생체모방 켜짐

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8178(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

멤브레인 온 칩은 다양한 처리량의 환경 및 수자원 연구에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 멤브레인 기술의 발전은 지속적으로 새로운 소재와 다기능 구조를 제공합니다. 그러나 미세유체 장치에 멤브레인을 통합하는 것은 여전히 ​​어려운 일이므로 다양한 활용이 제한됩니다. 본 연구에서는 마이크로 광조형 3D 프린팅을 통해 추가 조립 없이 구조-막 경계면에서 자체 밀봉 특성을 갖는 "물고기 아가미" 구조가 통합된 온칩 멤브레인 장치를 제안하고 제작합니다. 시연을 통해 금속 마이크로메시와 고분자 멤브레인을 3D 프린팅된 온칩 장치에 쉽게 내장하여 폐수 여과를 위한 오염 방지 및 막힘 방지 기능을 달성할 수도 있습니다. 여과 과정 중 구조-유체-오염 물질 상호 작용의 현장 시각화에서 입증된 바와 같이, 제안된 접근 방식은 물고기 먹이 메커니즘을 성공적으로 채택하여 유체 역학적 조작을 통해 오염 물질 입자 또는 물방울을 "반탄"할 수 있습니다. 플라스틱 미세 입자와 유화된 기름 방울과 같은 두 가지 일반적인 폐수 처리 시나리오를 벤치마킹했을 때 당사의 생체모방 여과 장치는 상용 멤브레인 장치보다 고유량 여과에 대해 2~3배 더 긴 내구성을 나타냅니다. 미세유체공학과 멤브레인 과학 분야를 우아하게 연결하는 이 제안된 멤브레인 기반 3D 프린팅 접근 방식은 에너지, 감지, 분석 화학 및 생물의학 공학 분야의 다른 많은 응용 분야에 중요한 역할을 합니다.

막 여과 및 분리는 생물 의학, 물 및 환경 응용 분야에서 널리 활용되었습니다1,2,3,4,5,6. 광범위한 정수 및 폐수 여과 과정에서 정제수는 막을 통해 침투하는 반면 플라스틱 미세 입자, 기름 방울 및 용질과 같은 오염 물질은 막에 의해 거부됩니다. 막 여과의 잘 알려진 장점(예: 고품질 투과물, 낮은 공간 사용, 손쉬운 자동화 및 제어)에도 불구하고 막 오염 및 막힘은 효과적인 물 여과에 있어 주요 병목 현상으로 남아 있습니다7,8,9,10. 미세 유체 장치에 여과막을 통한 물질 전달 제어의 통합은 오염 방지/막힘 솔루션의 높은 처리량 개발을 위해 상당한 성장을 보여주었습니다.

현재 파울링/막힘 방지 전략은 주로 새로운 멤브레인 소재 개발16,17 및 멤브레인 표면 개질9,18,19,20에 중점을 두고 있습니다. 막 표면 화학 및 습윤성은 표면 오염 물질 상호 작용 및 오염 경향에 큰 영향을 미칩니다. 초소수성 및 수중 소유성을 지닌 막 표면은 오염 물질 부착을 완화하는 데 필요합니다17,21,22. 집중적인 연구 노력을 통해 금속 산화물9 및 광촉매 물질23,24의 표면 코팅으로 인해 멤브레인이 유기 오염 방지 및 분해에 대한 우수한 오염 방지 기능을 나타낼 수 있음이 입증되었습니다. 이러한 화학적 접근 방식은 구현이 쉽고 플럭스 회수율(FRR)이 높기 때문에 널리 퍼져 있지만(그림 1a 참조), 코팅 접착/열화 문제 외에도 화학 폐기물 처리로 인해 환경 문제가 자주 발생합니다. 대안으로, 화학물질을 사용하지 않는 방오/막힘 전략이 매우 매력적입니다. 막 표면에 토폴로지 구조를 생성하는 표면 패터닝은 국소 유체역학과 해당 오염물 표면 상호 작용을 조작할 수 있습니다. 적절하게 설계된 표면 구조를 사용하면 막 표면 근처의 유동장을 제어하여 오염물, 특히 미세한 크기의 오염물 입자 또는 액적의 침착 및 축적을 억제할 수 있습니다. 이러한 막 구조는 생성된 물의 기름 방울과 어류 내장 함량 분석에서 발견된 유해한 미세 플라스틱 조각 또는 섬유와 비슷한 크기를 가지고 있습니다32(그림 1a 참조). 더욱이, 국소 속도 장을 조절함으로써 오염물-막 경계면에서 유도된 전단 응력은 오염물의 분리 및 제거를 더욱 가능하게 할 수 있습니다28,33.