Biomimético en

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 8178 (2022) Citar este artículo

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La membrana en chip es de creciente interés en una amplia variedad de investigaciones ambientales y de agua de alto rendimiento. Los avances en la tecnología de membranas proporcionan continuamente nuevos materiales y estructuras multifuncionales. Sin embargo, la incorporación de membranas en dispositivos de microfluidos sigue siendo un desafío, lo que limita su uso versátil. En este documento, a través de la impresión 3D de microestereolitografía, proponemos y fabricamos un dispositivo de membrana en chip integrado en la estructura de "branquias de pez", que tiene el atributo de autosellado en la interfaz estructura-membrana sin ensamblaje adicional. Como demostración, la micromalla metálica y la membrana polimérica también se pueden incrustar fácilmente en un dispositivo de chip impreso en 3D para lograr la funcionalidad antiincrustante y antiobstrucción para la filtración de aguas residuales. Como se evidencia a partir de la visualización in situ de las interacciones estructura-líquido-incrustante durante el proceso de filtración, el enfoque propuesto adopta con éxito el mecanismo de alimentación de los peces, pudiendo "rebotar" partículas o gotas de incrustantes a través de la manipulación hidrodinámica. Cuando se comparan con dos escenarios comunes de tratamiento de aguas residuales, como micropartículas de plástico y gotas de aceite emulsionado, nuestros dispositivos de filtración biomimética muestran una durabilidad de 2 a 3 veces mayor para la filtración de alto flujo que los dispositivos con membrana comercial. Este enfoque propuesto de impresión 3D sobre membrana, que une elegantemente los campos de la microfluídica y la ciencia de membranas, es fundamental para muchas otras aplicaciones en energía, detección, química analítica e ingeniería biomédica.

La filtración y separación por membrana se ha utilizado ampliamente en aplicaciones biomédicas, de agua y medioambientales1,2,3,4,5,6. En el amplio proceso de purificación de agua y filtración de aguas residuales, el agua purificada penetra a través de la membrana, mientras que la membrana rechaza los contaminantes como micropartículas de plástico, gotas de aceite y solutos. A pesar de las reconocidas ventajas de la filtración por membrana (es decir, permeados de alta calidad, poco uso de espacio, fácil automatización y control), el ensuciamiento y la obstrucción de la membrana siguen siendo un cuello de botella importante en la filtración eficaz del agua7,8,9,10. La integración del control de transporte masivo por medio de membranas de filtración en dispositivos de microfluidos ha mostrado un crecimiento sustancial para el desarrollo de alto rendimiento de soluciones antiincrustantes/obstrucción11,12,13,14,15.

Actualmente, las estrategias antiincrustantes/obstrucciones se centran principalmente en el desarrollo de nuevos materiales de membrana16,17 y la modificación de la superficie de la membrana9,18,19,20. La química de la superficie de la membrana y la humectabilidad afectan en gran medida la interacción superficie-incrustante y la tendencia al ensuciamiento: se desea una superficie de membrana con superhidrofobicidad y oleofobicidad bajo el agua para mitigar la adhesión del incrustante17,21,22. Los intensos esfuerzos de investigación han demostrado que el recubrimiento superficial de óxido de metal9 e incluso materiales fotocatalíticos23,24 pueden hacer que la membrana muestre una capacidad antiincrustante superior frente a la repelencia y degradación de incrustaciones orgánicas. Dichos enfoques químicos se han generalizado por su fácil implementación y su alta relación de recuperación de flujo (FRR) (consulte la Fig. 1a); sin embargo, además de los problemas de adhesión/degradación del recubrimiento, a menudo surgen preocupaciones ambientales con la eliminación de desechos químicos. Como alternativa, la estrategia antiincrustante/obstrucción libre de químicos se vuelve muy atractiva. Los patrones de superficie, que crean estructuras topológicas en las superficies de las membranas, pueden manipular la hidrodinámica local y la correspondiente interacción entre la superficie y el ensuciamiento25,26,27,28,29,30. Con estructuras de superficie diseñadas adecuadamente, el campo de flujo cerca de la superficie de la membrana se puede controlar para inhibir la deposición y acumulación de ensuciantes, en particular partículas o gotitas de ensuciamiento de tamaño micro. Estas estructuras de membrana tienen un tamaño comparable con las gotas de aceite en el agua producida31 y los fragmentos o fibras de microplásticos dañinos que se encuentran en el análisis del contenido de las tripas de pescado32 (ver Fig. 1a). Además, al regular el campo de velocidad local, el esfuerzo cortante inducido en la interfaz membrana-incrustante puede permitir aún más el desprendimiento y la eliminación de los incrustantes28,33.

Dispositivo de filtración de membrana antiincrustante bioinspirado habilitado por impresión 3D en la membrana. (a) Filtración por membrana para el tratamiento de aguas residuales. La relación de recuperación de flujo (FRR) para las estrategias antiincrustantes/obstrucción existentes se resumen a partir de publicaciones informadas (consulte también la Tabla S1 de información de respaldo), incluida la modificación de la química de la superficie, la nanoestructuración y la creación de micropatrones. Los tamaños de las gotas de aceite en el agua producida, los microplásticos que se encuentran en el medio ambiente marino y las partículas de alimentos del análisis del contenido intestinal de los peces. (b) Ilustración de peces que filtran partículas de comida fuera del agua mediante manipulación hidrodinámica y la imagen óptica de la boca de pez con estructuras branquiespinas. (c) Dispositivo de filtración de membrana antiincrustante imitado por peces habilitado por impresión 3D en la membrana. Las estructuras en forma de branquias se imprimen directamente en la superficie de la membrana para la filtración antiincrustante mediante el uso de un sistema de impresión 3D de microestereolitografía.

En el diseño de la superficie de la membrana, la geometría de la estructura es la clave. Diferentes estructuras superficiales como surcos y pirámides han demostrado ciertas propiedades antiincrustantes27,33. Además, las criaturas acuáticas después de la evolución han explotado el principio de superficies en crecimiento con estructuras casi óptimas, como escamas de peces y branquiespinas, redes de esponjas marinas y crestas con dimensiones que van desde milímetros hasta varios nanómetros. En particular, el proceso de alimentación de los peces, que filtra el plancton y otras partículas de alimentos fuera del agua (ver Fig. 1b), ha inspirado muchos intentos de laboratorio para mitigar el ensuciamiento de las membranas34,35,36,37. A menudo, estas estructuras biológicas exhiben una complejidad notable, y replicarlas se está volviendo factible con la ayuda de la emergente técnica de impresión 3D38. Los avances recientes en la impresión 3D de microestereolitografía (µ-SL) han hecho posible la fabricación de estructuras complejas con un tamaño de característica tan pequeño como 2 µm39, sin embargo, aún es un desafío integrar arquitecturas de superficie micro/milimétricas con membranas de poros nanométricos en una sola. paso 40,41,42. Debido a la diferencia significativa en el tamaño de las características y las limitaciones de resolución de impresión, la membrana nanoporosa debe fabricarse por separado. Siempre se requiere un ensamblaje adicional, pero es simplemente imposible ensamblar una gran cantidad de elementos estructurales discretos impresos en 3D (es decir, púas, branquiespinas) con una lámina de membrana. La impresión directa sobre membrana promete un gran potencial para integrar de manera eficiente la membrana y las estructuras superficiales complejas como un dispositivo todo en uno. Hasta donde sabemos, tal enfoque de fabricación de dispositivos aditivos sin ensamblaje aún no se ha informado con fines de filtración.

En este trabajo, proponemos un enfoque novedoso de impresión micro-3D en membrana. Su ventaja única se demuestra mediante la impresión directa de estructuras en forma de branquias de peces en una membrana porosa para imitar el mecanismo de alimentación de los peces para la filtración antiincrustante/obstrucción (ver Fig. 1c). El rendimiento antiincrustante/obstrucción de los dispositivos fabricados se evalúa mediante la filtración de aguas residuales que contienen micropartículas de plástico y emulsión estabilizada con surfactante, uno de los problemas más desafiantes en el tratamiento de aguas aceitosas. Con el enfoque de impresión sobre membrana propuesto, también incorporamos una micromalla metálica con una membrana polimérica para fabricar dispositivos de filtración de materiales híbridos. La visualización de flujo in situ se realiza para buscar una visión profunda del mecanismo antiincrustante/obstrucción de los dispositivos de filtración de microfluidos fabricados.

Para experimentos de laboratorio, la emulsión de aceite en agua se prepara agregando 10 ml de aceite de maíz (Afia, mercado local) y 1 g de dodecilsulfato de sodio (SDS, Sigma Aldrich) en 100 ml de agua. La solución se agita durante 1 hora a una velocidad de 1000 rpm. Para la suspensión de microplásticos, se mezclan 2 g de las microesferas de polietileno disponibles en el mercado (Cospheric, 1,10 g/cc 10–90 µm) con 100 ml de agua. También se agrega SDS para mejorar la uniformidad de la suspensión. Después de mezclar, la suspensión se agita durante 8 h, rompiendo aún más las microesferas de plástico en partículas más pequeñas de forma irregular. Todos los materiales se utilizan sin ninguna purificación adicional.

Nuestra técnica de impresión sobre membrana propuesta para crear una membrana de filtración estructurada en 3D se ilustra en la Fig. S1. Se utiliza un sistema de impresión µ-SL (BMF, S130) para fabricar las estructuras 3D mediante fotopolimerización capa por capa43,44. En el Paso 1, la membrana (Whatman, Nytran N, ~ 200 nm) se sumerge con la tinta de impresión (BMF, S130 HDDA-based Ink) durante 1 h, lo que permite que todos los poros se llenen de tinta. Luego, la membrana saturada de tinta se coloca en la etapa de impresión o en la capa previamente impresa, como se muestra en el Paso 2. En nuestros experimentos, el espesor de la membrana es de alrededor de 140 µm. Por lo tanto, también mantenemos el espacio líquido a la misma distancia cuando imprimimos la capa incrustada en la membrana. Con el proceso de impresión capa por capa intrínseco del sistema de impresión 3D µ-SL, la capa recién impresa se forma con una membrana incrustada. Tenga en cuenta que el tiempo de impresión de esta capa incrustada en la membrana se prolonga razonablemente según el grosor y la porosidad del material de la membrana, para permitir que la tinta se cure lo suficiente tanto dentro de los poros como debajo de la membrana.

La membrana imitada por un pez se fabrica mediante la impresión 3D directa de estructuras en forma de rastrillo branquial en la superficie de la membrana. En la impresión se utilizó como sustrato la membrana (Whatman, Nytran N, ~200 nm). Al proyectar secuencialmente la pila de imágenes cortadas de un modelo 3D de branquiespinas, las estructuras superficiales superpuestas se imprimieron en la membrana. Aquí, también diseñamos la membrana imitada por peces en un dispositivo de filtración de microfluidos. El dispositivo integra todos los componentes funcionales, incluidas las estructuras en forma de branquias de pez, las aberturas de entrada y salida y los marcos de soporte incrustados con una membrana porosa. Con el mismo procedimiento de impresión, podemos crear un dispositivo de filtración de microfluidos todo en uno. La imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) en la Fig. 2a muestra una imitación exitosa de estructuras en forma de rastrillo branquial en la superficie de la membrana en un dispositivo de filtración de microfluidos. Las vistas de la sección transversal se dan en la Fig. S2a.

Dispositivo de filtración de membrana en chip impreso en 3D con interfaces autoselladas. ( a ) Imágenes esquemáticas y SEM del filtro de membrana imitado por peces impreso en 3D. La membrana está incrustada como sustrato de impresión, donde las estructuras branquiales de los peces y los marcos de soporte se imprimen directamente sobre ella. (b) Región interfacial autosellada entre la estructura impresa en 3D y la membrana. Cuando se imprime directamente sobre la membrana, el proceso de fotopolimerización y reticulación se ilustra en el diagrama esquemático, y las imágenes SEM muestran las regiones interfaciales de las estructuras impresas y la membrana (resaltadas en el cuadro de guiones). La resina de impresión solidificada dentro de los poros de la membrana une fuertemente las estructuras impresas sobre la membrana, logrando espontáneamente propiedades de autosellado. ( c ) Esquema de la plataforma de microfluidos para la evaluación del rendimiento de filtración de alto rendimiento. También se proporciona una imagen óptica del dispositivo fabricado. El tamaño del chip microfluídico es de 7 mm de ancho y 19 mm de largo.

La fabricación exitosa de la membrana imitada por un pez demostró la gran capacidad de la microimpresión 3D para integrar materiales existentes, sin limitarse a la membrana, con estructuras recién impresas (es decir, marcos de soporte o estructuras branquiales). Más importante aún, las estructuras impresas directamente tienen una excelente unión con la membrana, porque las cadenas de polímero se entrecruzan en los poros de la membrana durante el proceso de fotocurado. Esto se evidencia en la vista de la sección transversal debajo del SEM en la Fig. 2b, que muestra la morfología interna de la membrana porosa después de la impresión 3D. Los poros de la membrana debajo de la estructura impresa se llenan completamente con resina solidificada, mientras que no se observa ningún espacio vacío en las regiones interfaciales de la estructura y la membrana (consulte los cuadros de guiones resaltados en la Fig. 2b). En otras palabras, la impresión 3D directa en la membrana puede lograr una fuerte unión de las estructuras impresas en la membrana y propiedades de autosellado sin ensamblaje adicional.

El dispositivo de filtración tal como está fabricado se puede usar directamente en una plataforma de filtración de escritorio (consulte la Fig. S3). Las imágenes ópticas de los dispositivos de filtración de microfluidos impresos después de la tubería se muestran en la Fig. 2c. Las condiciones de operación de un proceso de filtración de flujo cruzado pueden controlarse mediante la presión de inyección en la entrada y la contrapresión en la salida, mientras que el flujo de permeado se controla con un sensor de caudal. A partir de la disminución del flujo, podemos evaluar el rendimiento antiincrustante/obstrucción de la membrana estructurada en 3D. Dicho dispositivo de filtración de microfluidos de "imprimir y reproducir" permite un desarrollo rápido y de alto rendimiento de una nueva membrana funcional.

Como punto de referencia de filtración para la membrana tal como está fabricada, elegimos dos de los problemas de tratamiento de aguas residuales más desafiantes: emulsión estabilizada con surfactante y micropartículas de plástico. Para experimentos de laboratorio, hemos preparado emulsión de aceite en agua y micropartículas de plástico como suspensión acuática (ver Materiales). Sus morfologías y distribuciones de tamaño de partícula/gota se dan en la Fig. 3a. El rendimiento antiincrustante/obstrucción de los dispositivos fabricados se evaluó mediante la durabilidad del fundente permeado. A modo de comparación, también probamos la membrana desnuda sin ninguna estructura superficial como referencia. Durante la filtración, los valores de presión de entrada y salida se mantienen en 80 y 40 mbar, respectivamente. Como era de esperar, el flujo de permeado normalizado disminuye gradualmente para ambas membranas al filtrar las micropartículas de plástico (Fig. 3b). Cuando se usa la membrana desnuda, el flujo de permeado disminuye severamente al 40 % de su flujo inicial en 10 minutos de operación. Sorprendentemente, la membrana estructurada de branquias de pescado puede mantener hasta un 80 % de su rendimiento original. Ser capaz de mantener un alto flujo de permeado con un largo período de filtración indica la efectividad de las estructuras superficiales para mitigar la deposición de partículas en la membrana para la filtración antiincrustante/obstrucción. Tenga en cuenta que los tamaños de las micropartículas de plástico oscilan entre 10 y 90 µm, mucho más pequeñas que el espacio entre dos elementos branquiales adyacentes. Mediante el uso de aguas residuales aceitosas, que contienen gotas de aceite emulsionadas aún más pequeñas (la mayoría ~ 20 µm), el filtro imitado por peces también muestra una mayor durabilidad que el uso de la membrana desnuda (consulte la Fig. 3b, los círculos sólidos). Los hallazgos indican que la función de las estructuras branquiales es más compleja que el simple tamizado. De hecho, es exactamente nuestro propósito original imprimir las estructuras branquiales de los peces en la membrana, imitando el mecanismo hidrodinámico de los animales acuáticos que filtran el plancton y otras partículas de alimentos fuera del agua36. El papel de la hidrodinámica en el antiincrustante también se evidencia por la influencia de la velocidad del flujo principal en la durabilidad de la filtración. En los experimentos, aumentamos la velocidad del flujo principal cambiando la presión de inyección de 80 a 100 y 120 mbar, respectivamente. Los valores del flujo de permeado normalizado se representan en la Fig. 3c con círculos vacíos. Para tener una comparación más justa, usamos el permeado acumulado en lugar del tiempo de filtración como el eje x al trazar el flujo de permeado. Cuando el permeado acumulado alcanza los 200 µL/mm2, la membrana desnuda se ha bloqueado por completo con un flujo de permeado cercano a cero, mientras que la membrana imitada por peces es capaz de sostener el 38 % de su flujo inicial. Al aumentar aún más la velocidad del flujo principal, la disminución del flujo de permeado se mitiga aún más, manteniéndose hasta en un 80 %. La durabilidad del fundente de permeado se prolonga significativamente con el aumento de la velocidad del flujo principal.

Evaluación del rendimiento antiincrustante con dos casos de referencia de filtración: emulsión estabilizada con surfactante y mezcla de agua y micropartículas de plástico. (a) La distribución del tamaño de partículas/gotas y la imagen óptica insertada de aguas residuales que contienen partículas microplásticas (izquierda) y gotas de aceite emulsionado (derecha). (b, c) Durabilidad de la filtración al filtrar partículas microplásticas y emulsión. En comparación con el uso de la membrana desnuda (curva negra), la disminución del flujo de permeado se mitiga significativamente con el filtro imitado por peces (curva roja). Al aumentar la velocidad del flujo principal, la durabilidad se prolonga aún más, como se representa en (c).

El extraordinario rendimiento antiincrustante/obstrucción de la membrana estructurada con branquias de pescado se origina en el comportamiento de flujo único de las gotas/partículas incrustantes durante el proceso de filtración. De hecho, permitir una imagen de flujo in situ es otro mérito de nuestros dispositivos de membrana microfluídica propuestos. La figura 4a muestra las trayectorias de flujo de las gotas de aceite y las micropartículas de plástico bajo el microscopio óptico al pasar por encima de las estructuras en forma de branquias. Tome la gota de aceite en la primera fila de la Fig. 4a como ejemplo. Esta cifra es una combinación de 16 imágenes consecutivas capturadas cada 0,02 s. A partir de su trayectoria, encontramos que a medida que la gota se acerca a un elemento branquial, el flujo de permeado la arrastra hacia el espacio (ver t = 0.02 a 0.08 s los "círculos azules"). Sin embargo, la gota se desvía abruptamente del espacio debido a los vórtices (resaltados en un círculo rojo, t = 0,10 s) y se encuentra con el borde de ataque del siguiente elemento branquial, donde la gota rebota lejos del espacio y regresa al principal. corriente (t = 0,10 a 0,12 s). Este proceso se repite en el siguiente elemento branquial (t = 0,14 a 0,24 s) y hace que la gota quede excluida del permeado. De esta manera, aunque el tamaño de la gota es mucho más pequeño que los espacios entre dos elementos branquiales vecinos, no entra en el espacio sino que se retiene en el flujo principal. También se puede observar una trayectoria similar de micropartículas de plástico en la segunda fila de la Fig. 4a.

Efecto rebote inducido por las estructuras imitadas por branquias de pescado en la superficie de la membrana. (a) Instantáneas ópticas que muestran la trayectoria de las gotas de aceite (arriba) y las micropartículas de plástico (abajo) cuando fluyen por encima de las estructuras en forma de branquias de peces en la superficie de la membrana. (b) Esquema de la gota en el flujo principal (izquierda) y resultados de la simulación numérica (derecha) que muestran las líneas de corriente (curvas negras) y la distribución de la presión (color del arco iris que indica valores altos a bajos) en el campo de flujo. Las curvas muestran la influencia del tamaño de la gota y el número de Reynolds en la fuerza de sustentación Fy+ ejercida sobre la gota. ( c ) La influencia de las formas de las branquias en los patrones de flujo, las fuerzas y la probabilidad de deposición de gotas de aceite.

A través del modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD), analizamos más a fondo las fuerzas que ejercen sobre las gotas/partículas al pasar por las estructuras branquiales. El patrón de flujo cerca de la estructura branquial se obtiene en primer lugar utilizando COMSOL Multiphysics (ver Métodos y Fig. S4). Se observa un área de alta presión cerca de la punta frontal de la estructura branquial, como se muestra en la Fig. 4b. La línea de corriente también indica una velocidad vertical del flujo principal. Cuando una partícula se posiciona en un flujo de este tipo, las fuerzas provienen principalmente del arrastre, la elevación de Saffman y el gradiente de presión. Suponemos que la partícula o la gota son una esfera rígida al despreciar la deformación bajo el flujo. A partir del modelado de COMSOL, también podemos calcular la fuerza que ejerce sobre una partícula ubicada en la posición D + . Como se representa en la Fig. 4b, Fy es el valor de la fuerza en dirección vertical y D+ es la distancia por delante de la punta branquial. Se encuentra que el tamaño de gota afecta significativamente el valor de Fy. Como se muestra en la Fig. 4b, cuanto más grande es la gota, mayor es la fuerza. Fy también aumenta con el número de Re. Más importante aún, la distancia con un Fy positivo también aumenta, lo que significa que las partículas en el flujo tendrán una mayor probabilidad de ser impulsadas hacia arriba con un Re alto. Investigamos más a fondo la influencia de la forma de las branquias en la fuerza vertical. Se obtienen diferentes formas girando la punta branquial sobre una cola fija (ver ilustración en la Fig. 4c). El ángulo entre la punta branquial y la cola se define como α. Como se ve desde las líneas de corriente, la forma cambia por completo el patrón de flujo entre dos branquias adyacentes, incluso bajo el mismo Re = 1,52. Cuando α = 220°, se produce una fuerte separación del flujo detrás de la estructura branquial, lo que da como resultado un gran vórtice cautivo. En la Fig. 4c, trazamos las fuerzas verticales antes y detrás de la punta con diferentes ángulos de forma. Con un α grande, la fuerza de sustentación Fy+ delante de la punta branquial aumenta, al igual que la Fy- detrás de la punta. El efecto general de Fy+ y Fy- en el comportamiento del flujo de partículas/gotas se evalúa mediante la probabilidad de deposición dentro de un dominio computacional que contiene 15 elementos estructurales repetidos. Al aumentar el valor de α, la probabilidad de depósito primero disminuye, alcanza su mínimo en α = 220° y luego vuelve a aumentar. A partir de las líneas de corriente para diferentes α, se observan patrones de flujo completamente diferentes entre dos branquias adyacentes incluso bajo el mismo Re = 1,52. Cuando α = 220°, se produce una fuerte separación del flujo detrás de la estructura branquial, lo que da como resultado un gran vórtice cautivo. Los resultados de la simulación también muestran que la tendencia general de la probabilidad de depósito con el aumento del flujo principal está bien alineada con nuestra observación experimental en la Fig. 2 y el análisis de fuerza en la Fig. 4b. Cuando el número de Reynolds del flujo principal excede 10, la probabilidad de depósito se acerca a 0.

Al darnos cuenta de que el efecto rebote lo introduce principalmente la punta de las branquias de los peces, simplificamos aún más las branquias en una forma circular. De hecho, la estructura de forma circular representa la sección transversal de una malla escalable (ver Fig. 5a). La comparación de las fuerzas verticales inducidas por una forma circular y una branquia se proporciona en la Fig. 5a. Como era de esperar, la fuerza Fy+ por delante de la estructura circular no cambia demasiado. Aunque el Fy- muestra un aumento considerable, se puede controlar aún más cambiando el espacio entre los alambres, es decir, el tamaño de los poros de la malla. Todavía se puede observar el rebote de la gota por encima de la forma circular simplificada de los resultados de las imágenes de flujo. Para evaluar experimentalmente el rendimiento antiincrustante/obstrucción de un filtro híbrido multicapa cubierto de malla, también fabricamos un dispositivo de filtración de microfluidos con el enfoque propuesto de impresión en membrana. El proceso de fabricación es similar al del dispositivo que imita a un pez: justo después de incrustar la membrana en la capa impresa, se inserta una malla de cobre disponible comercialmente para la impresión 3D de la siguiente capa. La distancia vertical entre la malla y la membrana se puede controlar con precisión mediante el grosor de la capa impresa y el número de capas intermedias. En este dispositivo, usamos una malla de cobre con un espesor de 62 µm, un tamaño de poro promedio de 34 µm y una porosidad de alrededor del 62,6% (ver la imagen SEM en la Fig. 5a). Las imágenes SEM que muestran la vista de la sección transversal del dispositivo microfluídico multicapa cubierto de malla se muestran en la Fig. S2b,c. La fabricación exitosa de dispositivos híbridos multicapa demostró la gran capacidad de la microimpresión 3D en la fabricación aditiva de nuevas estructuras en la membrana mientras se integra la malla metálica en un dispositivo todo en uno. El fácil acceso a mallas escalables con gran variedad tanto en material como en geometría promete promover muchas implementaciones industriales a gran escala.

Dispositivo de filtración híbrido multicapa escalable y rendimiento de recuperación de flujo con limpieza de retrolavado. (a) Filtro híbrido multicapa cubierto de malla. Las subfiguras son la morfología de la superficie de la malla a partir de imágenes SEM, la perspectiva del dispositivo a partir de imágenes ópticas (consulte también la vista transversal del dispositivo en la Fig. S2b,c), el análisis de fuerza a partir de los resultados de la simulación y el comportamiento de rebote de la gota a partir de imágenes de flujo, respectivamente. (b) Cambio de flujo de permeado después de cada ciclo de retrolavado del filtro híbrido multicapa. ( c ) Comparación del flujo normalizado entre tres filtros de membrana diferentes.

Los filtros de membrana fabricados se examinan con limpieza retroactiva para aplicaciones prácticas. Caracterizamos el ensuciamiento de la membrana al separar las emulsiones estabilizadas con surfactante seguido del retrolavado. Como demostración, las disminuciones del flujo de permeado del filtro híbrido multicapa dependientes del tiempo se representan en la Fig. 5b. El flujo de permeado inicial de una membrana virgen J0 es de alrededor de 80 µL/min. Cuando desciende por debajo de 20 µL/min, se aplica retrolavado para limpiar la membrana. Se utiliza agua limpia en nuestros experimentos de laboratorio para el retrolavado (consulte la Fig. S5 de SI para ver el proceso completo). En el gráfico, el flujo de permeado inicial de cada ciclo está marcado como Ji, y luego comparamos el flujo de permeado inicial normalizado Ji/J0 entre las diferentes configuraciones de membrana antes mencionadas. Como se puede ver en la Fig. 5c, el flujo normalizado disminuyó con el aumento de los ciclos de filtración para todas las configuraciones, lo que indica que el ensuciamiento hidráulico irreversible se acumuló gradualmente en la superficie de la membrana45,46. Cuando una gota de aceite se deposita en la superficie de la membrana, se deformaría bajo la alta presión o permearía el flujo, bloquearía los poros de la membrana o incluso entraría en los poros para causar el ensuciamiento irreductible. Se espera que las gotas de aceite con un radio más grande tengan una mayor tendencia a la deformación (consulte la Fig. S6 para ver la deformación de las gotas de aceite en la superficie de la membrana). A partir de nuestros resultados experimentales en la Fig. 5a, c, se notó una notable recuperación en el flujo de permeado con la membrana con patrón de superficie en comparación con la membrana desnuda. En particular, la FRR del filtro híbrido multijugador es de casi el 98 % después del primer ciclo de retrolavado y aún se mantiene en un 83 % incluso después de 8 ciclos. Porque las estructuras impresas en 3D y la micromalla pueden hacer rebotar las gotas/partículas grandes, evitando con éxito la contaminación de la membrana. Las imágenes SEM en la Fig. S7 de SI muestran las morfologías superficiales de las membranas después de la filtración. El bloqueo de los poros se observa cuando se utiliza la membrana desnuda, mientras que en el filtro multicapa híbrido la membrana es capaz de mantener una superficie limpia con morfologías claramente visibles. Estos resultados confirmaron las excelentes propiedades antiincrustantes de los filtros de membrana estructurados en 3D. Vale la pena mencionar que la FRR es altamente comparable o incluso superior a los valores informados en la literatura (Fig. 1a), donde la modificación química de la superficie se aplica intensamente con fines antiincrustantes.

En este trabajo, presentamos y demostramos un nuevo tipo de filtros de membrana estructurados en 3D para el tratamiento sostenible del agua sin productos químicos. Inspirándonos en las criaturas acuáticas, podemos integrar estructuras que imitan a los peces, una micromalla metálica y una membrana polimérica en un único dispositivo de filtración funcional impreso en 3D. Su excelente rendimiento antiincrustante/obstrucción quedó demostrado por la filtración de alto flujo de gotas de aceite emulsionado y micropartículas de plástico. El perspicaz mecanismo antiincrustante de "rebote" también se descubrió a través de la observación del flujo in situ con filtros de microfluidos. De esta manera, logramos mitigar el ensuciamiento mediante estructuras impresas en micro-3D y manipulación hidrodinámica, en lugar de modificar la química de la superficie con recubrimientos químicos peligrosos. Estamos seguros de que este enfoque proporciona una solución alternativa novedosa al tratamiento de agua ecológico bajo las apremiantes preocupaciones ambientales.

Además, queremos enfatizar la versatilidad y las ventajas únicas de la impresión sobre membrana, así como sus oportunidades potenciales más allá de las aplicaciones de tratamiento de agua. La impresión 3D sobre membrana posee una gran flexibilidad de diseño y fabricación: puede ser homoestructurada o heteroestructurada, continua y/o discontinua, abierta y/o cerrada, monomaterial o multimaterial, independiente o heterogéneamente integrada, única - o multicapa. Las amplias opciones de membranas incluyen varios materiales y diferentes morfologías, desde mallas metálicas hasta membranas poliméricas nanoporosas. Al imprimir la estructura 3D en la membrana, también podemos aprovechar las crecientes opciones de tintas de impresión y sus compuestos para construir estructuras funcionales 3D con las propiedades deseadas (es decir, elasticidad, rigidez y humectabilidad). De esta manera, junto con la propia membrana, podemos permitir múltiples funcionalidades y propiedades fisicoquímicas heterogéneas dentro de un único dispositivo sin ensamblaje.

Los posibles campos de aplicación de la impresión sobre membrana son igualmente amplios. Como uno de los campos más importantes, el uso de membranas en microfluídica se ha convertido en un tema de creciente interés. Para la fabricación de chips microfluídicos convencionales, las fugas son un problema importante al ensamblar la membrana. Nuestra impresión 3D sobre membrana proporciona una manera elegante de superar este problema crítico con la capacidad de autosellado. El marco del chip se imprime con resina fotocurable y se une espontáneamente con una membrana. Los beneficios de este dispositivo de membrana "print-and-play" también incluyen la facilidad de integración de la membrana, la flexibilidad del diseño del chip y el control/análisis del transporte masivo, como se demuestra en este trabajo. Integrados con la enorme variedad de materiales, morfologías y opciones de diseño, los dispositivos de membrana microfluídica se pueden adaptar fácilmente a otras aplicaciones emergentes de energía, química, bioingeniería y medicina.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el Premio Abu Dhabi a la Excelencia en Investigación 2019 (#AARE19-185) de ASPIRE bajo el Consejo de Investigación de Tecnología Avanzada en Abu Dhabi EAU y parcialmente por la Beca de Desarrollo e Investigación Aplicada Sandooq Al Watan (Proyecto # SWARD-S19-003 ).

Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto Masdar, Universidad Khalifa de Ciencia y Tecnología, PO Box 127788, Abu Dhabi, EAU

Hongxia Li, Aikifa Raza y TieJun Zhang

Facultad de Ingeniería Química, Universidad de Sichuan, Chengdu, 610065, China

Shaojun Yuan

Departamento de Ingeniería Química, Instituto Masdar, Universidad Khalifa de Ciencia y Tecnología, PO Box 127788, Abu Dhabi, EAU

Faisal Al-Marzooqi

Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto de Tecnología de Massachusetts, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, 02139, EE. UU.

Nicolás X. Colmillo

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HL realizó los experimentos y simulaciones y preparó el manuscrito. AR, SY, FA y NXF contribuyeron a la discusión/análisis y editaron el manuscrito. TJZ aseguró el recurso y supervisó todo el trabajo además de mejorar el manuscrito. Todos los autores han leído y aprobado este manuscrito.

Correspondencia a Tie Jun Zhang.

La tecnología de impresión en membrana Micro-3D de este trabajo se ha presentado ante la Oficina de Patentes y Marcas Registradas de los Estados Unidos. Los autores declaran que no tienen intereses contrapuestos.

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Reimpresiones y permisos

Li, H., Raza, A., Yuan, S. et al. Filtración biomimética en chip habilitada por impresión micro-3D directa en membrana. Informe científico 12, 8178 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11738-z

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Recibido: 24 febrero 2022

Aceptado: 25 de abril de 2022

Publicado: 17 mayo 2022

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

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