biomimético ativado

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8178 (2022) Citar este artigo

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Membrane-on-chip é de interesse crescente em uma ampla variedade de pesquisas ambientais e de água de alto rendimento. Os avanços na tecnologia de membrana fornecem continuamente novos materiais e estruturas multifuncionais. No entanto, a incorporação de membrana em dispositivos microfluídicos permanece desafiadora, limitando assim sua utilização versátil. Aqui, por meio de impressão 3D de microestereolitografia, propomos e fabricamos um dispositivo de membrana on-chip integrado à estrutura de "brânquias de peixe", que possui o atributo de autovedação na interface estrutura-membrana sem montagem extra. Como demonstração, a micromalha metálica e a membrana polimérica também podem ser facilmente incorporadas no dispositivo on-chip impresso em 3D para obter a funcionalidade anti-incrustação e anti-obstrução para filtragem de águas residuais. Conforme evidenciado pela visualização in-situ das interações estrutura-fluido-incrustante durante o processo de filtração, a abordagem proposta adota com sucesso o mecanismo de alimentação de peixes, sendo capaz de "ricochetear" partículas ou gotículas de incrustação por meio de manipulação hidrodinâmica. Quando comparados com dois cenários comuns de tratamento de águas residuais, como micropartículas de plástico e gotículas de óleo emulsionadas, nossos dispositivos de filtragem biomimética exibem durabilidade 2 a 3 vezes maior para filtragem de alto fluxo do que dispositivos com membrana comercial. Essa abordagem proposta de impressão 3D em membrana, unindo elegantemente os campos da microfluídica e da ciência de membranas, é fundamental para muitas outras aplicações em energia, sensoriamento, química analítica e engenharia biomédica.

A filtração e separação por membrana tem sido amplamente utilizada em aplicações biomédicas, de água e ambientais1,2,3,4,5,6. No amplo processo de purificação de água e filtragem de águas residuais, a água purificada permeia através da membrana, enquanto os contaminantes como micropartículas de plástico, gotículas de óleo e solutos são rejeitados pela membrana. Apesar das vantagens bem reconhecidas da filtração por membrana (ou seja, permeados de alta qualidade, baixo uso de espaço, fácil automação e controle), a incrustação e o entupimento da membrana continuam sendo um grande gargalo na filtração eficaz da água7,8,9,10. A integração do controle de transporte de massa por meio de membrana de filtração em dispositivos microfluídicos mostrou um crescimento substancial para o desenvolvimento de alto rendimento de soluções anti-incrustantes/entupimento11,12,13,14,15.

Atualmente, as estratégias anti-incrustação/obstrução são focadas principalmente no desenvolvimento de novos materiais de membrana16,17 e na modificação da superfície da membrana9,18,19,20. A química da superfície da membrana e a molhabilidade afetam muito a interação superfície-incrustante e a tendência de incrustação: a superfície da membrana com super-hidrofobicidade e oleofobicidade subaquática é desejada para mitigar a adesão de incrustantes17,21,22. Esforços intensivos de pesquisa demonstraram que o revestimento de superfície de óxido metálico9 e até mesmo materiais fotocatalíticos23,24 podem fazer com que a membrana exiba capacidade anti-incrustante superior em relação à repelência e degradação de incrustações orgânicas. Tais abordagens químicas têm sido difundidas por sua fácil implementação e alta taxa de recuperação de fluxo (FRR) (ver Fig. 1a). No entanto, além dos problemas de adesão/degradação do revestimento, muitas vezes surgem preocupações ambientais com o descarte de resíduos químicos. Como alternativa, a estratégia anti-incrustante/entupimento sem produtos químicos torna-se altamente atraente. A padronização da superfície, criando estruturas topológicas nas superfícies da membrana, pode manipular a hidrodinâmica local e a interação superfície-incrustante correspondente25,26,27,28,29,30. Com estruturas de superfície adequadamente projetadas, o campo de fluxo próximo à superfície da membrana pode ser controlado para inibir a deposição e o acúmulo de incrustantes, particularmente partículas ou gotículas de incrustantes de tamanho micro. Essas estruturas de membrana têm um tamanho comparável com gotículas de óleo na água produzida31 e fragmentos ou fibras de microplástico nocivos encontrados na análise do conteúdo do intestino do peixe32 (ver Fig. 1a). Além disso, ao regular o campo de velocidade local, a tensão de cisalhamento induzida na interface incrustante-membrana pode permitir ainda mais o desprendimento e remoção dos incrustantes28,33.