3,9 millimeter diameter te maken met het centrum op het permeaatpad. Gebruik vervolgens de extrude-cuttool om de cirkel acht millimeter in het oppervlak te snijden. Gebruik de rechthoektool om aan de bovenste 40 millimeter randen rechthoeken van 40 millimeter bij vijf millimeter te maken, waarbij u met behulp van de afrondingstool een straal van vier millimeter toevoegt.
Gebruik de extrudetool om drie millimeter naar beneden te extruderen voor handgrepen. Druk ten slotte de bovenste en onderste delen af met behulp van een meervoudig materiaal fotopolymeer 3D-printer, met een harde transparante polymeer. Voeg een laag van 0,05 millimeter met een zachte, rubberachtige polymeer toe op het gezicht van elk onderdeel dat het kanaal bevat, in overeenstemming met het protocol van de fabrikant.
Begin met het opzetten van de microfluïdica, inclusief de pomp, de kleppen, de druksensor, de servo's, de flowmeter, de regelaars en de microcontroller, zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol. Configureer vervolgens het systeem om vier membranen parallel te meten door alle kleppen naar de stromingscellen te openen. Plaats één pompinlaatbuis in het ultrazuivere waterreservoir en plaats de andere inlaatbuis in een reservoir met 0,08 gram per liter BSA-oplossing.
Gebruik een spuit om de slang te primen om alle luchtbellen in het systeem te verwijderen. Plaats vervolgens de ultrafiltratiemembranen op de onderkant van de stromingscellen zodat de actieve kant van het membraan naar de voedingskanalen gericht is. Sluit vervolgens de cellen en voer de schroeven door de gaten in het apparaat.
Bevestig de moeren aanvankelijk met de hand. Gebruik vervolgens een sleutel om ze aan te draaien door rond het apparaat te wisselen, zodat er gelijkmatige druk op de kamer is. Draai geen enkele kant te strak, omdat onjuiste aanpassing kan leiden tot lekkage van water.
Selecteer vervolgens het ultrazuivere water met de reservoirswitch. Stel de pompstroomsnelheid in op acht milliliter per minuut en start vervolgens de pomp. Met de pomp die loopt, stelt u de drukregelaar in op 0,4 bar.
Bewaak de flexwaarden van de membranen met behulp van software voor gegevensverzameling en pas de drukregelaar aan totdat een gemiddelde flux van tussen de 180 en 220 liter per vierkante meter per uur wordt bereikt. Vervang een individueel membraan voordat u de proef uitvoert, als het niet binnen 20 liter per vierkante meter per uur van dit bereik kan komen. Wanneer u klaar bent, stelt u de experimentele run in door eerst het ultrazuivere water in reservoir één te selecteren gedurende 60 minuten met een constante flux van tussen de 180 en 220 liter per vierkante meter per
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel demonstreert het ontwerp en de werking van een 3D-geprint microfluïdisch cross-flow filtratiesysteem. Het systeem wordt gebruikt om de prestaties en de vervuilingsneiging van ultrafiltratie- en nanofiltratiemembranen te testen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Microfluïdica
- Membraantechnologie
- Filtratiesystemen
Achtergrond
- Microfluïdische apparaten maken een precieze beheersing van de vloeistofstroom mogelijk.
- Het testen van membraanprestaties is cruciaal voor diverse toepassingen.
- Vervuiling is een aanzienlijke uitdaging bij membraanfiltratie.
- 3D-printen biedt kosteneffectieve oplossingen voor de fabricage van apparaten.
Doel van de studie
- Om een 3D-geprinte microfluïdische cross-flow cel te demonstreren.
- Om de prestaties van polymeermembranen te evalueren.
- Om de neiging tot vervuiling onder gecontroleerde omstandigheden te beoordelen.
Gebruikte methoden
- Ontwerpen van het microfluïdische apparaat met CAD-software.
- Fabriceren van het apparaat in twee afzonderlijke delen.
- Testen van membranen bij verhoogde drukken.
- Uitvoeren van experimenten tegen minimale kosten.
Belangrijkste Resultaten
- Het systeem test de membraanprestaties effectief.
- De neiging tot vervuiling kan onder gecontroleerde omstandigheden worden waargenomen.
- Opstellingen op kleine schaal maken parallelle tests van meerdere membranen mogelijk.
- Kosteneffectieve methode voor membraanstudies.
Conclusies
- Het 3D-geprinte microfluïdische systeem is een waardevol instrument voor membraanonderzoek.
- Het maakt efficiënte tests van nieuwe membraanformuleringen mogelijk.
- Deze aanpak kan het begrip van membraanvervuiling bevorderen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Dit 3D-geprinte microfluïdische cross-flow-systeem maakt parallel testen van maximaal vier ultrafiltratie- of nanofiltratiemembranen mogelijk onder gecontroleerde stroom- en drukcondities, wat de evaluatie van de neiging tot membraanvervuiling in een vroeg stadium ondersteunt. Door het reagentieverbruik te minimaliseren en snelle iteraties op membraanformuleringen mogelijk te maken, helpt het systeem bij het verminderen van risico's bij targetvalidatie en leadidentificatie in membraangebaseerde scheidingstechnologieën die relevant zijn voor biofarma-zuiveringsworkflows. Het modulaire, schaalbare ontwerp ondersteunt de assay-ontwikkeling en reproduceerbaarheid voor downstream procesoptimalisatie.
Strategische toepassingen in biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar membraneprestaties en vervuilingsmechanismen mogelijk met behulp van modelvervuilers zoals BSA om scheidingshypothesen te valideren.
- Operationele waarde: Ondersteunt parallelle tests van meerdere membraanvarianten, wat studies naar structuur-functie-relaties versnelt.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Biedt kwantitatieve fluxmetingen onder gedefinieerde omstandigheden, wat een gestandaardiseerde beoordeling van de weerstand tegen membraanvervuiling mogelijk maakt.
- Operationele waarde: Vermindert de benodigde hoeveelheid reagentia en monstervolume, waardoor het haalbaar wordt om dure biomaterialen of materialen met een beperkte beschikbaarheid te testen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de continuïteit van ontdekking naar preklinische evaluatie door reproduceerbare vervuilingsgegevens te genereren die voorspellend zijn voor prestaties op grotere schaal.
- Operationele waarde: Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk door vroege detectie van membraankandidaten die gevoelig zijn voor vervuiling.
Integratie van Pipeline & Workflow
Het systeem integreert in workflows voor de ontdekking van membranen door ondersteuning te bieden bij hypothesetoetsing, standaardisatie van assays en datagedreven selectie van membraankandidaten voorafgaand aan de opschaling.
- Discovery Biology: Ondersteunt het mechanistisch minimaliseren van risico's door variabelen zoals druk, stroomsnelheid en vervuilerconcentratie te isoleren om membraan-vervuilerinteracties te verduidelijken.
- Screening: Maakt high-throughput gereedheid mogelijk via parallelle tests en modulaire uitbreiding voor het evalueren van diverse membraanformuleringen.
- Analytics: Genereert flux-afnamegegevens die dienen als kwantitatieve afhankelijke variabelen voor het vergelijken van membraanprestaties onder vervuilingsomstandigheden.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt vroege vervuilingsobservaties met preklinische continuïteit door gegevens te leveren die de haalbaarheid van opschaling informeren.
- Bedrijfsbrede Hergebruik: Ontworpen als een herbruikbaar platform voor iteratieve tests over meerdere projecten, waardoor redundante ontwikkelingsinspanningen worden verminderd.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verbetert het voorspellende vertrouwen bij de selectie van membranen door gecontroleerde vervuilingsstudies met meetbare resultaten mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en standaardisatie door nauwkeurige vloeistofbeheersing en gesloten fabricage met meerdere materialen.
- Strategische waarde: Ondersteunt betere go/no-go-beslissingen door vervuilingsrisico's vroegtijdig te identificeren, waardoor procesfouten in een laat stadium worden verminderd.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van membraankandidaten mogelijk op basis van empirische gegevens over vervuilingsresistentie.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in microfluïdisch ontwerp, CAD-modellering en multi-materiaal 3D-printen.
- Vereist instrumentatie voor drukregeling, debietbeheersing en fluxmeting (bijv. pomp, flowmeter, data-acquisitiesysteem).
- Vereist standaardisatie van membraanpreparatie, afdichting en aanspanprocedures om lekkelose werking te garanderen.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen aan verschillende membrantypes, vervuilers en operationele drukken.
- Beperkt door het kleine membraanoppervlak, waardoor de hydrodynamica van systemen op industriële schaal mogelijk niet volledig wordt gereproduceerd.
