Una plataforma microfluídica para estudiar la bioobstrucción en medios porosos

Resumen

El presente protocolo describe una plataforma microfluídica para estudiar el desarrollo de biopelículas en medios porosos cuasi-2D mediante la combinación de imágenes de microscopía de alta resolución con mediciones simultáneas de diferencia de presión. La plataforma cuantifica la influencia del tamaño de poro y las tasas de flujo de fluidos en medios porosos en la bioobstrucción.

Resumen

Las biopelículas bacterianas se encuentran en varios medios porosos ambientales e industriales, incluidos los suelos y las membranas de filtración. Las biopelículas crecen bajo ciertas condiciones de flujo y pueden obstruir los poros, redirigiendo así el flujo de fluido local. La capacidad de las biopelículas para obstruir los poros, la llamada bioobstrucción, puede tener un efecto tremendo en la permeabilidad local del medio poroso, creando una acumulación de presión en el sistema e impactando el flujo másico a través de él. Para comprender la interacción entre el crecimiento de la biopelícula y el flujo de fluidos en diferentes condiciones físicas (por ejemplo, a diferentes velocidades de flujo y tamaños de poro), en el presente estudio, se desarrolla una plataforma microfluídica para visualizar el desarrollo de la biopelícula utilizando un microscopio bajo condiciones físicas controladas e impuestas externamente. La acumulación de presión inducida por la biopelícula en el medio poroso se puede medir simultáneamente utilizando sensores de presión y, más tarde, correlacionarse con la cobertura superficial de la biopelícula. La plataforma presentada proporciona una línea de base para un enfoque sistemático para investigar la bioobstrucción causada por biopelículas en medios porosos en condiciones de flujo y se puede adaptar para estudiar aislados ambientales o biopelículas multiespecies.

Introducción

Las biopelículas (colonias bacterianas incrustadas en una matriz autosecretada de sustancias extrapoliméricas (EPS), son ubicuas en medios porosos naturales, como suelos y acuíferos¹, y aplicaciones técnicas y médicas, como biorremediación², filtración de agua³ y dispositivos médicos⁴. La matriz de biofilm está compuesta por polisacáridos, fibras proteicas y ADN extracelular^5,6, y depende fuertemente de los microorganismos, la disponibilidad de nutrientes^, así como las condiciones ambientales⁷

Protocolo

1. Preparación de obleas de silicio

1. Diseñe las geometrías del canal microfluídico en el software de diseño asistido por computadora (CAD; consulte la Tabla de materiales) e imprímalo en una película transparente para crear la fotomáscara (Figura 1A).
2. Fabrice el molde maestro mediante litografía suave (en condiciones de sala limpia) siguiendo los pasos a continuación.
   1. Hornear la oblea de silicio a 200 °C durante 2 h.
   2. Coloque la oblea en el centro de una centrifugadora y vierta SU8 3050 fotorresistente (consulte la Tabla de materiales) en la oblea. Capa....

Resultados

Para el presente estudio, se utilizó un dispositivo microfluídico con tres canales microfluídicos paralelos con diferentes tamaños de poro (Figura 1) para estudiar sistemáticamente la formación de biopelículas en medios porosos. El proceso de formación de biopelículas se visualizó utilizando microscopía de campo claro. Las células bacterianas y la biopelícula aparecieron en las imágenes como píxeles más oscuros (Figura 2). Además, se observó un proceso gradual d.......

Discusión

Los análogos de medios porosos microfluídicos junto con sensores de presión proporcionan una herramienta adecuada para estudiar el desarrollo de biopelículas en medios porosos. La versatilidad en el diseño del medio poroso microfluídico, específicamente la disposición de los pilares, incluido el diámetro, las formas irregulares y el tamaño de poro, permite la investigación de muchas geometrías. Estas geometrías van desde poros individuales hasta obstáculos altamente complejos y dispuestos irregularmente que imitan difere.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Filtro de jeringa Acrodisc 25 mm, 1.2 y micro; m Membrana Versapor	Pall Corporation	PN4190	1.2 µ Filtros m
BD 10 mL Jeringa (Luer-Lock)	BD	300912	utiliza para llenar el canal con agua desionizada
Incubadora de caja	Life Imaging Services		solía tener una temperatura estable durante el experimento de crecimiento de la biopelícula
Densímetro celular CO8000	Medidor de diámetro exterior	de bioonda
Vial de centrífuga	Eppendorf	30120086	1,5 mL
CETONI Base 120	CETONI GmbH		bomba de jeringa
CorelCAD	CorelDRAW		Software utilizado para el diseño de las geometrías de los canales microfluídicos
Tubos de cultivo (14 mL, estériles)	greiner bio-one		Tubos de cultivo
Horno de secado, VENTI-Line	Horno VWR		para curar el PDMS
Handy	Migros		Solución detergente
Caliente placa con control de temperatura	VRW		para curar la unión PDMS-vidrio después del tratamiento con plasma
ImageJ	FIJI		Software de análisis de imágenes
Innova 42 Inc Shaker (New Brunswick)	Incubadora Eppendorf
Isopropanol (> 99.8%)	Sigma Aldrich	67-63-0
Tubo de transferencia Masterflex	Masterflex HV-06419-05		0.020'' ID, 0.06''
OD Micro Portaobjetos, Liso, 75 x 60 mm	Corning	2947-75X50	Portaobjetos de vidrio
Sensor de presión microfluídico (1 bar)	Elveflow		Perforadora
biopsia Miltex, diámetro 1,5 mm	Integra		Puncher para hacer los orificios de entrada y salida del canal microfluídico
mrDev600 revelador	Microresist
Nikon Eclipse Ti2	Nikon Instruments		Microscopio
Caldo de nutrientes n° 3	Jeringa Sigma Aldrich
Omnifix con jeringas Luer-Lock	B.Braun		de diferentes volúmenes
Cámara de plasma Zepto	Diener Electronic	ZEPTO-1	utilizado para unir por plasma el PDMS y el portaobjetos de vidrio
Toallitas de precisión (Kimtech Science)	Kimberly Clark	KCP-7552	para secar el portaobjetos
de vidrio Báscula	VWR-CH	611-2605	utilizada para pesar la relación entre el elastómero y el agente reticulante
Oblea de silicio (10 cm)	Silicon Materials Inc.		N//Phos < 100> 1-10 y Omega;
cm Hilandera, Módulo de centrifugado SM150	Sawatec
SU8 3050 Fotorresistente	Kayakuam
Sü ss MA6 Alineador de mascarillas	SUSS MicroTec Group		utilizado para alinear la mascarilla de cromo-vidrio
Sylgard 184	Dow Corning		kit de elastómero de silicona; agente de curado
Techni Etch Cr01	Technic		Technic
Placa de cultivo de tejidos 150	TPP	93150
Tricloro (1H, 1H, 2H, 2H perfluorooctyl) silano	Sigma Aldrich	Sigma Aldrich	utilizado para silanizar la oblea de silicano
Veeco Dektak 6 M	Veeco		Profilometer

WPA Sensores de presión de