Strukturierung von Mikroorganismen und Mikropartikeln durch sequentielle kapillaritätsunterstützte Montage

Summary

Wir stellen eine Technologie vor, die kapillaritätsunterstützte Montage in einer mikrofluidischen Plattform verwendet, um in einer Flüssigkeit suspendierte Objekte in Mikrogröße, wie Bakterien und Kolloide, in vorgeschriebene Arrays auf einem Polydimethylsiloxansubstrat zu strukturieren.

Abstract

Die kontrollierte Strukturierung von Mikroorganismen in definierte räumliche Anordnungen bietet einzigartige Möglichkeiten für ein breites Spektrum biologischer Anwendungen, einschließlich Studien der mikrobiellen Physiologie und Interaktionen. Auf der einfachsten Ebene würde eine genaue räumliche Strukturierung von Mikroorganismen eine zuverlässige, langfristige Bildgebung einer großen Anzahl einzelner Zellen ermöglichen und die Fähigkeit zur quantitativen Untersuchung von entfernungsabhängigen Mikroben-Mikroben-Interaktionen verändern. Noch einzigartiger ist, dass die Kopplung genauer räumlicher Musterung und voller Kontrolle über Umweltbedingungen, wie sie die mikrofluidische Technologie bietet, eine leistungsstarke und vielseitige Plattform für Einzelzellstudien in der mikrobiellen Ökologie bieten würde.

Dieser Beitrag stellt eine mikrofluidische Plattform vor, um vielseitige und benutzerdefinierte Muster von Mikroorganismen innerhalb eines mikrofluidischen Kanals zu erzeugen, die einen vollständigen optischen Zugriff für eine langfristige Überwachung mit hohem Durchsatz ermöglichen. Diese neue mikrofluidische Technologie basiert auf einer kapillaritätsunterstützten Partikelanordnung und nutzt die Kapillarkräfte, die sich aus der kontrollierten Bewegung einer verdampfenden Suspension in einem mikrofluidischen Kanal ergeben, um einzelne mikroskalierte Objekte in einer Reihe von Fallen abzuscheiden, die mikrofabriziert auf einem Polydimethylsiloxan (PDMS) -Substrat liegen. Sequenzielle Ablagerungen erzeugen das gewünschte räumliche Layout einzelner oder mehrerer Arten von Objekten in Mikrogröße, die ausschließlich durch die Geometrie der Fallen und die Füllreihenfolge bestimmt werden.

Die Plattform wurde mit kolloidalen Partikeln unterschiedlicher Größe und Materialien kalibriert: Sie hat sich als leistungsfähiges Werkzeug erwiesen, um verschiedene kolloidale Muster zu erzeugen und eine Oberflächenfunktionalisierung von eingeschlossenen Partikeln durchzuführen. Darüber hinaus wurde die Plattform an mikrobiellen Zellen getestet, wobei Escherichia coli-Zellen als Modellbakterium verwendet wurden. Tausende von einzelnen Zellen waren auf der Oberfläche strukturiert und ihr Wachstum wurde im Laufe der Zeit überwacht. In dieser Plattform ermöglicht die Kopplung von Einzelzellabscheidung und mikrofluidischer Technologie sowohl die geometrische Strukturierung von Mikroorganismen als auch die präzise Kontrolle der Umgebungsbedingungen. Es öffnet sich damit ein Fenster in die Physiologie einzelner Mikroben und die Ökologie von Mikroben-Mikroben-Interaktionen, wie vorexperimentelle Experimente gezeigt haben.

Introduction

Die räumliche Strukturierung einzelner Mikroorganismen, insbesondere in experimentellen Arenen, die die volle Kontrolle über Umweltbedingungen ermöglichen, wie z. B. mikrofluidische Geräte, ist in einer Vielzahl von Kontexten sehr wünschenswert. Zum Beispiel würde die Anordnung von Mikroorganismen in regulären Arrays die genaue Abbildung einer großen Anzahl einzelner Zellen und die Untersuchung ihres Wachstums, ihrer Physiologie, ihrer Genexpression als Reaktion auf Umweltreize und ihrer Arzneimittelempfindlichkeit ermöglichen. Es würde auch die Untersuchung von Zell-Zell-Interaktionen von besonderem Interesse für die Erforschung der zellulären Kommunikation (z. B. Qu....

Protocol

1. Vorbereitung auf Silikon-Master

HINWEIS: Die PDMS-Schablonen mit den mikrofabrizierten Fallen, die die Schablone für die kolloidale und mikrobielle Musterung bilden, wurden nach der von Geissler et al. eingeführten Methode hergestellt. ¹⁷. Auflage. Der Siliziummaster wurde durch konventionelle Lithographie in einem Reinraum hergestellt. In den folgenden Schritten finden Sie das Verfahren und die Materialtabelle für die Ausrüstung.

1. Entwerfen Sie die Funktionen mit CAD-Software (Computer Aided Design).
2. Bereiten Sie die Chromglasmaske mit einer S....

Results

Es wurde eine mikrofluidische Plattform entwickelt, die die kapillaritätsunterstützte Montage nutzt, um kolloidale Partikel und Bakterien zu Fallen zu strukturieren, die auf einer PDMS-Schablone mikrofabriziert sind. Zwei verschiedene Kanalgeometrien wurden entwickelt, um die Strukturierung von Kolloiden und Bakterien durch die kapillaritätsunterstützte Montage zu optimieren. Die erste Kanalgeometrie (Abbildung 1B) besteht aus drei 23 mm langen parallelen Abschnitten ohne physische Barriere .......

Discussion

Die hier beschriebene mikrofluidische Plattform ermöglicht die Strukturierung von mikrogroßen Objekten wie Kolloiden und Bakterien in vorgeschriebene räumliche Anordnungen auf einem PDMS-Substrat. Die volle Kontrolle über die Umweltbedingungen, die die Mikrofluidik bietet, und die Fähigkeit, Zellen mit mikrometrischer Präzision zu strukturieren, die durch die sCAPA-Technologie gewährleistet wird, machen es zu einer vielversprechenden Plattform für zukünftige physiologische und ökologische Studien.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alcatel AMS 200SE I-Speeder	Alcatel Micro Machining System		Tiefenreaktives Ionenaustauschsystem
Alconox-Reinigungsmittel
AZ400K Entwickler	MicroChemicals	AZ400K
BD 10 mL Spritze (Luer-Lock)	BD	300912	zum Spülen von frischer Lysogen-Brühe in den mikrofluidischen Kanal
Box Inkubator	Lebensdauer Bildgebungsdienstleistungen		zur Gewährleistung einer gleichmäßigen und konstanten Temperatur im Kanal
Zentrifuge	Eppendorf	5424R	wird verwendet, um das Übernachtmedium durch frische, minimale Medien zu ersetzen
Zentrifugenfläschchen	Eppendorf	30120086	1,5 mL
CETONI Base 120	CETONI GmbH		Spritzenpumpe
Fluoreszierende PS-Partikel mit einem Durchmesser von 0,98 & Mikro; m (red)	microParticles GmbH	PS-FluoRed-Fi267
Fluoreszierende PS-Partikel mit einem Durchmesser von 1,08 &μ; m (green)	microParticles GmbH	PS-FluoGreen-Fi182
Fluoreszierende PS-Partikel mit Durchmesser 2,07 & Mikro; m (green)	microParticles GmbH	PS-FluoGreen-Fi183
Fluoreszierende PS-Partikel mit Durchmesser 2,08 &; micro; m (red)	microParticles GmbH	PS-FluoRed-Fi180
Gigabatch 310 M	PVA TePla		zur Plasmabehandlung eines 10 cm Siliziumwafers
H401-T-CONTROLLER	Okolab-Controller		der beheizten Glasplatte
H601-NIKON-TS2R-GLAS	Okolab		beheizte Glasplatte
Heidelberg DWL 2000	Heidelberg Instruments		UV-Direktlaser Schriftsteller
Insulinspritzen, U 100, mit Luer	Codan Medical ApS	CODA621640	1 mL Spritze zur Entnahme der flüssigen Suspension während des Strukturierungsprozesses
Klayout	Opensource		zur Gestaltung der Merkmale auf dem Silikon-Master
LB Brühe, Miller (Luria-Bertani)	Fisher Scientific	244610	Lysogene Bouillon, die in den mikrofluidischen Kanal gespült
wird Masterflex Transferschlauch	Masterflex	HV-06419-05	0,020'' ID, 0,06'' OD
MOPS (10x)	Teknova	M2101	zehnfach mit milliQ Wasser verdünnt und als Ersatz für das Nachtmedium
Nikon Eclipse Ti2	Nikon Instruments		Mikroskop
openSCAD	Opensource		zur Gestaltung der Form
OPTIspin SB20	ATM-Gruppe	51-0002-01-00	Spin-Entwickler
Plasmakammer Zepto	Diener Electronic	ZEPTO-1	zur Plasmabehandlung des Templates und des Mikrokanals, um sie zu verbinden
Positiver Fotolack AZ1505	Mikrochemikalien	AZ1505
Kaliumphosphat zweibasisch	Sigma Aldrich	P3786	zu MOPS hinzugefügt 1x
Prusa Härtungs- und Waschmaschine CW1S	Prusa		wird verwendet, um sicherzustellen, dass das gesamte Polymer ausgehärtet und das nicht ausgehärtete Polymer aus der Form entfernt wird
Prusa-Harz - Tough	Prusa Research a.s.		UV-lichtempfindliches 405 nm flüssiges Harz für den 3D-Druck
Prusa SL1 3D-Drucker	Prusa		zum Drucken der Form Skala
	VWR-CH	611-2605	zum Gewichten der PDMS-Mischung
verwendet Siliziumwafer (10 cm)	Silicon Materials Inc.		N/Phos < 100> 1-10 Ω cm
Sü ss MA6 Mask Aligner	SUSS MicroTec Group		zur Ausrichtung der Chrom-Glas-Maske und des Substrats und zur Freilegung des Substrats
Sylgard 184	Dow Corning		Silikonelastomer-Kit; Härter
Techni Etch Cr01	Technic		Chromätzmittel
Trichlor (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl) Silan	Sigma Aldrich	448931	zur Silanisierung der 3D-gedruckten Form verwendet
TWEEN 20	Sigma Aldrich	P1379	wird verwendet, um einen optimalen Rückzugswinkel während des Strukturierungsprozesses zu gewährleisten
Veeco Dektak 6 M	Veeco		Profilometer
VTC-100 Vakuum-Spin-Coater	MTI Corporation		Vakuum-Spin-Coater