バイオミメティックオン

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8178 (2022) この記事を引用

2051 アクセス

3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

メンブレン・オン・チップは、さまざまなハイスループットの環境および水研究において関心が高まっています。膜技術の進歩により、新しい材料と多機能構造が継続的に提供されます。しかし、膜をマイクロ流体デバイスに組み込むことは依然として困難であり、その多用途な利用が制限されている。ここでは、マイクロ光造形 3D プリンティングを介して、追加の組み立てを必要とせずに構造と膜の界面で自己シール属性を有する「魚のエラ」構造を統合したオンチップ膜デバイスを提案および作製します。デモンストレーションとして、金属製のマイクロメッシュとポリマー膜を 3D プリントされたオンチップデバイスに簡単に埋め込んで、廃水濾過の防汚機能や詰まり防止機能を実現することもできます。ろ過プロセス中の構造-流体-汚染物質の相互作用のその場可視化から明らかなように、提案されたアプローチは魚の摂食メカニズムをうまく採用しており、流体力学的操作を通じて汚染物質の粒子または液滴を「跳ね飛ばす」ことができます。プラスチックの微粒子や乳化した油滴などの 2 つの一般的な廃水処理シナリオでベンチマークした場合、当社の生体模倣濾過デバイスは、高流束濾過に対して市販の膜を備えたデバイスより 2 ～ 3 倍長い耐久性を示します。この提案された膜上 3D プリンティングのアプローチは、マイクロ流体工学と膜科学の分野をエレガントに橋渡しし、エネルギー、センシング、分析化学、生物医工学における他の多くのアプリケーションに役立ちます。

膜濾過と分離は、生物医学、水、環境の用途で広く利用されています1、2、3、4、5、6。広範な浄水および廃水ろ過プロセスでは、精製水は膜を透過しますが、プラスチックの微粒子、油滴、溶質などの汚染物質は膜によって除去されます。膜ろ過の利点 (つまり、高品質の透過水、少ないスペース使用量、容易な自動化と制御) がよく知られているにもかかわらず、膜の汚れや目詰まりが依然として効果的な水ろ過における大きなボトルネックとなっています7、8、9、10。濾過膜による物質輸送制御のマイクロ流体デバイスへの統合は、防汚/詰まり防止ソリューションのハイスループット開発において大幅な成長を示しています11、12、13、14、15。

現在、汚れ防止/目詰まり防止戦略は、主に新しい膜材料の開発 16,17 と膜表面の改質 9,18,19,20 に焦点を当てています。膜表面の化学的性質と湿潤性は、表面と汚れの相互作用と汚れの傾向に大きく影響します。汚れの付着を軽減するには、超疎水性と水中での疎油性を備えた膜表面が望まれます 17,21,22。集中的な研究努力により、金属酸化物 9 や光触媒材料 23,24 の表面コーティングによって、膜が有機汚損の忌避と劣化に対して優れた防汚能力を発揮できることが実証されました。このような化学的アプローチは、実装が容易でフラックス回収率（FRR）が高いため広く普及しています（図1aを参照）。しかし、コーティングの接着/劣化の問題に加えて、化学廃棄物の処理に関して環境上の懸念が生じることがよくあります。代替手段として、化学物質を使用しない防汚/詰まり防止戦略が非常に魅力的になります。膜表面にトポロジカル構造を作成する表面パターン化により、局所的な流体力学と、対応する汚染物質と表面の相互作用を操作できます25、26、27、28、29、30。適切に設計された表面構造により、膜表面付近の流れ場を制御して、汚染物質、特にマイクロサイズの汚染物質粒子または液滴の堆積および蓄積を抑制することができる。これらの膜構造は、生産水中の油滴 31 や、魚の腸内容分析で見つかった有害なマイクロプラスチックの破片や繊維 32 と同等のサイズを持っています（図 1a を参照）。さらに、局所的な速度場を調整することにより、汚染物質と膜の界面に生じるせん断応力により、汚染物質の分離と除去がさらに可能になります 28,33。

膜上の 3D プリンティングによって実現された、生物由来の防汚膜濾過装置。 (a) 廃水処理用の膜ろ過。既存の防汚/詰まり防止戦略のフラックス回収率 (FRR) は、表面化学修飾、ナノ構造化、マイクロパターニングなど、報告された文献から要約されています (サポート情報の表 S1 も参照)。生産水中の油滴のサイズ、海洋環境で見つかるマイクロプラスチック、魚の腸の内容分析からの食物粒子のサイズ。 (b) 流体力学的操作によって水から食物粒子をろ過する魚の図と、えらかき構造を備えた魚の口の光学画像。 (c) 膜への 3D プリンティングによって実現された、魚を模倣した防汚膜濾過装置。鰓状構造は、マイクロ光造形 3D プリンティングシステムを使用して、防汚濾過のために膜表面に直接印刷されます。

膜表面のパターニングでは、構造の幾何学形状が鍵となります。溝やピラミッドなどのさまざまな表面構造により、特定の防汚特性が実証されています 27,33。さらに、進化後の水生生物は、魚の鱗やえらかき、海綿格子やミリメートルから数ナノメートルの範囲の寸法の隆起など、最適に近い構造を持つ表面を成長させる原理を利用してきました。特に、プランクトンやその他の食物粒子を水からろ過する魚の給餌プロセス（図1bを参照）は、膜の汚れを軽減するための多くの実験室の試みに影響を与えてきました34、35、36、37。多くの場合、これらの生物学的構造は顕著な複雑さを示し、それらの複製は、新興の 3D プリンティング技術の助けを借りて実現可能になりつつあります 38。マイクロ光造形 (μ-SL) 3D プリンティングの最近の進歩により、2 μm 程度の微細な形状サイズの複雑な構造を製造できるようになりました 39。しかし、マイクロ/ミリメートルの表面構造とナノメートルの細孔の膜を 1 つに統合するのは依然として困難です。ステップ40、41、42。フィーチャーサイズの大きな違いと印刷解像度の制限により、ナノ多孔質膜は個別に製造する必要があります。追加の組み立てが常に必要ですが、3D プリントされた大量の個別の構造要素 (つまり、スパイク、えらかき) をメンブレンシートで組み立てることはまったく不可能です。膜への直接印刷は、膜と複雑な表面構造をオールインワンデバイスとして効率的に統合する上で大きな可能性を約束します。私たちの知る限り、このようなアセンブリフリーの付加デバイス製造アプローチは、濾過目的ではまだ報告されていません。

この研究では、膜上にマイクロ 3D プリンティングを行う新しいアプローチを提案します。その独特の利点は、魚のえら状の構造を多孔質膜に直接印刷して、汚れ防止/目詰まり濾過のための魚の給餌メカニズムを模倣することによって実証されています（図1cを参照）。製造されたままのデバイスの防汚/目詰まり性能は、油水処理における最も困難な問題の 1 つであるプラスチック微粒子と界面活性剤で安定化されたエマルションを含む廃水の濾過によって評価されます。提案されている膜上に印刷するアプローチでは、金属製のマイクロメッシュと高分子膜を組み込んでハイブリッド材料の濾過装置を作成します。製造されたままのマイクロ流体濾過デバイスの防汚/目詰まりメカニズムについての深い洞察を求めるために、現場の流れの可視化が実行されます。

実験室実験では、10 mL のコーン油 (Afia、現地市場) と 1 g のドデシル硫酸ナトリウム (SDS、Sigma Aldrich) を 100 mL 水に加えて水中油型エマルションを調製します。溶液を１０００ｒｐｍの速度で１時間撹拌する。マイクロプラスチック懸濁液の場合、市販のポリエチレン微小球 (Cospheric、1.10 g/cc 10 ～ 90 μm) 2 g を 100 mL の水と混合します。サスペンションの均一性を高めるためにSDSも添加されています。混合後、懸濁液を 8 時間撹拌し、プラスチック微小球をさらに小さな不規則な形の粒子に砕きます。すべての材料はさらに精製することなく使用されます。

3D構造の濾過膜を作成するために私たちが提案した膜上印刷技術を図S1に示します。 μ-SL 印刷システム (BMF、S130) は、層ごとの光重合によって 3D 構造を製造するために使用されます 43,44。ステップ 1 では、メンブレン (Whatman、Nytran N、約 200 nm) を印刷インク (BMF、S130 HDDA ベースのインク) に 1 時間浸し、すべての細孔をインクで満たします。次に、ステップ 2 に示すように、インクが浸透したメンブレンを印刷ステージまたは事前に印刷した層上に置きます。実験では、メンブレンの厚さは約 140 μm です。したがって、膜が埋め込まれた層を印刷するときも、液体ギャップを同じ距離に保ちます。 μ-SL 3D 印刷システムの固有の層ごとの印刷プロセスにより、新しく印刷された層が埋め込まれた膜で形成されます。この膜埋め込み層の印刷時間は、インクが細孔内と膜の下の両方で十分に硬化できるように、膜材料の厚さと空隙率に応じて適度に延長されることに注意してください。

魚を模倣した膜は、膜表面に鰓かき状の構造を直接 3D プリントすることで作製されます。印刷では、メンブレン (Whatman、Nytran N、約 200 nm) を基板として使用しました。 3D 鰓掻きモデルからスライスされた画像のスタックを順次投影することにより、重なっている表面構造が膜に印刷されます。ここで、我々はまた、魚を模倣した膜をマイクロ流体濾過装置として設計した。この装置は、魚のえら状の構造、入口と出口の開口部、多孔質膜が埋め込まれた支持フレームなど、すべての機能コンポーネントを統合しています。同じ印刷手順で、オールインワンのマイクロ流体濾過デバイスを作成できます。図2aの走査電子顕微鏡（SEM）画像は、マイクロ流体濾過デバイスの膜表面上の鰓掻き形状の構造の模倣に成功したことを示しています。断面図を図S2aに示します。

自己密閉インターフェースを備えた 3D プリントされたオンチップ膜濾過デバイス。 (a) 3D プリントされた魚を模倣したメンブレンフィルターの概略図と SEM 画像。膜は印刷基板として埋め込まれており、魚のえら構造と支持フレームがその上に直接印刷されます。 (b) 3D プリント構造と膜の間の自己シールされた界面領域。膜に直接印刷する場合、光重合および架橋プロセスが概略図に示され、SEM 画像は印刷された構造と膜の界面領域を示します (ダッシュボックスで強調表示)。メンブレンの細孔内で固化した印刷樹脂がメンブレン上の印刷構造を強力に結合し、自発的にセルフシール特性を実現します。 (c) ハイスループット濾過性能評価用のマイクロ流体プラットフォームの概略図。製造直後のデバイスの光学画像も提供されます。マイクロ流体チップのサイズは幅 7 mm、長さ 19 mm です。

魚を模倣した膜の作製に成功したことは、膜に限定されない既存の材料と新たに印刷された構造（つまり、支持フレームまたは鰓構造）を統合するマイクロ 3D プリンティングの優れた能力を実証しました。さらに重要なことは、光硬化プロセス中にポリマー鎖が膜の細孔内で架橋されるため、直接印刷された構造は膜との優れた結合を示します。これは、図2bのSEMによる断面図から証明されており、3Dプリンティング後の多孔質膜の内部形態を示しています。印刷された構造の下の膜の細孔は固化した樹脂で完全に満たされていますが、構造と膜の界面領域には空隙は観察されません（図2bの強調表示されたダッシュボックスを参照）。言い換えれば、メンブレンへの直接 3D プリンティングは、余分な組み立てを行わずに、メンブレン上に印刷されたままの構造の強力な接着と自己シール特性を実現できます。

製造されたままの濾過デバイスは、デスクトップ濾過プラットフォームで直接使用できます（図S3を参照）。チューブ接続後の印刷されたままのマイクロ流体濾過デバイスの光学画像を図2cに示します。クロスフロー濾過プロセスの動作条件は、入口での注入圧力と出口での背圧によって制御でき、透過水流束は流量センサーで監視されます。フラックスの低下から、三次元構造膜の耐汚れ・目詰まり性能を評価できます。このような「プリントアンドプレイ」マイクロ流体濾過デバイスにより、新しい機能性膜の迅速かつ高スループットな開発が可能になります。

製造したままの膜の濾過ベンチマークとして、最も困難な廃水処理問題の 2 つである界面活性剤で安定化したエマルジョンとプラスチック微粒子を選択しました。実験室実験のために、水中油型エマルジョンとプラスチック微粒子を水性懸濁液として準備しました (材料を参照)。それらの形態と粒子/液滴のサイズ分布を図3aに示します。製造されたままのデバイスの防汚/詰まり性能は、透過水束の耐久性によって評価されました。比較のために、参照として表面構造のない裸の膜もテストしました。濾過中、入口圧力と出口圧力の値はそれぞれ 80 mbar と 40 mbar に維持されます。予想どおり、プラスチック微粒子を濾過すると、両方の膜の正規化された透過流束が徐々に減少します（図3b）。裸の膜を使用すると、透過水流束は 10 分間の操作以内に初期流束の 40% まで大幅に低下します。驚くべきことに、魚の鰓構造膜は本来の性能の 80% もの高い性能を維持することができます。長い濾過期間で高い透過流束を維持できることは、防汚/目詰まり濾過の膜への粒子の堆積を軽減する表面構造の有効性を示しています。プラスチック微粒子のサイズは 10 ～ 90 μm の範囲であり、隣接する 2 つの鰓要素間の隙間よりもはるかに小さいことに注意してください。さらに小さな乳化油滴（大部分が約 20 μm）を含む油性廃水を使用することにより、魚を模倣したフィルターは、裸の膜を使用するよりも優れた耐久性を示します（図 3b、黒丸を参照）。この発見は、えら構造の機能が単純なふるい分けよりも複雑であることを示しています。実際、それはまさに魚のえら構造を膜に印刷するという私たちの本来の目的であり、水生動物がプランクトンやその他の食物粒子を水からろ過する水力学的メカニズムを模倣しています36。汚れ防止に対する流体力学の役割は、濾過の耐久性に対する主流速度の影響からも証明されています。実験では、射出圧力をそれぞれ 80 mbar から 100 mbar、120 mbar に変更することで主流速度を増加させました。正規化された透過流束の値は、図3cに白丸でプロットされています。より公平な比較を行うために、透過水流束をプロットするときに、X 軸として濾過時間ではなく累積透過水を使用しました。蓄積された透過水が 200 µL/mm2 に達すると、裸の膜はほぼゼロの透過水流束で完全にブロックされますが、魚を模倣した膜は初期流束の 38% を維持できます。主流速度をさらに増加させることにより、透過流束の低下がさらに緩和され、80% もの高い透過流束が維持されます。主流速度の増加により、透過水束の耐久性が大幅に延長されます。

界面活性剤で安定化されたエマルションとプラスチック微粒子/水の混合物の 2 つの濾過ベンチマークケースによる防汚性能の評価。 (a) マイクロプラスチック粒子 (左) と乳化油滴 (右) を含む廃水の粒子/液滴サイズ分布と挿入光学画像。 (b,c) マイクロプラスチック粒子やエマルションを濾過する際の濾過耐久性。裸の膜を使用した場合 (黒い曲線) と比較すると、魚を模倣したフィルターを使用すると、透過水流束の減衰が大幅に軽減されます (赤い曲線)。主流流速を速くすることで、(c)のように耐久性がさらに向上します。

魚の鰓構造膜の驚異的な防汚/目詰まり性能は、濾過プロセス中の汚れ液滴/粒子の独特な流動挙動に由来します。実際、その場でのフローイメージングが可能になることは、私たちが提案するマイクロ流体膜デバイスのもう1つの利点です。図4aは、えら状の構造の上を通過する際の油滴とプラスチック微粒子の流れの軌跡を光学顕微鏡で観察したものです。図 4a の最初の行の油滴を例に挙げます。この図は、0.02 秒ごとに撮影された 16 枚の連続画像を組み合わせたものです。その軌道から、液滴が鰓要素に近づくにつれて、浸透流によって隙間に同伴されることがわかります (t = 0.02 ～ 0.08 秒の「青い円」を参照)。しかし、液滴は渦のために突然ギャップからそらされ（赤丸で強調表示、t = 0.10 秒）、次の鰓要素の前縁に遭遇し、そこで液滴は跳ね返りギャップから離れてメインに戻ります。ストリーム (t = 0.10 ～ 0.12 秒)。このプロセスは次の鰓要素 (t = 0.14 ～ 0.24 秒) で繰り返され、液滴が透過物から排除されます。このようにして、液滴のサイズが 2 つの隣接する鰓要素間の隙間よりもはるかに小さい場合でも、液滴は隙間には入らず、主流に留まります。プラスチック微粒子の同様の軌跡は、図4aの2番目の行でも観察できます。

膜表面の魚の鰓を模倣した構造によって引き起こされる跳弾効果。 (a) 膜表面の魚のエラ状構造の上を流れるときの油滴 (上) とプラスチック微粒子 (下) の軌跡を示す光学スナップショット。 (b) 主流内の液滴の概略図 (左) と、流れ場の流線 (黒い曲線) と圧力分布 (高い値から低い値を示す虹色) を示す数値シミュレーション結果 (右)。曲線は、液滴に作用する揚力 Fy + に対する液滴サイズとレイノルズ数の影響を示しています。 (c) 流れのパターン、力、および油滴の付着確率に対する鰓の形状の影響。

数値流体力学 (CFD) モデリングを通じて、鰓構造を通過する際に液滴/粒子にかかる力をさらに分析しました。鰓構造付近の流れパターンは、COMSOL Multiphysics を使用して最初に取得されます (方法と図 S4 を参照)。図4bに示すように、鰓構造の前端近くに高圧領域が点在しています。流線は主流の鉛直方向の速度も示します。粒子がそのような流れの中に位置するとき、力は主に抗力、サフマン揚力、圧力勾配によるものです。流れの下での変形を無視して、粒子または液滴が剛球であると仮定します。 COMSOL モデリングから、位置 D + にある粒子にかかる力を計算することもできます。図4bにプロットされているように、Fyは垂直方向の力の値であり、D + は鰓先端の前方の距離です。液滴サイズが Fy の値に大きく影響することがわかります。図4bにプロットされているように、液滴が大きくなるほど、力も大きくなります。 Re数が増加するとFyも増加します。さらに重要なことは、正の Fy との距離も大きくなることです。これは、流れ内の粒子が高い Re の下で上方に推進される可能性が大きくなることを意味します。鰓の形状が垂直力に及ぼす影響をさらに調査しました。固定された尾部で鰓先端を回転させると、さまざまな形状が得られます（図4cの図を参照）。鰓先端と尾のなす角度をαとする。流線からわかるように、同じ Re = 1.52 であっても、隣接する 2 つの鰓の間の流れパターンが完全に変化する形状となっています。 α = 220°の場合、鰓構造の背後で強い流れの剥離が発生し、大きな捕捉渦が発生します。図 4c では、さまざまな形状角度で先端の前後の垂直力をプロットしました。 αが大きいと鰓先端前方の揚力 Fy+ が増加し、鰓先端後方の Fy- も増加します。粒子/液滴の流れ挙動に対する Fy + および Fy- の全体的な影響は、15 個の繰り返し構造要素を含む計算領域内の堆積確率によって評価されます。 α の値を増加すると、堆積確率は最初に減少し、α = 220° で最小値に達し、その後再び増加します。異なる α の流線から、同じ Re = 1.52 の下でも、隣接する 2 つの鰓間でまったく異なる流れパターンが観察されます。 α = 220°の場合、鰓構造の背後で強い流れの剥離が発生し、大きな捕捉渦が発生します。シミュレーション結果は、主流の増加に伴う堆積確率の全体的な傾向も示しており、これは図2の実験観察および図4bの力解析とよく一致しています。主流のレイノルズ数が10を超えると、堆積確率は0に近くなります。

跳弾効果は主に魚のえらの先端によってもたらされることに着目し、えらを円形にさらに単純化しました。実際、円形の構造はスケーラブルなメッシュの断面を表しています (図 5a を参照)。円形と鰓の形状によって引き起こされる垂直方向の力の比較を図 5a に示します。予想通り、円構造の先にあるFy+力はあまり変化しません。 Fy-はかなりの増加を示しますが、ワイヤ間の間隔、つまりメッシュ細孔サイズを変更することによってさらに制御できます。フローイメージングの結果から、単純化された円形の上に液滴の跳ね返りが依然として観察できます。このようなメッシュで覆われた多層ハイブリッドフィルターの防汚/目詰まり性能を実験的に評価するために、提案された膜上印刷アプローチを使用してマイクロ流体濾過デバイスも作製しました。製造プロセスは魚を模倣したデバイスと同様です。印刷層に膜を埋め込んだ直後に、次の層の 3D 印刷のために市販の銅メッシュが挿入されます。メッシュとメンブレン間の垂直距離は、印刷層の厚さとその間の層数によって正確に制御できます。このデバイスでは、厚さ 62 μm、平均孔径 34 μm、気孔率約 62.6% の銅メッシュを使用しました (図 5a の SEM 画像を参照)。メッシュで覆われた多層マイクロ流体デバイスの断面図を示すSEM画像を図S2b、cに示します。多層ハイブリッドデバイスの製造に成功したことで、金属メッシュをオールインワンデバイスに統合しながら膜上に新しい構造を付加的に製造するマイクロ3Dプリンティングの優れた能力が実証されました。材料と形状の両方において多種多様なスケーラブルなメッシュに簡単にアクセスできるため、多くの大規模な産業実装が促進されることが期待されます。

スケーラブルな多層ハイブリッドろ過装置とバックフラッシュ洗浄によるフラックス回収性能。 (a) メッシュで覆われた多層ハイブリッドフィルター。サブ図は、それぞれ、SEM画像からのメッシュ表面形態、光学画像からのデバイスの外観（図S2b、cのデバイスの断面図も参照）、シミュレーション結果からの力分析、およびフローイメージングからの液滴の跳弾挙動です。 (b) 多層ハイブリッドフィルターの各バックフラッシュサイクル後の透過流束の変化。 (c) 3 つの異なるメンブレンフィルター間の正規化された流束の比較。

製造されたままのメンブレンフィルターは、実用化に向けてバックフラッシュ洗浄によって検査されます。我々は、界面活性剤で安定化したエマルションを分離し、その後バックフラッシュする際の膜の汚れを特徴付けました。実証として、多層ハイブリッドフィルターの透過流束の時間依存性の低下を図5bにプロットします。未使用の膜 J0 の初期透過流束は約 80 μL/分です。 20 µL/min を下回ると、メンブレンを洗浄するためにバックフラッシュが適用されます。ラボ実験ではバックフラッシュのためにきれいな水が使用されます (完全なプロセスについては、SI の図 S5 を参照してください)。プロットでは、各サイクルの初期透過流束が Ji としてマークされ、次に、前述のさまざまな膜構成間で正規化された初期透過流束 Ji/J0 を比較しました。図 5c に見られるように、すべての構成で濾過サイクルの増加に伴って正規化流束が減少し、水圧不可逆の汚れが膜表面に徐々に蓄積したことを示しています 45,46。膜表面に油滴が堆積すると、高圧や透過フラックスにより油滴が変形し、膜の細孔を閉塞したり、細孔に侵入して除去不能なファウリングを引き起こします。油滴の半径が大きいほど、変形の傾向が強くなると予想されます（膜表面の油滴の変形については図S6を参照）。図5a、cの実験結果から、裸の膜と比較して、表面パターン化された膜では透過水流束の顕著な回復が認められました。特に、マルチプレーヤーハイブリッドフィルターの FRR は、逆洗の 1 サイクル後にほぼ 98% となり、8 サイクル後でも 83% を維持しています。 3D プリントされた構造とマイクロメッシュは大きな液滴/粒子を跳ね返すことができるため、膜の汚染を首尾よく回避できます。 SI の図 S7 の SEM 画像は、濾過後の膜の表面形態を示しています。裸のメンブレンを使用すると細孔の閉塞が観察されますが、ハイブリッド多層フィルターでは、メンブレンは形態がはっきりと見えるきれいな表面を維持できます。この結果より、3D構造メンブレンフィルターの優れた防汚性能が確認されました。 FRRは、防汚目的で表面化学修飾が集中的に適用されている文献（図1a）で報告されている値と非常に匹敵するか、それよりも高いことは言及する価値があります。

この研究では、持続可能な化学物質を含まない水処理のための新しい種類の 3D 構造膜フィルターを提示し、実証しました。水生生物からインスピレーションを得て、魚を模倣した構造、金属マイクロメッシュ、ポリマー膜を 3D プリントされた単一の機能的濾過デバイス内に統合することができます。乳化油滴やプラスチック微粒子の高流束ろ過により、優れた防汚・目詰まり性能が実証されました。洞察力に富んだ「跳弾」防汚機構も、マイクロ流体フィルターを使用した現場の流れ観察を通じて明らかになりました。このようにして、有害な化学コーティングによる表面化学修飾の代わりに、マイクロ 3D プリント構造と流体力学操作によって汚れを軽減することに成功しました。私たちは、このアプローチが、差し迫った環境問題の下で、環境に優しい水処理に対する新たな代替ソリューションを提供すると確信しています。

さらに、膜への印刷の多用途性と独自の利点、さらには水処理用途を超えた潜在的な可能性も強調したいと考えています。膜上 3D プリンティングは、優れた設計と製造の柔軟性を備えています。ホモ構造またはヘテロ構造、連続構造および/または不連続構造、開放構造および/または閉鎖構造、単一材料または複数材料、スタンドアロンまたは異種集積、単一の構造にすることができます。 - または多層。膜の選択肢には、金属メッシュからナノ多孔質ポリマー膜まで、さまざまな材料やさまざまな形態が含まれます。膜上に 3D 構造を印刷することで、印刷インクとその複合材料の選択肢が増えることを利用して、望ましい特性 (つまり、弾性、剛性、湿潤性) を備えた 3D 機能構造を構築することもできます。このようにして、膜自体と合わせて、単一の組み立て不要のデバイス内で多機能性と不均一な物理化学的特性を実現することができます。

膜上印刷の潜在的な応用分野も同様に広大です。最も重要な分野の 1 つとして、マイクロ流体工学における膜の使用は関心が高まっているトピックとなっています。従来のマイクロ流体チップ製造では、膜を組み立てる際の漏れが大きな問題となっていました。当社のメンブレン上 3D プリンティングは、セルフシール機能によりこの重大な問題を克服するエレガントな方法を提供します。チップフレームは光硬化性樹脂で印刷され、メンブレンと自然に接着されます。この「プリントアンドプレイ」メンブレンデバイスの利点には、この研究で実証されているように、メンブレン統合の容易さ、チップ設計の柔軟性、物質輸送の制御/分析も含まれます。マイクロ流体膜デバイスは、膨大な種類の材料、形態、設計オプションと統合されているため、他の新たなエネルギー、化学、生物工学、および医療用途に容易に合わせることができます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、UAE アブダビの先端技術研究評議会のもとで ASPIRE のアブダビ研究優秀賞 2019 (#AARE19-185) によって支援され、一部は Sandooq Al Wasan 応用研究開発助成金 (プロジェクト番号 SWARD-S19-003) によって支援されました。）。

カリファ科学技術大学マスダール研究所機械工学部、私書箱 127788、アブダビ、アラブ首長国連邦

ホンシア・リー、アイキファ・ラザ、ティエジュン・チャン

四川大学化学工学部、成都、610065、中国

ユアン・シャオジュン

化学工学部、マスダール研究所、ハリファ科学技術大学、私書箱 127788、アブダビ、アラブ首長国連邦

ファイサル・アル＝マルズーキ

マサチューセッツ工科大学機械工学部、77 Massachusetts Avenue、Cambridge、MA、02139、USA

ニコラス・X・ファング

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HL は実験とシミュレーションを実行し、原稿を作成しました。 AR、SY、FA、NXF が議論/分析に貢献し、原稿を編集しました。 TJZ はリソースを確保し、原稿の改善以外にも作業全体を監督しました。すべての著者はこの原稿を読んで承認しました。

Tie Jun Zhang への通信。

この研究における膜上マイクロ 3D プリンティング技術は、米国特許商標庁に出願されています。著者は、競合する利益を持たないことを宣言します。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Li、H.、Raza、A.、Yuan、S. 他。メンブレンへの直接マイクロ 3D プリンティングにより、生体模倣オンチップろ過が可能になります。 Sci Rep 12、8178 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-11738-z

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受信日: 2022 年 2 月 24 日

受理日: 2022 年 4 月 25 日

公開日: 2022 年 5 月 17 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11738-z

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