Modelado de microorganismos y micropartículas a través del ensamblaje secuencial asistido por capilaridad

Summary

Presentamos una tecnología que utiliza el ensamblaje asistido por capilaridad en una plataforma microfluídica para modelar objetos de tamaño micro suspendidos en un líquido, como bacterias y coloides, en matrices prescritas en un sustrato de polidimetilsiloxano.

Abstract

El modelado controlado de microorganismos en arreglos espaciales definidos ofrece posibilidades únicas para una amplia gama de aplicaciones biológicas, incluidos estudios de fisiología e interacciones microbianas. En el nivel más simple, el patrón espacial preciso de microorganismos permitiría obtener imágenes confiables a largo plazo de un gran número de células individuales y transformaría la capacidad de estudiar cuantitativamente las interacciones microbio-microbio dependientes de la distancia. De manera más singular, el acoplamiento de patrones espaciales precisos y el control total sobre las condiciones ambientales, como lo ofrece la tecnología microfluídica, proporcionaría una plataforma poderosa y versátil para estudios unicelulares en ecología microbiana.

Este documento presenta una plataforma microfluídica para producir patrones de microorganismos versátiles y definidos por el usuario dentro de un canal microfluídico, lo que permite un acceso óptico completo para un monitoreo a largo plazo y de alto rendimiento. Esta nueva tecnología microfluídica se basa en el ensamblaje de partículas asistido por capilaridad y explota las fuerzas capilares que surgen del movimiento controlado de una suspensión evaporadora dentro de un canal microfluídico para depositar objetos individuales de tamaño micrométrico en una serie de trampas microfabricadas sobre un sustrato de polidimetilsiloxano (PDMS). Las deposiciones secuenciales generan el diseño espacial deseado de uno o varios tipos de objetos de tamaño micro, dictado únicamente por la geometría de las trampas y la secuencia de relleno.

La plataforma ha sido calibrada utilizando partículas coloidales de diferentes dimensiones y materiales: ha demostrado ser una herramienta poderosa para generar diversos patrones coloidales y realizar la funcionalización superficial de partículas atrapadas. Además, la plataforma se probó en células microbianas, utilizando células de Escherichia coli como bacteria modelo. Miles de células individuales fueron modeladas en la superficie, y su crecimiento fue monitoreado a lo largo del tiempo. En esta plataforma, el acoplamiento de la deposición unicelular y la tecnología microfluídica permite tanto el modelado geométrico de microorganismos como el control preciso de las condiciones ambientales. Por lo tanto, abre una ventana a la fisiología de los microbios individuales y la ecología de las interacciones microbio-microbio, como lo demuestran los experimentos preliminares.

Introduction

El modelado espacial de microorganismos individuales, particularmente dentro de ámbitos experimentales que permiten un control total sobre las condiciones ambientales, como los dispositivos microfluídicos, es muy deseable en una amplia gama de contextos. Por ejemplo, la organización de microorganismos en matrices regulares permitiría la obtención de imágenes precisas de un gran número de células individuales y el estudio de su crecimiento, fisiología, expresión génica en respuesta a estímulos ambientales y susceptibilidad a los medicamentos. También permitiría estudiar las interacciones célula-célula de particular interés en la investigación de la comunicación celular....

Protocol

1. Preparación maestra de silicio

NOTA: Las plantillas PDMS que llevan las trampas microfabricadas que forman la plantilla para patrones coloidales y microbianos se fabricaron de acuerdo con el método introducido por Geissler et al. ¹⁷. El maestro de silicio fue preparado por litografía convencional en una sala blanca. Consulte los siguientes pasos para conocer el procedimiento y la Tabla de materiales para el equipo.

1. Diseñe las características utilizando software de diseño asistido por computadora (CAD).
2. Prepare la máscara de vidrio cromado con ....

Results

Se desarrolló una plataforma microfluídica que explota el ensamblaje asistido por capilaridad para modelar partículas coloidales y bacterias en trampas microfabricadas en una plantilla PDMS. Se han diseñado dos geometrías de canal diferentes para optimizar el modelado de coloides y bacterias a través del ensamblaje asistido por capilaridad. La primera geometría del canal (Figura 1B) consta de tres secciones paralelas de 23 mm de largo sin barrera física entre ellas. Las dos secciones en los .......

Discussion

La plataforma microfluídica descrita aquí permite el modelado de objetos de tamaño micro, como coloides y bacterias, en arreglos espaciales prescritos en un sustrato PDMS. El control total sobre las condiciones ambientales que ofrece la microfluídica y la capacidad de modelar células con precisión micrométrica otorgada por la tecnología sCAPA lo convierten en una plataforma muy prometedora para futuros estudios de fisiología y ecología.

En los experimentos presentados en este trabajo, el maest.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alcatel AMS 200SE I-Speeder	Sistema de micromecanizado Alcatel sistema de		intercambio iónico reactivo profundo
Detergente	Alconox
Revelador AZ400K	MicroChemicals	AZ400K
BD Jeringa de 10 mL (Luer-Lock)	BD	300912	utiliza para enjuagar caldo fresco de Lysogeny en el canal microfluídico
Incubadora de cajas	Life Servicios de imagen		utilizados para garantizar una temperatura uniforme y constante en el canal
Centrífuga	Eppendorf	5424R	utilizada para reemplazar los medios nocturnos con medios mínimos frescos
Vial de centrífuga	Eppendorf	30120086	1,5 mL
CETONI Base 120 CETONI	GmbH		bomba de jeringa
Partículas fluorescentes de PS de diámetro 0,98 y micro; m (rojo)	microParticles GmbH	PS-FluoRed-Fi267
Partículas PS fluorescentes de diámetro 1,08 &; m (verde)	microParticles GmbH	PS-FluoGreen-Fi182
Partículas PS fluorescentes de diámetro 2,07 y micro; m (verde)	microParticles GmbH	PS-FluoGreen-Fi183
Partículas fluorescentes de PS de diámetro 2,08 y micro; m (rojo)	microParticles GmbH	PS-FluoRed-Fi180
Gigabatch 310 M	PVA TePla		utilizado para tratar con plasma una oblea de silicio de 10 cm
H401-T-CONTROLLER	Controlador Okolab		de la placa de vidrio calentada
H601-NIKON-TS2R-GLASS	Placa de vidrio calefactada	Okolab
Heidelberg DWL 2000	Heidelberg Instruments		Láser directo UV escritor
Jeringas de insulina, U 100, con Luer	Codan Medical ApS	CODA621640	Jeringa de 1 mL utilizada para extraer la suspensión líquida durante el proceso de modelado
Klayout	Opensource		utilizado para diseñar las características en el silicio master
LB Broth, Miller (Luria-Bertani)	Fisher Scientific	244610	Caldo de lisogenia enjuagado en el canal microfluídico
Masterflex tubo de transferencia	Masterflex	HV-06419-05	0.020'' ID, 0.06'' OD
MOPS (10x)	Teknova	M2101	diluido diez veces con agua miliQ y utilizado para reemplazar el medio
nocturno Nikon Eclipse Ti2	Microscopio	Nikon Instruments
openSCAD	Opensource		utilizado para diseñar el molde
OPTIspin SB20	ATM group	51-0002-01-00	centrifugado
Cámara de plasma Zepto	Diener Electrónica	ZEPTO-1	utilizada para tratar con plasma la plantilla y el microcanal para unirlos
Fotorretraje positivo AZ1505	MicroChemicals	AZ1505
Fosfato de potasio dibásico	Sigma Aldrich	P3786	añadido a MOPS 1x
Prusa Máquina de curado y lavado CW1S	Prusa		se utiliza para garantizar que todo el polímero esté curado y el polímero sin curar se retire del molde Resina
Prusa - Tough	Prusa Research a.s.		Resina líquida fotosensible UV de 405 nm para impresión 3D
Prusa SL1 Impresora 3D	Prusa		utilizada para imprimir el molde
Escala	VWR-CH	611-2605	utilizada para pesar la mezcla de PDMS
Oblea de silicona (10 cm)	Silicon Materials Inc.		N/Phos < 100> 1-10 y Omega; cm
Sü ss MA6 Alineador de mascarillas	SUSS MicroTec Group		utilizado para alinear la mascarilla de cromo-vidrio y el sustrato, y exponer el sustrato
Sylgard 184	Dow Corning		kit de elastómero de silicona; agente de curado
Techni Etch Cr01	Técnico		Grabador de cromo
Tricloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctilo) silano	Sigma Aldrich	448931	utilizado para silianizar el molde impreso en 3D
TWEEN 20	Sigma Aldrich	P1379	utilizado para garantizar un ángulo de contacto de retroceso óptimo durante el proceso de modelado
Veeco Dektak 6 M	Perfilómetro	Veeco
VTC-100 Recubridor de centrifugado al vacío	MTI Corporation