Trójwymiarowo drukowany mikroprzepływowy system przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych/nanofiltracyjnych
February 13th, 2016
Pokazano projekt i wykonanie trójwymiarowego (3D) drukowanego mikroprzepływowego systemu filtracji krzyżowej. System służy do testowania wydajności i obserwacji zanieczyszczenia membran ultrafiltracyjnych i nanofiltracyjnych (kompozytów cienkowarstwowych).
Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie projektu i działania wydrukowanej w 3D mikroprzepływowej komórki z przepływem krzyżowym w celu przetestowania wydajności i skłonności do zanieczyszczenia membran polimerowych. Metoda ta może pomóc naukowcom zajmującym się membranami w badaniu wydajności membrany i skłonności do zanieczyszczeń przy użyciu mikrofluidyki przy podwyższonym ciśnieniu i dobrze zdefiniowanych warunkach przepływu przy minimalnych kosztach. Do zalet tej konfiguracji na małą skalę należy możliwość przeprowadzania separacji małych ilości materiałów o dużej objętości, wykonywania badań membranowych wymagających kosztownych materiałów do reagencji oraz równoległego testowania wielu nowych preparatów lub modyfikacji membran.
Zacznij od zaprojektowania urządzenia mikroprzepływowego w dwóch oddzielnych częściach za pomocą programu do rysowania wspomaganego komputerowo. Aby utworzyć dolną warstwę, użyj narzędzia prostokąt, aby narysować prostokąt o wymiarach 40 milimetrów na 60 milimetrów. W jednym z rogów prostokąta użyj narzędzia okrąg, aby utworzyć okrąg o średnicy 6,2 milimetra.
Wyśrodkuj ten okrąg 10 milimetrów od lewej krawędzi i 10 milimetrów od dolnej krawędzi. Następnie użyj narzędzia Wzór liniowy, aby odtworzyć otwory w poprzek prostokąta z odstępami 20 milimetrów, co daje w sumie sześć otworów. Następnie użyj narzędzia do zaokrąglania, aby zaokrąglić prostokąty o promieniu jednego milimetra.
Następnie wyciągnij część o 10 milimetrów za pomocą narzędzia do wyciągania. Na środku górnej powierzchni użyj narzędzia prostokąt, aby utworzyć prostokąt o wymiarach 30 milimetrów na jeden milimetr. Następnie użyj narzędzia do wycinania wyciągnięcia, aby wyciąć kanał o głębokości 0,2 milimetra w powierzchni.
Następnie użyj narzędzia do okręgu, aby utworzyć okrąg o średnicy jednego milimetra na końcu kanału przepływowego. Następnie użyj narzędzia Linia, aby skonstruować ścieżkę łączącą okrąg z najbliższą powierzchnią o wymiarach 40 milimetrów na 10 milimetrów, w tym promieniem czterech milimetrów wykonanym za pomocą narzędzia do zaokrąglania. Za pomocą narzędzia do cięcia po ścieżce wykonaj cięcie wzdłuż tej ścieżki.
Następnie przejdź do widoku prawej płaszczyzny i użyj narzędzia okrąg, aby utworzyć okrąg o średnicy 3,9 milimetra na środku ścieżki przepływu. Następnie użyj narzędzia do wycinania wyciągnięć, aby przyciąć osiem milimetrów, aby zrobić miejsce na okucia. Powtórz ten sam proces po drugiej stronie prostokątnego kanału, aby utworzyć obraz lustrzany.
Aby zaprojektować górną warstwę mikroprzepływowego systemu testowego, najpierw wykonaj prostokąt z sześcioma otworami na o takich samych wymiarach jak dolna warstwa. Następnie na środku górnej powierzchni utwórz kanał przenikania o wymiarach 30 milimetrów na jeden milimetr na 0,5 milimetra za pomocą narzędzia prostokąt, aby najpierw utworzyć prostokąt o wymiarach 30 milimetrów na jeden milimetr. A następnie, za pomocą narzędzia do wycinania wyciągnięć, wytnij prostokąt 0,5 milimetra w górnej powierzchni.
Teraz użyj narzędzia okrąg, aby utworzyć jednomilimetrowy okrąg wyśrodkowany w kanale permeatu, pięć milimetrów od jednego końca kanału. Następnie, tak jak poprzednio, użyj narzędzi do tworzenia linii i zaokrąglenia, aby skonstruować ścieżkę, która zawiera pasmo o promieniu czterech milimetrów, aby połączyć okrąg z jedną z powierzchni prostokąta o wymiarach jeden centymetr na sześć centymetrów. Użyj narzędzia Cięcie po ścieżce, aby przeciąć wzdłuż ścieżki i utworzyć kanał.
Następnie użyj narzędzia Okrąg, aby utworzyć dodatkowy okrąg o średnicy 3,9 milimetra, którego środek znajduje się na ścieżce przenikania. I użyj narzędzia do wycinania wyciągania, aby wyciąć okrąg osiem milimetrów w powierzchni. Na górnych 40-milimetrowych krawędziach części za pomocą narzędzia Prostokąt utwórz prostokąty o wymiarach 40 milimetrów na pięć milimetrów, dodając promień o cztery milimetry za pomocą narzędzia do zaokrąglania.
Użyj narzędzia do wyciągania, aby wyciągnąć trzy milimetry w dół dla uchwytów. Na koniec wydrukuj górną i dolną część za pomocą wielomateriałowej fotopolimerowej drukarki 3D z twardym przezroczystym polimerem. Dołącz 0,05 milimetrową powłokę wierzchnią z miękkim, gumowatym polimerem na powierzchni każdej części, która zawiera kanał, zgodnie z protokołem producenta.
Aby rozpocząć, skonfiguruj mikrofluidykę, w tym pompę, zawory, przetwornik ciśnienia, serwomechanizmy, przepływomierz, regulatory i mikrokontroler, zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym. Następnie skonfiguruj system tak, aby mierzył cztery membrany równolegle, otwierając wszystkie zawory do komórek przepływowych. Umieść jedną rurkę wlotową pompy w zbiorniku wody ultra czystej, a drugą rurkę wlotową umieść w zbiorniku zawierającym 0,08 grama na litr roztworu BSA.
Za pomocą strzykawki zalać rurkę, aby usunąć wszystkie pęcherzyki powietrza z systemu. Następnie umieść membrany ultrafiltracyjne w dolnej części komórek przepływowych tak, aby aktywna strona membrany była skierowana w stronę kanałów zasilających. Następnie zamknij ogniwa i przełóż przez otwory w urządzeniu.
Początkowo dokręć nakrętki ręcznie. Następnie za pomocą klucza dokręć je, naprzemiennie obracając się wokół urządzenia, tak aby był równomierny nacisk na komorę. Nie dokręcaj zbyt mocno żadnej strony, ponieważ niewłaściwe dokręcenie może prowadzić do wycieku wody.
Następnie wybierz ultra czystą wodę za pomocą przełącznika zbiornika. Ustaw natężenie przepływu pompy na osiem mililitrów na minutę, a następnie uruchom pompę. Przy pracującej pompie wyreguluj regulator ciśnienia na 0,4 bara.
Monitoruj wartości elastyczności membran za pomocą oprogramowania do akwizycji danych i dostosuj regulator ciśnienia, aż do osiągnięcia średniego strumienia od 180 do 220 litrów na metr kwadratowy na godzinę. Wymień pojedynczą membranę przed rozpoczęciem eksperymentu, jeśli nie jest ona w stanie osiągnąć poniżej 20 litrów na metr kwadratowy na godzinę tego zakresu. Kiedy będziesz gotowy, przygotuj przebieg eksperymentalny, wybierając najpierw ultra czystą wodę w zbiorniku pierwszym na 60 minut ze stałym strumieniem od 180 do 220 litrów na metr kwadratowy na godzinę.
Następnie wybierz BSA w zbiorniku drugim, na dodatkowe 420 minut z ręcznym sterowaniem regulatorem ciśnienia. Wybierz ultra czystą wodę w zbiorniku pierwszym na ostatnie 15 minut eksperymentu, aby przepłukać system. Na tym etapie należy ręcznie sterować regulatorem ciśnienia.
Następnie ustaw przełącznik zbiornika w pozycji auto i rozpocznij eksperyment. Po zakończeniu przebiegu eksperymentalnego wyłącz system i usuń membrany z komórek przepływowych. Następnie wypłucz rurkę wlotową BSA, wciągając przez nią ultra czystą wodę za pomocą strzykawki.
Aby zmierzyć wydajność w zanieczyszczaniu membran nanofiltracyjnych, do linii podłączono przepływomierz w celu pomiaru strumienia permeatu podczas przepływu różnych roztworów przez system. Najpierw system równoważono wodą przez 45 minut, a następnie 45 minut 10-milimolowym siarczanem magnezu. Następnie system został ponownie podłączony do czystej wody na dodatkowe 45 minut, aż do osiągnięcia stabilnego strumienia, zanim 0,8 grama na litr BSA było wprowadzane do systemu przez 45 minut.
Na koniec system został przywrócony do czystej wody na ostatnie 45 minut. Spadek strumienia, w porównaniu ze strumieniem membrany kontrolnej w warunkach 10 milimolowego NaCl, wskazywał na zanieczyszczenie membrany z powodu BSA. Pokazany tutaj wykres przedstawia zanieczyszczenie membran ultrafiltracyjnych.
Strumień przez membrany o grubości 50 kilodaltonów jest pokazany na niebiesko. Strumień przez membrany o grubości 30 kilodaltonów jest pokazany na czerwono. Podczas gdy membrana o grubości 50 kilodaltonów miała wyższy znormalizowany strumień pod koniec eksperymentu, różnica nie była znacząca.
Odkryliśmy, że wielomateriałowa technologia bazowa fotopolimeryzacji atramentowej 3D była niezbędna do wytworzenia komory przepływowej, która była wytrzymała i zawierała wydrukowaną warstwę uszczelki przypominającą gumę, co miało kluczowe znaczenie dla uszczelnienia komory przepływowej i zapobiegania wyciekom. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zaprojektować i obsługiwać własną, niestandardową, wydrukowaną w 3D mikroprzepływową komórkę z przepływem krzyżowym do zastosowań z membranami ultrafiltracyjnymi lub nanofiltracyjnymi.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł prezentuje projekt i działanie 3D drukowanego systemu filtracji mikrofluidycznej przepływu krzyżowego. System jest wykorzystywany do testowania wydajności i skłonności do zanieczyszczenia membran ultrafiltracjanych i nanofiltracjanych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Technologia membran
- Systemy filtracyjne
Tło
- Urządzenia mikrofluidyczne pozwalają na precyzyjną kontrolę przepływu płynu.
- Testowanie wydajności membran jest kluczowe dla różnych zastosowań.
- Zanieczyszczenie jest znaczącym wyzwaniem w filtracji membranowej.
- Druk 3D oferuje niskobudżetowe rozwiązania w produkcji urządzeń.
Cel badania
- Aby zademonstrować 3D drukowaną mikrofluidyczną komórkę przepływu krzyżowego.
- Aby ocenić wydajność membran polimerowych.
- Aby ocenić skłonność do zanieczyszczenia w kontrolowanych warunkach.
Zastosowane metody
- Projektowanie urządzenia mikrofluidycznego przy użyciu oprogramowania CAD.
- Produkcja urządzenia w dwóch oddzielnych częściach.
- Testowanie membran w podwyższonym ciśnieniu.
- Przeprowadzanie eksperymentów z minimalnymi kosztami.
Główne wyniki
- System skutecznie testuje wydajność membran.
- Skłonność do zanieczyszczenia można obserwować w kontrolowanych warunkach.
- Małe skale urządzeń pozwalają na równoległe testowanie wielu membran.
- Niekosztowa metoda badań membran.
Wnioski
- 3D drukowany system mikrofluidyczny jest cennym narzędziem w badaniach membranowych.
- Umożliwia wydajne testowanie nowych formuł membran.
- To podejście może poszerzyć zrozumienie zanieczyszczenia membran.
Często zadawane pytania
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.
