著者らは、デバイスの3次元印刷のためストラタシス（レホボト、イスラエル）をお願いいたします。我々は、膜試料用Microdyneナディア（ドイツ）に感謝しています。この研究は、CJAにイスラエル科学財団（助成1474年から1413年）によってサポートされていました

1.設計とマイクロ流体テストシステムの試作<ol><li> CADプログラムで上部と下部（ 図1）：2つの部分としてのマイクロ流体デバイスを設計します。 </li><li> 60ミリメートルの長方形で40ミリメートルを描画する矩形ツールを使用して底部を作り​​始めます。 </li><li>円ツールとの1コーナーで6.2ミリメートル直径の円はエッジから10mmを中心に作成します。直線パターンツールで6穴の合計20ミリメートル間隔で長方形全体に穴を複製。 </li><li>フィレットツールを使用すると、1mmの半径を有する矩形をフィレット。 </li><li>押し出しツールで一部10ミリメートルを押し出します。 </li><li>上面の中央には、1ミリメートルによると押し出しカットツールで長方形ツールで長方形を作成する30ミリメートルは、流路のための0.2ミリメートルを切りました。 </li><li>円ツールを使用して流路の端部に直径1mmの円を作ります。そして、ラインツールで最寄りに円を接続する経路を構築フィレットツールで作られた4ミリメートルの半径を含む10ミリメートル面によって40ミリメートル、。掃引カットツールを使用して、このパスに沿ってカットしてください。 </li><li>円ツールで流路の中央に3.9ミリメートルの直径の円を作成し、フィッティングを可能にするために押し出しカットツールを使用して8ミリメートルを切りました。 </li><li>繰り返しは、流路の反対側のための1.7と1.8を繰り返します。 </li><li>上部の繰り返しで1.2から1.5を繰り返します。そして、上面の中央に1ミリメートルによって長方形30ミリメートルを作成するために、矩形ツールを使用して、透過物チャネルを作成し、押し出しカットツールを使用して、0.5ミリメートルを切りました。 </li><li>端から透過液流路5ミリメートルの中央に1ミリメートルの円を作成する円ツールを使用してください。ラインツールでフィレットツールで作られた4ミリメートルの半径を含む6センチメートル面により1センチメートル、のいずれかに丸を結ぶ経路を構築します。掃引カットツールを使用して、パスに沿ってカットしてください。 </li><li>円ツールで透過経路上を中心とする追加の3.9ミリメートルの直径の円を作成し、元と8ミリメートルを切りますカットツールをTRUDE。 </li><li>部分に長方形フィレットツールで4ミリメートルの半径を追加する5ミリメートルによって40ミリメートルを作成し、長方形ツールで、40ミリメートルの縁をトップ。ハンドルのための下向きの3ミリメートルを押し出すために押し出しツールを使用します。 </li><li>チャンネルを含む各部品の表面に柔らかいゴム状ポリマーで上塗り0.05ミリメートルを含むハード透明ポリマーを使用して、複数材料フォトポリマー3次元プリンタで印刷部品。メーカーの標準プロトコル、キャリブレーションと設定を使用します。 </li><li>飼料にスレッド（M5）をタップし、保持物およびオリフィスを浸透。透過液に1/8 &quot;フィードおよび保持する金具と1/16&quot;フィッティングを接続する配管工のテープを使用してください。 </li><li> 1/8 &quot;チューブ（ 図2）でポンピングするマイクロ流体デバイス、バルブ、圧力変換器と背圧調整器に接続します。 </li><li>チューブを入口に、0.45μmのフィルターを接続します。 </li><li>放電は1/16 &quot;チューブとのバランス上とビーカーメートルを流れるように浸透します。 </li><li&gt;はタイワイヤーで3ウェイバルブにネジと標準サーボと背圧調整器に連続回転サーボを取り付けます。 </li><li>サーボシールドにサーボ電源を接続します。 </li><li>圧力変換器、スイッチおよびサーボシールドは、マイクロコントローラに接続します。 </li><li>データロギングおよびシステム制御用PCに、マイクロコントローラ、残高、流量計とポンプを接続します。 </li><li>そのシリアルポートにデータを印刷するために残高を設定します。 </li></ol> 2.試験される膜を調製<ol><li> x 8ミリメートル40ミリメートルに膜をカットします。 </li><li>超音波処理して（3×10分）を超純水に膜を浸します。 </li><li>その後、1時間50/50超純水/エタノールに膜を浸します。 </li><li> 4℃の超純水中での超純水や店舗を有する膜を洗浄します。8 </li></ol> 3.ナノ濾過膜でテストするためのソリューションを準備します<ol><li>三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。その後、BSA ANの0.04グラムを追加します。NaClをD 0.29グラム。 </li><li>別々の三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。次いでMgSO 4の0.6グラムを追加します。 </li><li>第三の三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。その後のNaCl 0.29グラムを追加します。 </li><li>各フラスコに攪拌棒を挿入し、攪拌プレート上にフラスコを置きます。 500rpmで5分間混合します。 </li></ol> 4.ナノ濾過汚れの実験を行います注：RT（約24℃）で実験を行います。まず流量計に接続されていないセルを流れるようにバルブを閉じることにより、単一の膜を測定するためのシステムを設定します。 <ol><li>超純水の貯留し、MgSO 4溶液中に他の入口管（ 図2）に1つのポンプ入口チューブを挿入します。 </li><li>システム内のすべての気泡を除去するために配管を介して水と硫酸マグネシウム溶液を描画するために注射器を使用。 </li><li>で、フローセルの底部にナノ濾過膜を挿入しますフローセルの上部に供給チャネル、および場所に向けて積極的な側面。 </li><li>手でナットを固定し、その後の漏れを最小限にするようにレンチで均等に締めます。 </li><li>貯留セレクタースイッチで超純水を選択します。 </li><li> 2ミリリットル/分にポンプ流量を設定し、ポンプを起動します。 </li><li> 4バールに圧力調整器を調整します。 </li><li>貯水池に水溜りで始まるすべての45分を切り替えるために実験パラメータを設定します。 </li><li> autoに貯留スイッチを設定し、実験を開始します。 </li><li> 60分で、次の30分間、チューブ内のMgSO 4透過物を収集します。 </li><li> 91分にBSAおよびNaClの溶液を含むフラスコとし、MgSO 4フラスコを交換してください。 </li><li>迅速にポンプを停止し、チューブにし 、MgSO 4残り物を削除するには、入口管を介してBSA溶液を描画するために注射器を使用しています。その後、再びポンプを起動します。 </li><li> 150分で、BSAは、次の30分間、チューブ内に浸透集めます。 </li><li> 225分後に、システムをシャットダウンし、ナノを削除<html>フローセルからろ過膜。 </li><li>シリンジを用いて、超純水を試験液導入管を洗い流します。 </li><li>繰り返して試験した各追加の膜のための4.1から4.15繰り返します。 </li><li> NaClのみのテストでは、繰り返しは4.1から4.10、および4.14から4.16 NaCl溶液でのMgSO 4溶液を交換し、90分の代わりに、225分後に実験を終了するステップ。 </li></ol>ナノ濾過膜の5計算塩排除<ol><li>超純水でポテンショスタット試験セルの電極を洗浄します。 </li><li>ピペットを用いて、テストセル電極上のMgSO 4溶液の堆積物5μL。 </li><li>ソリューションのレコード抵抗。 </li><li>繰り返しは、5.1から5.3まで4回以上のステップを、その平均値を計算します。 </li><li>繰り返して、回収した溶液を浸透NaCl及びBSA / NaClのソリューションだけでなく、それぞれに5.1から5.4を繰り返します。 </li><li>式1と塩排除を計算します。 6eq1.jpg &quot;/&gt; ここで、Ωsが試験溶液の抵抗であり、Ωpは透過水の抵抗です。抵抗は直接塩濃度に相関溶液の導電率に反比例します。 </li></ol> 6.限外ろ過膜でテストするために、ソリューションの準備<ol><li> 4リットルのビーカーに超純水1Lを追加します。その後、BSAの0.32グラムを追加します。 </li><li>撹拌プレート上のビーカーや場所に攪拌棒を挿入します。 500rpmで5分間混合します。 </li><li>ビーカーおよび500 rpmで5分間再び混合する超純水の追加の3 Lを追加します。 </li></ol> 7.限外ろ過汚れの実験を行います注：RT（約24℃）で実験を行います。最初のセルを流れるようにすべてのバルブを開くことにより、並列に4膜を測定するためのシステムを設定します。 <ol><li>番目に超純水溜りや他の入口管に1つのポンプ入口管を配置E BSA溶液（ 図2）。 </li><li>システム内のすべての気泡を除去するために配管を介して水とBSA溶液を描画するために注射器を使用。 </li><li>供給チャネルに向けた積極的な側面で、フローセルの底部に限外濾過膜を挿入し、マイクロ流体デバイスの上部半分で細胞を閉じます。 </li><li>レンチで均等に締めた後、手でナットを固定します。不適切な締め付けが水漏れにつながる可能性があります。 </li><li>リザーバースイッチ付き超純水を選択します。 </li><li> 8ミリリットル/分にポンプ流量を設定し、ポンプを起動します。 </li><li> 0.4バールに圧力調整器を調整します。 </li><li>製造業者のプロトコルに従ってデータ収集ソフトウェアを有する膜のフラックス値を監視します。 </li><li>平均フラックスは10％±200 LMHがあるまで、圧力調整器を調整します。 </li><li>フラックスは20％±200 LMHがない場合は、個々の膜を交換してください。 </li><li>実験パラメータを入力します。最初の超純水RESEを選択200±20 LMHの一定フラックスで60分間rvoir。その後、圧力調整器の手動制御で420分間BSAリザーバを選択します。最後に、実験の終了時にフラッシュシステムへの圧力調整器の手動制御で15分間超純水溜りを選択します。 </li><li> autoに貯留スイッチを設定し、実験を開始します。 </li><li>実行完了後、システムをシャットダウンし、フロー細胞から膜を除去します。 </li><li>超純水で注射器と、フラッシュポンプ入口管。 </li></ol>

<ol>
	<li>Guo, W., Ngo, H. -. H., Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+mini-review+on+membrane+fouling.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+fouling+and+fouling+control+in+ultrafiltration.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Colloidal+interactions+and+fouling+of+NF+and+RO+membranes:+a+review.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Membranes+and+microfluidics:+a+review.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glycosphingolipids+Enhance+Bacterial+Attachment+and+Fouling+of+Nanofiltration+Membranes.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+modification+of+polysulfone+ultrafiltration+membranes+and+fouling+by+BSA+solutions.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein+(BSA)+fouling+of+reverse+osmosis+membranes:+Implications+for+wastewater+reclamation.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+modification+of+dense+membranes+using+radical+graft+polymerization+enhanced+by+monomer+filtration.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+NF/RO+separation:+Cell+design,+performance+and+application.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+supported+bolaamphiphile+membranes+for+water+filtration:+Roles+of+lipid+and+substrate.">Towards supported bolaamphiphile membranes for water filtration: Roles of lipid and substrate.</a> J. Membr. Sci. 457, 50-61 (2014).</li></ol>

著者らは、開示することは何もありません。

このプロトコルは、ナノ濾過、限外濾過膜の試験のための3次元印刷マイクロ流体クロスフロー装置の設計について説明します。最近、我々は、ナノ濾過膜コンディショナーのこのプロトコルの変化の成功を示し、後続の細菌培養注入とスフィンゴ糖脂質及びリポ多糖および膜性能の違いで汚れている。この技術を用いた5将来のアプリケーションは、異なる汚染物質を有する膜性能の...

<html>膜技術は、バルク溶液から溶質を分離することを必要とする産業および他のプロセスに不可欠であるが、膜のファウリングが大きな継続的な課題である。膜汚染廃水のサイズベースの分離のための限外濾過膜を使用することを含んで生じる1一般的な例として、 2とイオンと汽水や海水からより大きな溶質を分離するための複合薄膜。ファウリングの3特性の指標は、膜貫通圧力の増加とフラックスの減少が含まれます。これは、膜の生産性を低下させ、原因化学物質または他の洗浄プロトコルにその寿命を短くします。したがって膜性能は汚れ評価すると膜上の汚れ、生物付着およびバイオフィルム形成のメカニズムと効果を理解するために良好な指標です。また、性能評価は、新たな膜の設計または変更する際に重要です。 EFT &quot;&gt; マイクロ流体デバイスにおける膜の使用への関心が過去10年間で成長している。4最近、我々は、微生物成分のリポ多糖の効果を研究し、ナノ濾過膜の表面を汚れにスフィンゴ糖脂質、および微生物へのコンディショニングされた表面のその後の感受性アタッチメント5マイクロ流体クロスフロー装置は、ナノ濾過膜の性能を評価しました。膜表面積が小さいので、これは、膜表面の汚れのために少量でのみ利用でき、特別な非商業的な脂質成分の使用を許可されました。システムのサイズは、膜材料と溶液の少量の効率的な使用を可能にしました。このプロトコルでは、我々は、膜の性能試験のためのマイクロ流体デバイスの設計及び製造を記述し、圧力流システムにデバイスの組み込みを概説します。装置のデモンストレーションはTESTIで示されていますモデル汚染物、BSAを用いた限外濾過膜とナノ濾過膜の性能をngの。6,7

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="915">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">BSA</td>
			<td style="width:148px;">SIGMA-ALDRICH</td>
			<td style="width:143px;">A6003</td>
			<td style="width:383px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NaCl</td>
			<td>DAEJUNG</td>
			<td>7548-4100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;">MgSO4</td>
			<td>EMSURE</td>
			<td>1058861000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NF Membrane</td>
			<td>Filmtec</td>
			<td>NF200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">30 kDa UF Membrane</td>
			<td>MICRODYN NADIR</td>
			<td>UH030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">50 kDa UF Membrane</td>
			<td>MICRODYN NADIR</td>
			<td>UH050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pressure Transducer</td>
			<td>Midas</td>
			<td>43006711</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ball Valves</td>
			<td>AV-RF</td>
			<td>Q91SA-PN6.4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">3-way Valve</td>
			<td>iLife Medical Devices</td>
			<td>902.071</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pressure Regulator</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>KCB1G0A2A5P20000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Flow-meter</td>
			<td>Bronkhorst</td>
			<td>L01-AGD-99-0-70S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Balances</td>
			<td>MRC</td>
			<td>BBA-1200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pump</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td style="width:143px;">EW-00354-JI</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">1/8&#34; Tubing</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-06605-27</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">1/16&#34; Tubing</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-06407-41</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">1/16&#34; Fittings</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-30486-70</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">1/8&#34; Fittings</td>
			<td>Kiowa</td>
			<td>QSM-B-M5-3-20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Microcontroller</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>50</td>
			<td>Arduino UNO R3</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Continuous Rotation Servo</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>154</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Standard Servo</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>1142</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Power Supply</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>658</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Servo Shield</td>
			<td>SainSmart</td>
			<td>20-011-905</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Switches</td>
			<td>Parts Express</td>
			<td>060-376</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">0.45 Micron Filters</td>
			<td>EMD Millipore</td>
			<td>SLHV033RS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Potentiostat</td>
			<td>Gamry</td>
			<td>PCI4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sonicator</td>
			<td>MRC</td>
			<td>DC-150H</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Connex 3D Printer</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>Objet Connex</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Veroclear&#160;</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>RGD810&#160;</td>
			<td>transparent polymer for printing flow cell</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tangoblack-plus</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>FLX980</td>
			<td>soft rubbery polymer for gasket layers on flow cell</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

three-dimensionally printed microfluidic cross-flow system for ultrafiltration/nanofiltration membrane performance testing

膜汚染の最小化と管理は、多様な工業プロセスおよび膜技術を利用する他の慣行の手ごわい挑戦です。ファウリングのプロセスを理解することは、最適化し、膜ベースのろ過の高効率化につながる可能性があります。ここでは、並列に4膜まで試験することができる自動化された三次元（3-D）印刷、マイクロ流体クロスフロー濾過システムの設計および製造を示します。マイクロ流体細胞は、マイクロ流体細胞体のための透明な硬質ポリマーを使用し、動作中に漏れを防止する薄いゴム状重合体層を、組み込まれた多材料フォトポリマー3次元印刷技術を使用して印刷しました。限外ろ過（UF）の性能、およびナノ濾過（NF）膜を試験し、膜ファウリングは、モデル汚染物、ウシ血清アルブミン（BSA）を用いて観察することができました。 BSAを含有する供給溶液は、膜の流束低下を示しました。このプロトコルは、延長することができますedは、他の多くの有機、無機または微生物を含む溶液で汚れや生物付着を測定します。マイクロ流体設計は、例えば、多糖類、タンパク質、またはテストされている膜の小さな表面積に起因する脂質のために、高価なまたは少量でのみ使用可能です試験材料のために特に有利です。このモジュラーシステムはまた、容易に膜の高スループット試験のために拡張することができます。

マイクロ流体フローセルは、多材料フォトポリマーの三次元（3-D）プリンタを使用してCADプログラムを用いて設計し、印刷されました。膜は容易に（ 図1）に挿入し、デバイスから除去することができるように、このセルは、二つの部分にデザインされました。各部分は、構造的完全性のためのハード、透明なポリマーから印刷し、厚さ1cmとし、膜に面した側面には、ゴム状重合...

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

三次元（3-D）印刷、マイクロ流体クロスフローろ過システムが示されているの設計および製造。システム性能をテストし、限外濾過及びナノ濾過（薄膜複合）膜の汚れを観察するために使用されます。

限外濾過/ナノ濾過膜性能試験のための三次元プリントマイクロ流体クロスフローシステム

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

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

11.2K ビュー.  Ben-Gurion University of the Negev, Sede-Boqer Campus. 三次元（3-D）印刷、マイクロ流体クロスフローろ過システムが示されているの設計および製造。システム性能をテストし、限外濾過及びナノ濾過（薄膜複合）膜の汚れを観察するために使用されます。 

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

Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described in detail. The PLBR can be utilized for the analysis of single bacteria and microcolonies to investigate biotechnological and microbiological related questions concerning, e.g.&#160;cell growth, morphology, stress response, and metabolite or protein production on single-cell level. The device features continuous media flow enabling constant environmental conditions for perturbation studies, but in addition allows fast medium changes as well as oscillating conditions to mimic any desired environmental situation. To fabricate the single use devices, a silicon wafer containing sub micrometer sized SU-8 structures served as the replication mold for rapid polydimethylsiloxane casting. Chips were cut, assembled, connected, and set up onto a high resolution and fully automated microscope suited for time-lapse imaging, a powerful tool for spatio-temporal cell analysis. Here, the biotechnological platform organism Corynebacterium glutamicum&#160;was seeded into the PLBR and cell growth and intracellular fluorescence were followed over several hours unraveling time dependent population heterogeneity on single-cell level, not possible with conventional analysis methods such as flow cytometry. Besides insights into device fabrication, furthermore, the preparation of the preculture, loading, trapping of bacteria, and the PLBR cultivation of single cells and colonies is demonstrated. These devices will add a new dimension in microbiological research to analyze time dependent phenomena of single bacteria under tight environmental control. Due to the simple and relatively short fabrication process the technology can be easily adapted at any microfluidics lab and simply tailored towards specific needs.

In this protocol the fabrication, setup and basic operation of a microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) for single-cell analysis of prokaryotic microorganisms is introduced. Industrially relevant microorganisms were analyzed as proof of principle allowing insights into growth rate, morphology, and phenotypic heterogeneity over certain time periods, hardly possible with conventional methods.

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described ...

生物工学

Systematic Analysis of In Vitro Cell Rolling Using a Multi-well Plate Microfluidic System

A major challenge for cell-based therapy is the inability to systemically target a large quantity of viable cells with high efficiency to tissues of interest following intravenous or intraarterial infusion. Consequently, increasing cell homing is currently studied as a strategy to improve cell therapy. Cell rolling on the vascular endothelium is an important step in the process of cell homing and can be probed in-vitro using a parallel plate flow chamber (PPFC). However, this is an extremely tedious, low throughput assay, with poorly controlled flow conditions. Instead, we used a multi-well plate microfluidic system that enables study of cellular rolling properties in a higher throughput under precisely controlled, physiologically relevant shear flow1,2. In this paper, we show how the rolling properties of HL-60 (human promyelocytic leukemia) cells on P- and E-selectin-coated surfaces as well as on cell monolayer-coated surfaces can be readily examined. To better simulate inflammatory conditions, the microfluidic channel surface was coated with endothelial cells (ECs), which were then activated with tumor necrosis factor-&#945; (TNF-&#945;), significantly increasing interactions with HL-60 cells under dynamic conditions. The enhanced throughput and integrated multi-parameter software analysis platform, that permits rapid analysis of parameters such as rolling velocities and rolling path, are important advantages for assessing cell rolling properties in-vitro. Allowing rapid and accurate analysis of engineering approaches designed to impact cell rolling and homing, this platform may help advance exogenous cell-based therapy.

Systematic Analysis of In Vitro Cell Rolling Using a Multi-well Plate Microfluidic System

This study used a multi-well plate microfluidic system, significantly increasing throughput of cell rolling studies under physiologically relevant shear flow. Given the importance of cell rolling in the multi-step cell homing cascade and the importance of cell homing following systemic delivery of exogenous populations of cells in patients, this system offers potential as a screening platform to improve cell-based therapy.

の体系的な分析<em&gt;体外</emマルチウェルプレートマイクロ流体システムを使用して&gt;セルローリング

A major challenge for cell-based therapy is the inability to systemically target a large quantity of viable cells with high efficiency to tissues of ...

Luminescence Resonance Energy Transfer to Study Conformational Changes in Membrane Proteins Expressed in Mammalian Cells

Luminescence Resonance Energy Transfer, or LRET, is a powerful technique used to measure distances between two sites in proteins within the distance range of 10-100 &#197;. By measuring the distances under various ligated conditions, conformational changes of the protein can be easily assessed. With LRET, a lanthanide, most often chelated terbium, is used as the donor fluorophore, affording advantages such as a longer donor-only emission lifetime, the flexibility to use multiple acceptor fluorophores, and the opportunity to detect sensitized acceptor emission as an easy way to measure energy transfer without the risk of also detecting donor-only signal. Here, we describe a method to use LRET on membrane proteins expressed and assayed on the surface of intact mammalian cells. We introduce a protease cleavage site between the LRET fluorophore pair. After obtaining the original LRET signal, cleavage at that site removes the specific LRET signal from the protein of interest allowing us to quantitatively subtract the background signal that remains after cleavage. This method allows for more physiologically relevant measurements to be made without the need for purification of protein.

We describe here an improved Luminescence Resonance Energy Transfer (LRET) method where we introduce a protease cleavage site between the donor and acceptor fluorophore sites. This modification allows us to obtain specific LRET signals arising from membrane proteins of interest, allowing for the study of membrane proteins without protein purification.

発光共鳴エネルギーは、哺乳動物細胞で発現膜タンパク質の立体構造変化を研究するために転送

Luminescence Resonance Energy Transfer, or LRET, is a powerful technique used to measure distances between two sites in proteins within the distance range ...

Use of a High-throughput In Vitro Microfluidic System to Develop Oral Multi-species Biofilms

There are few high-throughput in vitro systems which facilitate the development of multi-species biofilms that contain numerous species commonly detected within in vivo oral biofilms. Furthermore, a system that uses natural human saliva as the nutrient source, instead of artificial media, is particularly desirable in order to support the expression of cellular and biofilm-specific properties that mimic the in vivo communities. We describe a method for the development of multi-species oral biofilms that are comparable, with respect to species composition, to supragingival dental plaque, under conditions similar to the human oral cavity. Specifically, this methods article will describe how a commercially available microfluidic system can be adapted to facilitate the development of multi-species oral biofilms derived from and grown within pooled saliva. Furthermore, a description of how the system can be used in conjunction with a confocal laser scanning microscope to generate 3-D biofilm reconstructions for architectural and viability analyses will be presented. Given the broad diversity of microorganisms that grow within biofilms in the microfluidic system (including Streptococcus, Neisseria, Veillonella, Gemella, and Porphyromonas), a protocol will also be presented describing how to harvest the biofilm cells for further subculture&#160;or DNA extraction and analysis. The limits of both the microfluidic biofilm system and the current state-of-the-art data analyses will be addressed. Ultimately, it is envisioned that this article will provide a baseline technique that will improve the study of oral biofilms and aid in the development of additional technologies that can be integrated with the microfluidic platform.

Use of a High-throughput In Vitro Microfluidic System to Develop Oral Multi-species Biofilms

The goal of this methods paper is to describe the use of a microfluidic system for the development of multi-species biofilms that contain species typically identified in human supragingival dental plaque.&#160;Methods to describe biofilm architecture, biofilm viability, and an approach to harvest biofilm for culture-dependent or culture-independent analyses are highlighted.

ハイスループットの使用<em&gt;インビトロ</emオーラル多種バイオフィルムを開発するために&gt;マイクロ流体システム

There are few high-throughput in vitro systems which facilitate the development of multi-species biofilms that contain numerous species commonly detected ...

Robotic Production of Cancer Cell Spheroids with an Aqueous Two-phase System for Drug Testing

Cancer cell spheroids present a relevant in vitro model of avascular tumors for anti-cancer drug testing applications. A detailed protocol for producing both mono-culture and co-culture spheroids in a high throughput 96-well plate format is described in this work. This approach utilizes an aqueous two-phase system to confine cells into a drop of the denser aqueous phase immersed within the second aqueous phase. The drop rests on the well surface and keeps cells in close proximity to form a single spheroid. This technology has been adapted to a robotic liquid handler to produce size-controlled spheroids and expedite the process of spheroid production for compound screening applications. Spheroids treated with a clinically-used drug show reduced cell viability with increase in the drug dose. The use of a standard micro-well plate for spheroid generation makes it straightforward to analyze viability of cancer cells of drug-treated spheroids with a micro-plate reader. This technology is straightforward to implement both robotically and with other liquid handling tools such as manual pipettes.

A protocol for robotic printing of cancer cell spheroids in a high throughput 96-well plate format using an aqueous two-phase system is presented.

薬物検査のための水性二相系と癌細胞スフェロイドのロボット生産

Cancer cell spheroids present a relevant in vitro model of avascular tumors for anti-cancer drug testing applications. A detailed protocol for producing ...

Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to entry for non-specialists who would benefit greatly from the ability to develop their own microfluidic devices to address research questions. Particularly lacking has been the open dissemination of protocols related to photolithography, a key step in the development of a replica mold for the manufacture of polydimethylsiloxane (PDMS) devices. While the fabrication of single height silicon masters has been explored extensively in literature, fabrication steps for more complicated photolithography features necessary for many interesting device functionalities (such as feature rounding to make valve structures, multi-height single-mold patterning, or high aspect ratio definition) are often not explicitly outlined. 
Here, we provide a complete protocol for making multilayer microfluidic devices with valves and complex multi-height geometries, tunable for any application. These fabrication procedures are presented in the context of a microfluidic hydrogel bead synthesizer and demonstrate the production of droplets containing polyethylene glycol (PEG diacrylate) and a photoinitiator that can be polymerized into solid beads. This protocol and accompanying discussion provide a foundation of design principles and fabrication methods that enables development of a wide variety of microfluidic devices. The details included here should allow non-specialists to design and fabricate novel devices, thereby bringing a host of recently developed technologies to their most exciting applications in biological laboratories.

Multilayer microfluidic devices often involve the fabrication of master molds with complex geometries for functionality. This article presents a complete protocol for multi-step photolithography with valves and variable height features tunable to any application. As a demonstration, we fabricate a microfluidic droplet generator capable of producing hydrogel beads.

バルブ付き多層マイクロ流体デバイスのための多段階可変高さのフォトリソグラフィ

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to ...

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality that shows great potential for both preclinical and clinical applications. Conventional optical parametric oscillator-based PAT (OPO-PAT) systems are bulky and expensive and cannot provide high-speed imaging. Recently, pulsed-laser diodes (PLDs) have been successfully demonstrated as an alternative excitation source for PAT. Pulsed-laser diode PAT (PLD-PAT) has been successfully demonstrated for high-speed imaging on photoacoustic phantoms and biological tissues. This work provides a visualized experimental protocol for in vivo brain imaging using PLD-PAT. The protocol includes the compact PLD-PAT system configuration and its description, animal preparation for brain imaging, and a typical experimental procedure for 2D cross-sectional rat brain imaging. The PLD-PAT system is compact and cost-effective and can provide high-speed, high-quality imaging. Brain images collected in vivo at various scan speeds are presented.

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

A compact pulsed-laser diode-based photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for high-speed in vivo brain imaging in small animals is demonstrated.

高性能小型光音響トモグラフィーシステム<em&gt;インビボ</em&gt;小動物脳イメージング

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality ...

A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is fabricated. It is used to investigate the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump and to determine the reliability of the conduction pump when acetone is used as the working fluid. A testing platform is set up to evaluate conduction micropump performance under different conditions. When the chamber height is 0.2 mm, the pump pressure reaches its peak value.

This paper presents a protocol for the fabrication of a conduction micropump using symmetric planar electrodes on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) to test the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump.

パフォーマンス テスト用 FR 4 銅クラッド電極に伝導マイクロ ポンプ

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is ...

A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules

Many load bearing biological structures (LBBSs)&#8212;such as feather rachises and spicules&#8212;are small (&#60;1 mm) but not microscopic. Measuring the flexural behavior of these LBBSs is important for understanding the origins of their remarkable mechanical functions.
We describe a protocol for performing three-point bending tests using a custom-built mechanical testing device that can measure forces ranging from 10-5 to 101 N and displacements ranging from 10-7 to 10-2 m. The primary advantage of this mechanical testing device is that the force and displacement capacities can be easily adjusted for different LBBSs. The device&#39;s operating principle is similar to that of an atomic force microscope. Namely, force is applied to the LBBS by a load point that is attached to the end of a cantilever. The load point displacement is measured by a fiber optic displacement sensor and converted into a force using the measured cantilever stiffness. The device&#39;s force range can be adjusted by using cantilevers of different stiffnesses.
The device&#39;s capabilities are demonstrated by performing three-point bending tests on the skeletal elements of the marine sponge Euplectella aspergillum. The skeletal elements&#8212;known as spicules&#8212;are silica fibers that are approximately 50 &#181;m in diameter. We describe the procedures for calibrating the mechanical testing device, mounting the spicules on a three-point bending fixture with a &#8776;1.3 mm span, and performing a bending test. The force applied to the spicule and its deflection at the location of the applied force are measured.

We present a protocol for performing three-point bending tests on sub-millimeter scale fibers using a custom-built mechanical testing device. The device can measure forces ranging from 20 &#181;N up to 10 N and can therefore accommodate a variety of fiber sizes.

海綿骨の機械的性質を測定するためミリ スケール曲げテスト システム

Many load bearing biological structures (LBBSs)&#8212;such as feather rachises and spicules&#8212;are small (&#60;1 mm) but not microscopic. Measuring the ...

Microfluidic Model to Mimic Initial Event of Neovascularization

Neovascularization is usually initialized from an existing normal vasculature and the biomechanical microenvironment of endothelial cells (ECs) in the initial stage varies dramatically from the following process of neovascularization. Although there are plenty of models to simulate different stages of neovascularization, an in vitro 3D model that capitulates the initial process of neovascularization under the corresponding stimulations of normal vasculature microenvironments is still lacking. Here, we reconstructed an in vitro 3D model that mimics the initial event of neovascularization (MIEN). The MIEN model contains a microfluidic sprouting chip and an automatic control, highly efficient circulation system. A functional, perfusable microchannel coated with endothelium was formed and the process of sprouting was simulated in the microfluidic sprouting chip. The initially physiological microenvironment of neovascularization was recapitulated with the microfluidic control system, by which ECs would be exposed to high luminal shear stress, physiological transendothelial flow, and various vascular endothelial growth factor (VEGF) distributions simultaneously. The MIEN model can be readily applied to the study of neovascularization mechanism and holds a potential promise as a low-cost platform for drug screening and toxicology applications.

Here, we provide a microfluidic chip and an automatically controlled, highly efficient circulation microfluidic system that recapitulates the initial microenvironment of neovascularization, allowing endothelial cells (ECs) to be stimulated by high luminal shear stress, physiological level of transendothelial flow, and various vascular endothelial growth factor (VEGF) distribution simultaneously.

新血管新生初期事象を模倣する微発性モデル

Neovascularization is usually initialized from an existing normal vasculature and the biomechanical microenvironment of endothelial cells (ECs) in the ...

限外濾過/ナノ濾過膜性能試験のための三次元プリントマイクロ流体クロスフローシステム

要約

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Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

の体系的な分析

発光共鳴エネルギーは、哺乳動物細胞で発現膜タンパク質の立体構造変化を研究するために転送

ハイスループットの使用

薬物検査のための水性二相系と癌細胞スフェロイドのロボット生産

バルブ付き多層マイクロ流体デバイスのための多段階可変高さのフォトリソグラフィ

高性能小型光音響トモグラフィーシステム

パフォーマンステスト用 FR 4 銅クラッド電極に伝導マイクロポンプ

海綿骨の機械的性質を測定するためミリスケール曲げテストシステム

新血管新生初期事象を模倣する微発性モデル

限外濾過/ナノ濾過膜性能試験のための三次元プリントマイクロ流体クロスフローシステム

要約

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Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

の体系的な分析

発光共鳴エネルギーは、哺乳動物細胞で発現膜タンパク質の立体構造変化を研究するために転送

ハイスループットの使用

薬物検査のための水性二相系と癌細胞スフェロイドのロボット生産

バルブ付き多層マイクロ流体デバイスのための多段階可変高さのフォトリソグラフィ

高性能小型光音響トモグラフィーシステム

パフォーマンス テスト用 FR 4 銅クラッド電極に伝導マイクロ ポンプ

海綿骨の機械的性質を測定するためミリ スケール曲げテスト システム

新血管新生初期事象を模倣する微発性モデル

パフォーマンステスト用 FR 4 銅クラッド電極に伝導マイクロポンプ

海綿骨の機械的性質を測定するためミリスケール曲げテストシステム