Name: Trójwymiarowo drukowany mikroprzepływowy system przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych/nanofiltracyjnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 19 s
Description: Poznaj projektowanie i działanie trójwymiarowo drukowanego mikroprzepływowego systemu przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych i nanofiltracyjnych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują firmie Stratasys (Rehovot, Izrael) za trójwymiarowe wydrukowanie urządzenia. Jesteśmy wdzięczni firmie Microdyne-Nadir (Niemcy) za próbki membrany. Badania te były wspierane przez Izraelską Fundację Naukową (Grant 1474-13) dla C.J.A.

1. Projektowanie i wykonanie mikrofluidycznego systemu testowego
<ol>
	<li>Zaprojektuj urządzenie mikroprzepływowe jako dwie oddzielne części: część górną i dolną (Rysunek 1) w programie CAD.</li>
	<li>Rozpocznij tworzenie części dolnej, używając narzędzia prostokąta do narysowania prostokąta o wymiarach 40 mm na 60 mm.</li>
	<li>W jednym narożniku, używając narzędzia koła, utwórz koło o średnicy 6,2 mm z centrum oddalonym o 10 mm od krawędzi. Za pomocą narzędzia wzoru liniowego powiel otwory w obrębie prostokąta w odstępach 20 mm, aby uzyskać łącznie 6 otworów.</li>
	<li>Użyj narzędzia zaokrągleń (fillet), aby zaokrąglić narożniki prostokątów promieniem 1 mm.</li>
	<li>Wytłocz część na grubość 10 mm za pomocą narzędzia wyciągania (extrude).</li>
	<li>Na środku górnej powierzchni, za pomocą narzędzia prostokąta, utwórz prostokąt o wymiarach 30 mm na 1 mm i za pomocą narzędzia wycinania przez wyciąganie wytnij kanał przepływowy o głębokości 0,2 mm.</li>
	<li>Używając narzędzia koła, utwórz koło o średnicy 1 mm na końcu kanału przepływowego. Następnie za pomocą narzędzia linii wyznacz ścieżkę łączącą koło z najbliższą powierzchnią o wymiarach 40 mm na 10 mm, uwzględniając zaokrąglenie o promieniu 4 mm wykonane narzędziem zaokrągleń. Wykonaj wycięcie wzdłuż tej ścieżki za pomocą narzędzia wycinania przez przesuwanie (swept cut).</li>
	<li>Używając narzędzia koła, utwórz koło o średnicy 3,9 mm w centrum ścieżki przepływu i wytnij otwór o głębokości 8 mm za pomocą narzędzia wycinania przez wyciąganie, aby umożliwić montaż złączy.</li>
	<li>Powtórz kroki 1.7 i 1.8 po przeciwnej stronie kanału przepływowego.</li>
	<li>W przypadku części górnej powtórz kroki 1.2-1.5. Następnie na środku górnej powierzchni utwórz kanał permeatu, używając narzędzia prostokąta do narysowania prostokąta o wymiarach 30 mm na 1 mm i wycinając głębokość 0,5 mm za pomocą narzędzia wycinania przez wyciąganie.</li>
	<li>Użyj narzędzia koła, aby utworzyć koło o średnicy 1 mm wycentrowane w kanale permeatu 5 mm od krawędzi. Za pomocą narzędzia linii wyznacz ścieżkę łączącą koło z jedną z powierzchni o wymiarach 1 cm na 6 cm, uwzględniając zaokrąglenie o promieniu 4 mm wykonane narzędziem zaokrągleń. Wykonaj wycięcie wzdłuż ścieżki za pomocą narzędzia wycinania przez przesuwanie.</li>
	<li>Używając narzędzia koła, utwórz dodatkowe koło o średnicy 3,9 mm z centrum na ścieżce permeatu i wytnij otwór o głębokości 8 mm za pomocą narzędzia wycinania przez wyciąganie.</li>
	<li>Na górnych krawędziach części o długości 40 mm, za pomocą narzędzia prostokąta, utwórz prostokąty o wymiarach 40 mm na 5 mm, dodając zaokrąglenia o promieniu 4 mm narzędziem zaokrągleń. Użyj narzędzia wyciągania, aby wytłoczyć uchwyty w dół na 3 mm.</li>
	<li>Wydrukuj części na wielomateriałowej drukarce 3D z fotopolimeru, używając twardego przezroczystego polimeru, z naniesieniem 0,05 mm warstwy miękkiego polimeru gumowego na powierzchni każdej części zawierającej kanał. Stosuj standardowy protokół, kalibrację i ustawienia producenta.</li>
	<li>Gwintuj otwory (M5) wylotowe zasilania, retentatu i permeatu. Użyj taśmy teflonowej do podłączenia złączy 1/8” do zasilania i retentatu oraz złączy 1/16” do permeatu.</li>
	<li>Podłącz urządzenia mikroprzepływowe do pompy, zaworów, przetwornika ciśnienia i regulatora ciśnienia wstecznego za pomocą przewodów 1/8” (Rysunek 2).</li>
	<li>Podłącz filtry 0,45 μm do rurek wlotowych.</li>
	<li>Kieruj permeat do przepływomierza i zlewków na wagach za pomocą przewodów 1/16”.</li>
	<li>Przymocuj serwo o ciągłym obrocie do regulatora ciśnienia wstecznego za pomocą śrub, a standardowe serwo do zaworu 3-drożnego za pomocą drutu wiążącego.</li>
	<li>Podłącz serwa i zasilacz do tarczy serwo (servo shield).</li>
	<li>Podłącz przetwornik ciśnienia, przełączniki i tarczę serwo do mikrokontrolera.</li>
	<li>Podłącz mikrokontroler, wagi, przepływomierz i pompę do komputera PC w celu rejestracji danych i sterowania systemem.</li>
	<li>Skonfiguruj wagi tak, aby przesyłały dane do swojego portu szeregowego.</li>
</ol>
2. Przygotowanie membran do badania
<ol>
	<li>Wyciąć membrany do rozmiaru 40 mm x 8 mm.</li>
	<li>Namoczyć membrany w wodzie ultraczystej (3 x 10 min) przy zastosowaniu sonikacji.</li>
	<li>Następnie namoczyć membrany w roztworze wody ultraczystej i etanolu (50/50) przez 1 h.</li>
	<li>Przepłukać membrany wodą ultraczystą i przechowywać w wodzie ultraczystej w temperaturze 4 °C.8</li>
</ol>
3. Przygotowanie roztworów do testów z membranami nanofiltracyjnymi
<ol>
	<li>Do kolby Erlenmeyera wlać 500 ml wody ultrapurej. Następnie dodać 0,04 g BSA oraz 0,29 g NaCl.</li>
	<li>Do osobnej kolby Erlenmeyera wlać 500 ml wody ultrapurej. Następnie dodać 0,6 g MgSO4.</li>
	<li>Do trzeciej kolby Erlenmeyera wlać 500 ml wody ultrapurej. Następnie dodać 0,29 g NaCl.</li>
	<li>Do każdej kolby wprowadzić mieszadła magnetyczne i umieścić kolby na mieszadłach. Mieszać przez 5 min przy 500 rpm.</li>
</ol>
4. Przeprowadzenie eksperymentu z foulingiem nanofiltracyjnym
Uwaga: Eksperyment należy przeprowadzić w temperaturze pokojowej (ok. 24 °C). W pierwszej kolejności należy skonfigurować system do pomiaru pojedynczej membrany, zamykając zawory do komór przepływowych, które nie są podłączone do przepływomierza.
<ol>
	<li>Wprowadź jedną rurkę wlotową pompy do zbiornika z wodą ultraczystą, a drugą rurkę wlotową do roztworu MgSO4 (Rycina 2).</li>
	<li>Użyj strzykawki, aby zassać wodę i roztwór MgSO4 przez przewody, w celu usunięcia wszystkich pęcherzyków powietrza z układu.</li>
	<li>Włóż membranę nanofiltracyjną do dolnej części celi przepływowej, stroną aktywną w stronę kanału zasilającego, a następnie nałóż górną część celi przepływowej.</li>
	<li>Dokręć nakrętki ręcznie, a następnie równomiernie dociśnij kluczem, aby zminimalizować wycieki.</li>
	<li>Wybierz wodę ultraczystą za pomocą przełącznika wyboru zbiornika.</li>
	<li>Ustaw natężenie przepływu pompy na 2 ml/min i uruchom pompę.</li>
	<li>Ustaw regulator ciśnienia na 4 bar.</li>
	<li>Skonfiguruj parametry eksperymentu tak, aby przełączać zbiorniki co 45 min, zaczynając od zbiornika z wodą.</li>
	<li>Ustaw przełącznik zbiorników w tryb automatyczny i rozpocznij eksperyment.</li>
	<li>W 60 min zbieraj permeat MgSO4 do probówki przez kolejne 30 min.</li>
	<li>W 91 min zastąp kolbę z MgSO4 kolbą zawierającą roztwór BSA i NaCl.</li>
	<li>Szybko zatrzymaj pompę i użyj strzykawki, aby zassać roztwór BSA przez rurkę wlotową w celu usunięcia pozostałości MgSO4 z przewodów. Następnie ponownie uruchom pompę.</li>
	<li>W 150 min zbieraj permeat BSA do probówki przez kolejne 30 min.</li>
	<li>Po 225 min wyłącz system i wyjmij membranę nanofiltracyjną z celi przepływowej.</li>
	<li>Używając strzykawki, przepłucz rurkę wlotową roztworu testowego wodą ultraczystą.</li>
	<li>Powtórz kroki 4.1-4.15 dla każdej kolejnej badanej membrany.</li>
	<li>W przypadku testów tylko z NaCl powtórz kroki 4.1-4.10 oraz 4.14-4.16, zastępując roztwór MgSO4 roztworem NaCl i kończąc eksperyment po 90 min zamiast 225 min.</li>
</ol>
5. Obliczanie stopnia zatrzymywania soli przez membrany nanofiltracyjne
<ol>
	<li>Przepłucz elektrody celi pomiarowej potencjostatu wodą ultraczystą.</li>
	<li>Za pomocą pipety nanieś 5 μl roztworu MgSO4 na elektrody celi pomiarowej.</li>
	<li>Zapisz oporność roztworu.</li>
	<li>Powtórz kroki 5.1-5.3 jeszcze cztery razy i oblicz wartość średnią.</li>
	<li>Powtórz kroki 5.1-5.4 dla roztworów NaCl i BSA/NaCl, a także dla każdego zebranego roztworu permeatu.</li>
	<li>Oblicz stopień zatrzymania soli za pomocą Równania 1: 
	<img alt="Równanie zatrzymania: Rejection = 1 - Ωs/Ωp, formuła związana z analizą przetwarzania sygnałów." src="/files/ftp_upload/53556/53556eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Eq 1"> 
	gdzie Ωs to oporność roztworu testowego, a Ωp to oporność permeatu. Oporność jest odwrotnie proporcjonalna do przewodności roztworu, która bezpośrednio koreluje ze stężeniem soli.</li>
</ol>
6. Przygotowanie roztworu do badania z wykorzystaniem membran ultrafiltracyjnych
<ol>
	<li>Do zlewki o pojemności 4 L wlać 1 L wody ultrapurej. Następnie dodać 0,32 g BSA.</li>
	<li>Włożyć mieszadło magnetyczne do zlewki i umieścić ją na mieszadle magnetycznym. Mieszać przez 5 min przy 500 rpm.</li>
	<li>Dodać kolejne 3 L wody ultrapurej do zlewki i ponownie mieszać przez 5 min przy 500 rpm.</li>
</ol>
7. Przeprowadzenie eksperymentu dotyczącego foulingu w ultrafiltracji
Uwaga: Przeprowadź eksperyment w temperaturze pokojowej (ok. 24 °C). Najpierw skonfiguruj system do pomiaru 4 membran równolegle, otwierając wszystkie zawory prowadzące do cel przepływowych.
<ol>
	<li>Umieść jedną rurkę wlotową pompy w zbiorniku z wodą ultrapurą, a drugą rurkę wlotową w roztworze BSA (Rysunek 2).</li>
	<li>Za pomocą strzykawki pobierz wodę i roztwór BSA przez rurki, aby usunąć wszystkie pęcherzyki powietrza z układu.</li>
	<li>Włóż membrany ultrafiltracyjne do dolnej części cel przepływowych, stroną aktywną skierowaną w stronę kanałów zasilających, a następnie zamknij cele górnymi połowami urządzenia mikroprzepływowego.</li>
	<li>Zaciśnij nakrętki ręcznie, a następnie równomiernie dokręć je kluczem. Nieprawidłowe dokręcenie może prowadzić do wycieku wody.</li>
	<li>Za pomocą przełącznika zbiorników wybierz wodę ultrapurą.</li>
	<li>Ustaw natężenie przepływu pompy na 8 ml/min i uruchom pompę.</li>
	<li>Ustaw regulator ciśnienia na 0,4 bar.</li>
	<li>Monitoruj wartości strumienia membran za pomocą oprogramowania do akwizycji danych zgodnie z protokołem producenta.</li>
	<li>Reguluj regulator ciśnienia, aż średni strumień wyniesie 200 LMH ± 10%.</li>
	<li>Wymień poszczególną membranę, jeśli strumień nie wynosi 200 LMH ± 20%.</li>
	<li>Wprowadź parametry serii eksperymentalnej. Najpierw wybierz zbiornik z wodą ultrapurą na 60 min przy stałym strumieniu 200 ± 20 LMH. Następnie wybierz zbiornik z BSA na 420 min przy ręcznym sterowaniu regulatorem ciśnienia. Na koniec wybierz zbiornik z wodą ultrapurą na 15 min przy ręcznym sterowaniu regulatorem ciśnienia, aby przepłukać układ po zakończeniu eksperymentu.</li>
	<li>Ustaw przełącznik zbiorników w tryb auto i rozpocznij eksperyment.</li>
	<li>Po zakończeniu serii wyłącz system i wyjmij membrany z cel przepływowych.</li>
	<li>Za pomocą strzykawki przepłucz rurkę wlotową pompy wodą ultrapurą.</li>
</ol>

<ol><li>Guo, W., Ngo, H. -H., Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+mini-review+on+membrane+fouling%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+technol%22%5BJournal%5D)">A mini-review on membrane fouling.</a> Bioresource technol. 122, 27-34 (2012).</li>
<li>Fane, A. G., Fell, C. J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+fouling+and+fouling+control+in+ultrafiltration%5BTitle%5D)+AND+%22Desalination%22%5BJournal%5D)">A review of fouling and fouling control in ultrafiltration.</a> Desalination. 62, 117-136 (1987).</li>
<li>Tang, C. Y., Chong, T. H., Fane, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal+interactions+and+fouling+of+NF+and+RO+membranes%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+colloid+interfac%22%5BJournal%5D)">Colloidal interactions and fouling of NF and RO membranes: a review.</a> Adv. colloid interfac. 164 (1-2), 126-143 (2011).</li>
<li>De Jong, J., Lammertink, R. G. H., Wessling, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membranes+and+microfluidics%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Membranes and microfluidics: a review.</a> Lab on a chip. 6 (9), 1125-1139 (2006).</li>
<li>Haas, R., Gutman, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glycosphingolipids+Enhance+Bacterial+Attachment+and+Fouling+of+Nanofiltration+Membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol.+Lett%22%5BJournal%5D)">Glycosphingolipids Enhance Bacterial Attachment and Fouling of Nanofiltration Membranes.</a> Environ. Sci. Technol. Lett. 2, (2015).</li>
<li>Nabe, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modification+of+polysulfone+ultrafiltration+membranes+and+fouling+by+BSA+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Surface modification of polysulfone ultrafiltration membranes and fouling by BSA solutions.</a> J. Membr. Sci. 133 (1), 57-72 (1997).</li>
<li>Ang, W., Elimelech, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+%28BSA%29+fouling+of+reverse+osmosis+membranes%3A+Implications+for+wastewater+reclamation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Protein (BSA) fouling of reverse osmosis membranes: Implications for wastewater reclamation.</a> J. Membr. Sci. 296 (1-2), 83-92 (2007).</li>
<li>Bernstein, R., Belfer, S., Freger, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modification+of+dense+membranes+using+radical+graft+polymerization+enhanced+by+monomer+filtration%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Surface modification of dense membranes using radical graft polymerization enhanced by monomer filtration.</a> Langmuir. 26 (14), 12358-12365 (2010).</li>
<li>Kaufman, Y., Kasher, R., Lammertink, R. G. H., Freger, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+NF%2FRO+separation%3A+Cell+design%2C+performance+and+application%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Microfluidic NF/RO separation: Cell design, performance and application.</a> J. Membr. Sci. 396, 67-73 (2012).</li>
<li>Kaufman, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+supported+bolaamphiphile+membranes+for+water+filtration%3A+Roles+of+lipid+and+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Towards supported bolaamphiphile membranes for water filtration: Roles of lipid and substrate.</a> J. Membr. Sci. 457, 50-61 (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Protokół ten opisuje projekt trójwymiarowo drukowanego mikroprzepływowego urządzenia do pomiaru przepływu krzyżowego do testowania membran nanofiltracyjnych i ultrafiltracyjnych. Ostatnio wykazaliśmy sukces odmiany tego protokołu z kondycjonowaniem membrany nanofiltracyjnej i zanieczyszczeniem glikosfingolipidami i lipopolisacharydami oraz różnicami w wydajności błony przy późniejszym wstrzyknięciu kultury bakteryjnej. 5 Przyszłe zastosowania wykorzystujące tę technikę mogą być wykorzystywane do oceny zmian wy...

Technologia membranowa jest integralną częścią procesów przemysłowych i innych wymagających separacji substancji rozpuszczonych od roztworu masowego, jednak zanieczyszczenie membrany jest głównym wyzwaniem. 1 Typowymi przykładami zanieczyszczenia membran są membrany ultrafiltracyjne do separacji ścieków na podstawie wielkości,2 oraz cienkowarstwowe membrany kompozytowe do oddzielania jonów i większych substancji rozpuszczonych od wody słonawej lub morskiej. 3 Charakterystycznymi objawami zanieczyszczenia są wzrost ciśnienia transbłonowego i spadek strumienia. Zmniejsza to produktywność membrany i skraca jej żywotność ze względu na chemiczne lub inne protokoły czyszczenia. W związku z tym wydajność membrany jest dobrym wskaźnikiem do oceny zanieczyszczenia oraz zrozumienia mechanizmów i skutków zanieczyszczenia, biofoulingu i tworzenia biofilmu na membranach. Ocena wydajności jest również ważna przy projektowaniu lub modyfikacji nowych membran.

Zainteresowanie zastosowaniem membran w urządzeniach mikroprzepływowych rośnie w ciągu ostatniej dekady. 4 Niedawno badaliśmy wpływ składników mikrobiologicznych, lipopolisacharydu i glikosfingolipidu, na zanieczyszczenie powierzchni membrany nanofiltracyjnej, a następnie podatność kondycjonowanej powierzchni na przyczepienie mikrobiologiczne. 5 Do oceny wydajności membran nanofiltracyjnych wykorzystano mikroprzepływowe urządzenie do przepływu krzyżowego. Pozwoliło to na zastosowanie specjalnych, niekomercyjnych składników lipidowych dostępnych tylko w niewielkich ilościach do zanieczyszczania powierzchni membrany, ponieważ powierzchnia membrany była niewielka. Wielkość systemu pozwoliła na efektywne wykorzystanie materiałów membranowych i niewielką ilość roztworów. W tym protokole opisujemy projekt i produkcję urządzenia mikroprzepływowego do testowania wydajności membrany oraz nakreślamy włączenie urządzenia do systemu przepływu ciśnienia. Demonstracja urządzenia jest pokazana poprzez testowanie wydajności membran ultrafiltracyjnych i membran nanofiltracyjnych przy użyciu modelowego środka zanieczyszczającego, BSA. 6,7

<table><tbody><tr><td>BSA</td><td>SIGMA-ALDRICH</td><td>A6003</td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>DAEJUNG</td><td>7548-4100</td><td></td></tr><tr><td>MgSO4EMSURE 1058861000</td><td></td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Membrana NF</td><td>Membrana Filmtec</td><td>NF200</td><td></td></tr><tr><td>30 kDa UF MICRODYN</td><td>NADIR</td><td>UH030</td><td></td></tr><tr><td>50 kDa Membrana UF</td><td>MICRODYN NADIR</td><td>UH050</td><td></td></tr><tr><td>Przetwornik ciśnienia</td><td>Zawory kulowe Midas</td><td>43006711</td><td></td></tr><tr><td></td><td>AV-RF</td><td>Q91SA-PN6.4</td><td></td></tr><tr><td>Zawór 3-drogowy</td><td>iLife Medical Devices</td><td>902.071</td><td></td></tr><tr><td>Regulator ciśnienia</td><td>Swagelok</td><td>KCB1G0A2A5P20000</td><td></td></tr><tr><td>Przepływomierz</td><td>Bronkhorst</td><td>L01-AGD-99-0-70S</td><td></td></tr><tr><td>Wagi</td><td>MRC</td><td>BBA-1200</td><td></td></tr><tr><td>Pompa</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-00354-JI</td> 1/8" Rurka <td></td></tr><tr><td></td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06605-27</td><td></td></tr><tr><td>Rurka 1/16"</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06407-41</td><td></td></tr><tr><td>1/16" Złączki</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-30486-70</td><td></td></tr><tr><td>1/8" Złączki</td><td>Kiowa</td><td>QSM-B-M5-3-20</td><td></td></tr><tr><td>Mikrokontroler</td><td>Adafruit</td><td>50</td><td>Arduino UNO R3</td></tr><tr><td>Serwo o ciągłym obrocie</td><td>Adafruit</td><td>154</td><td></td></tr><tr><td>Standardowe serwo</td><td>Adafruit</td><td>1142</td><td></td></tr><tr><td>Zasilacz</td><td>Adafruit</td><td>658</td><td></td></tr><tr><td>Servo Shield</td><td>SainSmart</td><td>20-011-905</td><td></td></tr><tr><td>Części przełączników</td><td>Express</td><td>060-376</td><td></td></tr><tr><td>Filtry 0,45 mikrona</td><td>EMD Millipore</td><td>SLHV033RS</td><td></td></tr><tr><td>Potencjostat</td><td>Gamry</td><td>PCI4</td><td></td></tr><tr><td>Sonikator</td><td>MRC</td><td>DC-150H</td><td></td></tr><tr><td>Drukarka 3D Connex</td><td>Stratasys</td><td>Objet Connex</td><td></td></tr><tr><td>Veroclear&nbsp;</td><td>Stratasys</td><td>RGD810&nbsp;</td><td>przezroczysty polimer do drukowania komórki przepływowej</td></tr><tr><td>Tangoblack-plus</td><td>Stratasys</td><td>FLX980</td><td>miękki gumowy polimer do warstw uszczelek na komorze przepływowej</td></tr></tbody></table>

trójwymiarowo drukowany mikroprzepływowy system przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych/nanofiltracyjnych

Three-Dimensionally Printed Microfluidic Cross-flow System for Ultrafiltration/Nanofiltration Membrane Performance Testing

Minimalizacja i zarządzanie zanieczyszczeniem membran jest ogromnym wyzwaniem w różnych procesach przemysłowych i innych praktykach wykorzystujących technologię membranową. Zrozumienie procesu zanieczyszczenia może prowadzić do optymalizacji i wyższej wydajności filtracji membranowej. Tutaj pokazujemy projekt i produkcję zautomatyzowanego, drukowanego trójwymiarowo (3D) mikroprzepływowego systemu filtracji krzyżowej, który może testować do 4 membran równolegle. Ogniwa mikroprzepływowe zostały wydrukowane przy użyciu wielomateriałowej technologii fotopolimerowego druku 3D, w której wykorzystano przezroczysty twardy polimer do korpusu komórki mikroprzepływowej i zastosowano cienką warstwę polimeru przypominającą gumę, która zapobiega wyciekom podczas pracy. Przetestowano wydajność membran ultrafiltracyjnych (UF) i nanofiltracyjnych (NF), a zanieczyszczenie membrany można było zaobserwować za pomocą modelowej albuminy surowicy bydlęcej (BSA). Roztwory zasilające zawierające BSA wykazały spadek strumienia membrany. Protokół ten może zostać rozszerzony o pomiar zanieczyszczenia lub biofoulingu wieloma innymi roztworami organicznymi, nieorganicznymi lub mikrobiologicznymi. Konstrukcja mikroprzepływowa jest szczególnie korzystna w przypadku testowania materiałów, które są kosztowne lub dostępne tylko w małych ilościach, na przykład polisacharydów, białek lub lipidów, ze względu na małą powierzchnię badanej membrany. Ten modułowy system można również łatwo rozbudować w celu przeprowadzenia testów membran o wysokiej przepustowości.

Mikrofluidyczne cewki przepływowe zostały zaprojektowane za pomocą programu CAD i wydrukowane przy użyciu wielomateriałowej trójwymiarowej (3-D) drukarki fotopolimerowej. Cewka została zaprojektowana w dwóch częściach, aby umożliwić łatwe wkładanie i wyjmowanie membran z urządzenia (Rysunek 1). Każda część miała grubość 1 cm, została wydrukowana z twardego, przezroczystego polimeru dla zapewnienia integralności strukturalnej, a strony przylegające do membrany zostały pokryte bardzo cienką, 50 µm warstwą ...

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).

Trójwymiarowo drukowany mikroprzepływowy system przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych/nanofiltracyjnych

Minimization and management of membrane fouling is a formidable challenge in diverse industrial processes and other practices that utilize membrane ...

Ogólnym celem tej procedury jest zaprezentowanie projektu i działania wydrukowanej w technologii 3D mikrofluidycznej celi przepływu krzyżowego, służącej do badania wydajności oraz podatności na fouling membran polimerowych. Metoda ta może pomóc badaczom z dziedziny membran w analizie wydajności membran i tendencji do ich zapychania przy użyciu mikrofluidyki w podwyższonych ciśnieniach i ściśle określonych warunkach przepływu, przy minimalnych kosztach. Zalety tego zestawu w małej skali obejmują możliwość przeprowadzania separacji niewielkich ilości materiałów o dużej wartości, przeprowadzania badań membran wymagających kosztownych odczynników oraz równoległego testowania wielu nowych formulacji lub modyfikacji membran.Zacznij od zaprojektowania urządzenia mikroprzepływowego w dwóch osobnych częściach, korzystając z programu do wspomaganego komputerowo projektowania. Aby stworzyć warstwę dolną, użyj narzędzia prostokąta, by narysować prostokąt o wymiarach 40 milimetrów na 60 milimetrów. W jednym z narożników prostokąta użyj narzędzia koła, aby stworzyć okrąg o średnicy 6,2 milimetra.Wycentruj to koło w odległości 10 mm od lewej krawędzi i 10 mm od dolnej krawędzi. Następnie użyj narzędzia wzorca liniowego, aby powielić otwory w obrębie prostokąta z odstępem 20 mm, tak aby w sumie powstało sześć otworów. Na koniec użyj narzędzia zaokrąglenia, aby zaokrąglić prostokąty promieniem 1 mm.Następnie wyciśnij element na 10 milimetrów, korzystając z narzędzia wyciągnij. Na środku górnej powierzchni użyj narzędzia prostokąt, aby utworzyć prostokąt o wymiarach 30 milimetrów na jeden milimetr. Następnie użyj narzędzia wycięcie wyciągnięte, aby wyciąć w powierzchni kanał o głębokości 0,2 milimetra.Następnie za pomocą narzędzia koło narysuj okrąg o średnicy 1 mm na końcu kanału przepływowego. Potem, używając narzędzia linia, wyznacz ścieżkę łączącą okrąg z najbliższą ścianą o wymiarach 40 mm na 10 mm, uwzględniając promień 4 mm wykonany narzędziem zaokrąglenie. Korzystając z narzędzia wycięcie wzdłuż ścieżki, wykonaj wycięcie wzdłuż tej ścieżki.Następnie przejdź do widoku z prawej strony i za pomocą narzędzia okrąg stwórz okrąg o średnicy 3,9 mm w centrum ścieżki przepływu. Następnie użyj narzędzia wycięcie ekstrudowane, aby wykonać wycięcie o głębokości 8 mm, aby zapewnić miejsce na złączki. Powtórz ten sam proces po drugiej stronie prostokątnego kanału, aby stworzyć lustrzane odbicie.Aby zaprojektować górną warstwę mikrofluidycznego systemu testowego, należy najpierw stworzyć prostokąt z sześcioma otworami na śruby o takich samych wymiarach jak warstwa dolna. Następnie w centrum górnej powierzchni należy utworzyć kanał filtracyjny o wymiarach 30 mm x 1 mm x 0,5 mm, wykorzystując narzędzie prostokąta do stworzenia najpierw prostokąta o wymiarach 30 mm x 1 mm, a następnie narzędzie wycięcia ekstrudowanego, aby wyciąć prostokąt na głębokość 0,5 mm w górnej powierzchni.Teraz użyj narzędzia koło, aby narysować okrąg o średnicy 1 mm w centrum kanału permeatu, w odległości 5 mm od jednego z końców kanału. Następnie, podobnie jak poprzednio, użyj narzędzi linia i zaokrąglenie, aby wyznaczyć ścieżkę zawierającą pas o promieniu 4 mm, który połączy okrąg z jedną z powierzchni prostokąta o wymiarach 1 cm na 6 cm. Użyj narzędzia wycięcie wzdłuż ścieżki, aby wyciąć kanał wzdłuż wyznaczonej drogi.Następnie za pomocą narzędzia koło należy utworzyć dodatkowe koło o średnicy 3,9 milimetra, którego środek znajduje się na ścieżce permeatu. Następnie należy użyć narzędzia wyciągnięcie wycięcie, aby wyciąć koło na głębokość ośmiu milimetrów w powierzchni. Na górnych krawędziach części o długości 40 milimetrów, przy użyciu narzędzia prostokąt, należy utworzyć prostokąty o wymiarach 40 milimetrów na pięć milimetrów, dodając promień czterech milimetrów za pomocą narzędzia zaokrąglenie.Użyj narzędzia wypychania (extrude), aby wypchnąć uchwyty na trzy milimetry w dół. Na koniec wydrukuj górną i dolną część za pomocą wielomateriałowej drukarki 3D do fotopolimerów, stosując twardy polimer transparentny. Zgodnie z protokołem producenta, na każdej powierzchni zawierającej kanał nanieś warstwę nadlewkową o grubości 0,05 milimetra z miękkiego, gumowatego polimeru.Na początek należy przygotować układ mikroprzepływowy, w tym pompę, zawory, przetwornik ciśnienia, serwomechanizmy, przepływomierz, regulatory oraz mikrokontroler, zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym. Następnie skonfiguruj system do równoległego pomiaru czterech membran, otwierając wszystkie zawory prowadzące do komór przepływowych. Umieść jedną rurkę wlotową pompy w zbiorniku z wodą ultraczystą, a drugą rurkę wlotową w zbiorniku zawierającym roztwór BSA o stężeniu 0,08 g/L.Za pomocą strzykawki odpowietrz przewody, aby usunąć wszystkie pęcherzyki powietrza z układu. Następnie umieść membrany ultrafiltracyjne na dolnej części komór przepływowych w taki sposób, aby aktywna strona membrany była skierowana w stronę kanałów zasilających. Następnie zamknij komory i przełóż śruby przez otwory w urządzeniu.Wstępnie dokręć nakrętki ręcznie. Następnie, używając klucza, dokręcaj je naprzemiennie wokół urządzenia, aby zapewnić równomierny nacisk na komorę. Nie dokręcaj zbyt mocno żadnej z części, ponieważ niewłaściwe dokręcenie może doprowadzić do wycieku wody.Następnie, za pomocą przełącznika zbiornika, wybierz wodę ultraczystą. Ustaw natężenie przepływu pompy na 8 ml/min, a następnie uruchom pompę. Podczas pracy pompy wyreguluj regulator ciśnienia do wartości 0,4 bar.Monitoruj wartości przepływu membran za pomocą oprogramowania do akwizycji danych i reguluj regulator ciśnienia, aż zostanie osiągnięty średni strumień od 180 do 220 litrów na metr kwadratowy na godzinę. Wymień poszczególną membranę przed rozpoczęciem eksperymentu, jeśli nie jest ona w stanie zbliżyć się do tego zakresu w granicach 20 litrów na metr kwadratowy na godzinę. Po przygotowaniu ustaw przebieg eksperymentalny, wybierając najpierw wodę ultraczystą w zbiorniku pierwszym na 60 minut przy stałym strumieniu od 180 do 220 litrów na metr kwadratowy na godzinę.Następnie wybierz BSA w zbiorniku dwa na kolejne 420 minut, stosując ręczną kontrolę regulatora ciśnienia. W ciągu ostatnich 15 minut eksperymentu wybierz wodę ultraczystą w zbiorniku jeden w celu przepłukania układu. Podczas tego kroku stosuj ręczną kontrolę regulatora ciśnienia.Następnie ustaw przełącznik zbiornika na tryb automatyczny i rozpocznij eksperyment. Po zakończeniu pomiaru wyłącz system i wyjmij membrany z cel przepływowych. Następnie przepłucz rurkę doprowadzającą BSA, przepuszczając przez nią wodę ultrapurą za pomocą strzykawki.Aby zmierzyć wydajność membran nanofiltracyjnych w kontekście ich zapychania, do linii podłączono przepływomierz w celu pomiaru strumienia permeatu podczas przepływu różnych roztworów przez system. Najpierw system równoważono wodą przez 45 minut, a następnie przez 45 minut przepuszczano 10 mM siarczanu magnezu. Następnie system ponownie płukano czystą wodą przez kolejne 45 minut, aż do uzyskania stabilnego strumienia, po czym do systemu wprowadzono 0,8 g/L BSA na 45 minut.Na koniec system przywrócono do czystej wody na ostatnie 45 minut. Spadek strumienia w porównaniu do strumienia membrany kontrolnej w warunkach 10 mM NaCl wskazywał na fouling membrany spowodowany przez BSA. Przedstawiony tutaj wykres obrazuje fouling membran ultrafiltracyjnych.Strumień przez membrany o wielkości 50 kilodalton przedstawiono kolorem niebieskim, a strumień przez membrany o wielkości 30 kilodalton kolorem czerwonym. Choć membrana o wielkości 50 kilodalton wykazała wyższy znormalizowany strumień w momencie zakończenia eksperymentu, różnica ta nie była istotna.Stwierdziliśmy, że wielomateriałowa technologia podstawowa druku 3D metodą fotopolimeryzacji atramentowej była niezbędna do wytworzenia wytrzymałej celi przepływowej z wydrukowaną warstwą uszczelki przypominającej gumę, co miało kluczowe znaczenie dla uszczelnienia celi i zapobiegania wyciekom. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś posiadać gruntowną wiedzę na temat projektowania i obsługi własnej, niestandardowej, wydrukowanej w 3D mikrofluidycznej celi przepływu poprzecznego do zastosowań w membranach ultrafiltracyjnych lub nanofiltracyjnych.

three-dimensionally-printed-microfluidic-cross-flow-system-for

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Prezentujemy protokoły wytwarzania i automatyzacji macierzy mikrozaworów opartych na elastomerowym polidimetylosiloksanie (PDMS), które nie wymagają dodatkowej energii do zamknięcia i charakteryzują się precyzyjnymi objętościami zdefiniowanymi fotolitograficznie. Przedstawiono równoległy mieszalnik o objętości subnanolitrowej oraz zintegrowany mikrofluidyczny system perfuzyjny.

Chip mikrofluidyczny sterowany macierzami elastomerowych mikrozaworów

Urządzenia mikrofluidyczne mogą być wykorzystywane do wizualizacji złożonych procesów naturalnych w czasie rzeczywistym i w odpowiednich skalach fizycznych. Opracowaliśmy proste urządzenie mikrofluidyczne, które naśladuje kluczowe cechy naturalnych ośrodków porowatych, służące do badania wzrostu i transportu bakterii w podłożu gruntowym.

Okno na mikroświat: Proste systemy mikrofluidyczne do badania transportu drobnoustrojów w ośrodkach porowatych

Źródło: Kurz, D. L. i in. Platforma mikrofluidyczna do badania biozatkania w porowatych ośrodkach. J. Vis. Exp. (2022)Film demonstruje użycie urządzenia mikrofluidycznego do badania powstawania biofilmu. Do mikrokanału wprowadzana jest zawiesina bakteryjna, po której następuje inkubacja, umożliwiająca rozwój biofilmu. Następnie wznawia się przepływ, a monitorowanie ciśnienia wraz z obrazowaniem wykorzystuje się do wykrywania powstawania biofilmu i zatkania porów w czasie.

Urządzenie mikrofluidyczne do obrazowania w czasie rzeczywistym i śledzenia ciśnienia podczas tworzenia biofilmu

W tym artykule opisujemy różne techniki dla platform szybkiego prototypowania mikroprzepływów. Proponowane techniki opierają się na epoksydach wrażliwych na promieniowanie ultrafioletowe (UV) i utwardzanych temperaturowo, rurkach na bazie polidimetylosiloksanu (PDMS), łączeniu drutem i anizotropowych foliach adhezyjnych. Przedstawione procedury montażu zostały opracowane zarówno dla urządzeń jednorazowego użytku, jak i systemów mikroprzepływowych wielokrotnego użytku.

Wysokowydajne, mikroprzepływowe, szybkie i tanie metody prototypowania

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Szczegółowo opisujemy metodę wytwarzania trójwymiarowych urządzeń mikroprzepływowych opartych na papierze do wykorzystania w rozwoju testów immunologicznych. Nasze podejście do montażu urządzeń to rodzaj wielowarstwowej, addytywnej produkcji. Demonstrujemy test immunologiczny typu sandwich, aby zapewnić reprezentatywne wyniki dla tego typu urządzeń opartych na papierze.

Wytwarzanie trójwymiarowych urządzeń mikroprzepływowych na bazie papieru do testów immunologicznych

Ten projekt pozwala małym laboratoriom na opracowanie łatwej w użyciu platformy do produkcji precyzyjnych wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych. Platforma składa się z wydrukowanego w trzech wymiarach adaptera do ustawiania maski mikroskopowej, za pomocą którego uzyskano wielowarstwowe urządzenia mikroprzepływowe z błędami wyrównania &lt;10 μm.

Projekt i opracowanie trójwymiarowo drukowanego adaptera do wyrównywania maski mikroskopowej do wytwarzania wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych

W tym protokole, do badania interakcji między komórkami leukocytów w chorobie zapalnej stosuje się biomimetyczne badanie mikropłynów, które może odtworzyć fizjologicznie istotne środowisko mikrokrążenia i odtworzyć całą kaskadę adhezji/migracji leukocytów.

System mikrofizjologiczny do badania interakcji między leukocytami a komórkami śródbłonka podczas stanu zapalnego

Ten protokół opisuje rekonfigurowalną platformę hodowli komórkowych opartą na membranie, która integruje format otwartej studni z możliwościami przepływu płynów. Platforma ta jest kompatybilna ze standardowymi protokołami i umożliwia odwracalne przejścia między trybem hodowli w studni otwartej a mikroprzepływowym, dostosowując się do potrzeb zarówno laboratoriów inżynieryjnych, jak i biologicznych.

Przekształcanie statycznych modeli tkanek barierowych w dynamiczne systemy mikrofizjologiczne

Model podwójnej recyrkulacji ludzkiego łożyska ex vivo może być wykorzystany do zbadania transferu ksenobiotyków i nanocząsteczek przez ludzkie łożysko. W tym protokole wideo opisujemy sprzęt i techniki wymagane do pomyślnego przeprowadzenia perfuzji łożyska.

Oznaczanie szybkości transportu ksenobiotyków i nanomateriałów przez łożysko przy użyciu modelu perfuzji łożyska człowieka ex vivo

Poznaj projektowanie i działanie trójwymiarowo drukowanego mikroprzepływowego systemu przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych i nanofiltracyjnych.

Trójwymiarowo drukowany mikroprzepływowy system przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych/nanofiltracyjnych (Wideo) | JoVE Journal

Trójwymiarowo drukowany mikroprzepływowy system przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych/nanofiltracyjnych

Przeglądaj więcej filmów