Triply periodic minimal sheet-based antimicrobial filters and beads. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF sheikha_thesis_Revised_Apr2026_2.pdf Restricted to Repository staff only until 15 April 2027. Download (10MB)

Arabic Abstract

يمثّل التلوث البكتيري داخل أنظمة مناولة السوائل والأنابيب الطبية الحيوية خطراً مستمراً، ولا سيما في البيئات التي تتضمن سلالات مقاومة للمضادات الحيوية. وتوفّر المعقّمات الكيميائية التقليدية تخفيفاً مؤقتاً فحسب، كما أنها تثير مخاوف تتعلق بالتكيف الحيوي وتطوّر المقاومة لدا الباكتيريا. هنا، نقدّم منهجاًً فيزيائياً للتأثير المضاد للبكتيري من خلال دمج شبكة نحاسية مُهندسة مكوّنة من النحاس الصلب النقي. وعلى خلاف معظم الأعمال السابقة التي تعتمد على الطلاءات أو الإضافات الأيونية المعدنية أو العوامل المضادة للميكروبات على سطح الهياكل، نقوم بتشكيل النحاس في بُنى معقدة تضمن إمداداً مستمراً من أيونات النحاس، وبالتالي توفير تأثير مضاد للميكروبات على نحو مستدام. نشير إلى هذه البنية النحاسية المُهندسة باسم "الأسطوانة النحاسية الشبكية". ويمكن لمثل هذا المكوّن أن يعمل كمرشح مباشر مدمج في الأنابيب، فضلاً عن كونه عنصراً مضاداً للميكروبات في المبادلات الحرارية والخلاطات والتي تنتج شبكات مسامية نحاسية باستخدام هندسيات السطوح الدنيا ثلاثية الدوريات وعالية الترابط قادرة وقادرة على حجز البكتيريا فيزيائياً وزيادة مدة بقائها، وبالتالي زيادة مدة ملامستها لأسطح النحاس. وبذلك يُمكَّن ويُتحكّم في تثبيط النشاط البكتيري دون الحاجة إلى إضافات كيميائية مباشرة. تقترح هذه الدراسة إطاراً لتصميم وتصنيع وتقييم الأسطوانات النحاسية الشبكية المُنتَجة عبر الصب المساعد بالتصنيع وقد جرى تقييم وحدات أسطوانية شبكية ذات طوبولوجيا ثالثي الابعاد ولكن بكثافة نسبية ثابتة، مقارنة بثلاثة ضوابط: نظام غير مُرشَّح، أسطوانة صلبة متجانسة، وأنبوب نحاسي، وجميعها تحتوي على الكتلة الكلية نفسها من النحاس. وتم تقييم الأداء المضاد للبكتيريا باستخدام الإشريكية القولونية كنموذج تمثيلي لبكتيريا سالبة الغرام. اختبرنا العينات المُصنّعة في كل من الاختبارات الساكنة والظروف الديناميكية باستخدام نظام حلقة مياه مغلقة. وتمت مقارنة القياسات المضادة للميكروبات المستخلصة من اختبارات الكثافة الضوئية بنسبة السطح إلى الحجم وبالالتواء الطوبولوجي لكل عيّنة لتحديد الارتباطات بين الهندسة والتأثير المضاد للميكروبات.

English Abstract

Bacterial contamination within fluid-handling systems and biomedical tubing poses a persistent risk, particularly in settings involving pathogenic or antibiotic-resistant strains. Conventional chemical disinfectants provide only temporary mitigation and introduce concerns related to stability, biocompatibility, and resistance development. Here, we present a materials-based and physical approach to antibacterial action that integrates a copper-architected lattice made from pure solid copper. Unlike most prior work that relies on coatings, metallic ion additives, or antimicrobial agents, we overcome the challenge of shaping copper into intricate architectures that ensure a continuous supply of copper ions, therewith providing a sustained antimicrobial effect. We refer to this architected copper lattice as a latticed copper cylinder. Such a component can function as a direct in-line filter for tubing, as well as an antimicrobial element in heat exchangers and mixers. The copper lattice is constructed using triply periodic minimal surface (TPMS) geometries, which generate continuous, highly interconnected porous networks capable of physically trapping bacteria and increasing their residence time, and so their contact duration with copper surfaces. Hence, enable and control the suppression of bacterial activity without the need for direct chemical additives. This work proposes a framework for the design, fabrication, and experimental assessment of latticed copper cylinders produced via additive-manufacturing-assisted casting (lost-wax method). Cylindrical lattice units with varying TPMS topologies, but fixed relative density, were evaluated against three reference cases: an unfiltered system (i.e., without a lattice or copper cylinder), a solid cylinder, and a hollow cylinder with a central hole (i.e., a thick tube), each containing the same total mass of copper. Antibacterial performance was assessed using Escherichia coli as a representative Gram-negative model organism. Unless otherwise stated, the solid cylinder is referred to as the control throughout this thesis. We tested the fabricated samples under both static assays and dynamic conditions using a closed-water-loop system. Antimicrobial measurements obtained from optical density assays were compared against the surface-to-volume ratio and topological tortuosity of each sample to identify correlations between geometry and antimicrobial effect.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Engineering Research Mechanical
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Thesis Advisor:	Ahmed Dalaq,
Thesis Committee Members:	Amjad Khalil, Tanzil Ur Rahman,
Depositing User:	SHEIKHA ALJNAA (g202301170)
Date Deposited:	19 Apr 2026 11:21
Last Modified:	19 Apr 2026 11:21
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144128