Modelage de micro-organismes et de microparticules par assemblage séquentiel assisté par capillarité

Summary

Nous présentons une technologie qui utilise l’assemblage assisté par capillarité dans une plate-forme microfluidique pour modeler des objets de taille micro en suspension dans un liquide, tels que des bactéries et des colloïdes, dans des réseaux prescrits sur un substrat de polydiméthylsiloxane.

Abstract

La modelage contrôlé des micro-organismes dans des arrangements spatiaux définis offre des possibilités uniques pour un large éventail d’applications biologiques, y compris des études de la physiologie microbienne et des interactions. Au niveau le plus simple, une modélisation spatiale précise des micro-organismes permettrait une imagerie fiable et à long terme d’un grand nombre de cellules individuelles et transformerait la capacité d’étudier quantitativement les interactions microbe-microbe dépendantes de la distance. De manière plus unique, le couplage d’une modélisation spatiale précise et d’un contrôle total des conditions environnementales, tel qu’offert par la technologie microfluidique, fournirait une plate-forme puissante et polyvalente pour les études unicellulaires en écologie microbienne.

Cet article présente une plate-forme microfluidique pour produire des modèles polyvalents et définis par l’utilisateur de micro-organismes dans un canal microfluidique, permettant un accès optique complet pour une surveillance à long terme et à haut débit. Cette nouvelle technologie microfluidique est basée sur l’assemblage de particules assisté par capillarité et exploite les forces capillaires résultant du mouvement contrôlé d’une suspension d’évaporation à l’intérieur d’un canal microfluidique pour déposer des objets microdimensionnels individuels dans un réseau de pièges microfabriqués sur un substrat de polydiméthylsiloxane (PDMS). Les dépôts séquentiels génèrent la disposition spatiale souhaitée d’un ou de plusieurs types d’objets de micro-taille, dictée uniquement par la géométrie des pièges et la séquence de remplissage.

La plate-forme a été calibrée à l’aide de particules colloïdales de différentes dimensions et matériaux: elle s’est avérée être un outil puissant pour générer divers motifs colloïdaux et effectuer la fonctionnalisation de surface des particules piégées. En outre, la plate-forme a été testée sur des cellules microbiennes, en utilisant des cellules d’Escherichia coli comme bactérie modèle. Des milliers de cellules individuelles ont été modelées à la surface et leur croissance a été surveillée au fil du temps. Dans cette plate-forme, le couplage du dépôt unicellulaire et de la technologie microfluidique permet à la fois la modélisation géométrique des micro-organismes et le contrôle précis des conditions environnementales. Il ouvre ainsi une fenêtre sur la physiologie des microbes isolés et l’écologie des interactions microbe-microbe, comme le montrent des expériences préliminaires.

Introduction

La modélisation spatiale de micro-organismes uniques, en particulier dans les arènes expérimentales qui permettent un contrôle total des conditions environnementales, telles que les dispositifs microfluidiques, est hautement souhaitable dans un large éventail de contextes. Par exemple, organiser les micro-organismes en réseaux réguliers permettrait l’imagerie précise d’un grand nombre de cellules individuelles et l’étude de leur croissance, de leur physiologie, de leur expression génique en réponse à des stimuli environnementaux et de leur susceptibilité aux médicaments. Il permettrait également d’étudier les interactions cellule-cellule présentant un intérêt particul....

Protocol

1. Préparation du maître de silicium

REMARQUE: Les modèles PDMS portant les pièges microfabriqués qui forment le modèle pour les motifs colloïdaux et microbiens ont été fabriqués selon la méthode introduite par Geissler et al. ¹⁷. Le maître de silicium a été préparé par lithographie conventionnelle dans une salle blanche. Reportez-vous aux étapes suivantes pour la procédure et à la table des matériaux pour l’équipement.

1. Concevez les fonctionnalités à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO).
2. Préparez le masque en verre chr....

Results

Une plate-forme microfluidique qui exploite l’assemblage assisté par capillarité pour modeler des particules colloïdales et des bactéries dans des pièges microfabriqués sur un modèle PDMS a été développée. Deux géométries de canaux différentes ont été conçues pour optimiser le modelage des colloïdes et des bactéries grâce à l’assemblage assisté par capillarité. La première géométrie du canal (figure 1B) se compose de trois sections parallèles de 23 mm de long sans barrière physique entre ell.......

Discussion

La plate-forme microfluidique décrite ici permet de modeler des objets de taille micro, tels que des colloïdes et des bactéries, dans des arrangements spatiaux prescrits sur un substrat PDMS. Le contrôle total des conditions environnementales offertes par la microfluidique et la capacité de modeler les cellules avec une précision micrométrique accordée par la technologie sCAPA en font une plate-forme très prometteuse pour les futures études de physiologie et d’écologie.

Dans les expériences pr.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alcatel AMS 200SE I-Speeder	micro-usinage Alcatel Système d’échange		d’ions réactif profond
Détergent Alconox
AZ400K développeur	MicroChemicals	AZ400K
BD 10 mL Seringue (Luer-Lock)	BD	300912	utilisé pour rincer le bouillon de Lysogeny frais dans le canal microfluidique
Boîte	Incubateur Vie Services d’imagerie		utilisés pour assurer une température uniforme et constante dans le canal
Centrifugeuse	Eppendorf	5424R	utilisée pour remplacer le milieu de nuit par un milieu frais minimal
Flacon de centrifugeuse	Eppendorf	30120086	1,5 mL
CETONI Base 120	Pompe à seringue	CETONI GmbH
Particules PS fluorescentes de diamètre 0,98 & micro ; m (red)	microParticles GmbH	PS-FluoRed-Fi267
Particules de PS fluorescentes de diamètre 1,08 µ ; m (green)	microParticles GmbH	PS-FluoGreen-Fi182
Particules de PS fluorescentes de diamètre 2,07 & micro ; m (green)	microParticles GmbH	PS-FluoGreen-Fi183
Particules de PS fluorescentes de diamètre 2,08 µ ; m (red)	microParticles GmbH	PS-FluoRed-Fi180
Gigabatch 310 M	PVA TePla		utilisé pour le traitement au plasma d’une plaquette de silicium de 10 cm
H401-T-CONTROLLER	Contrôleur Okolab		de la plaque de verre chauffante
H601-NIKON-TS2R-GLASS	Plaque de verre chauffante	Okolab
Heidelberg DWL 2000	Heidelberg Instruments		Laser direct UV sacerdoce
Seringues à insuline, U 100, avec luer	Codan Medical ApS	CODA621640	seringue de 1 mL utilisée pour prélever la suspension liquide pendant le processus de structuration
Klayout	Opensource		a utilisé pour concevoir les caractéristiques du master en silicium
LB Broth, Miller (Luria-Bertani)	Fisher Scientific	244610	Bouillon de lysogénie rincé dans le canal microfluidique
Masterflex tube de transfert	Masterflex	HV-06419-05	0.020'' ID, 0.06''
OD MOPS (10x)	Teknova	M2101	dilué dix fois avec de l’eau milliQ et utilisé pour remplacer le microscope de nuit
moyen Nikon Eclipse Ti2	Nikon Instruments
openSCAD Opensource			utilisé pour concevoir le moule
OPTIspin SB20	ATM group	51-0002-01-00	développeur de spin
Chambre à plasma Zepto	Diener Électronique	ZEPTO-1	utilisé pour traiter au plasma le modèle et le microcanal pour les lier
Photorésine positive AZ1505	MicroChemicals	AZ1505
Phosphate de potassium dibasique	Sigma Aldrich	P3786	ajouté à MOPS 1x
Prusa machine de durcissement et de lavage CW1S	Prusa		utilisé pour s’assurer que tout le polymère est durci et que le polymère non polymérisé est retiré du moule
Résine Prusa - Tough	Prusa Research a.s.		Résine liquide photosensible UV 405nm pour l’impression 3D
Imprimante 3D Prusa SL1	Prusa		utilisée pour imprimer le moule
Balance	VWR-CH	611-2605	utilisée pour peser le mélange PDMS
Plaquette de silicium (10 cm)	Silicon Materials Inc.		N/Phos < 100> 1-10 & Oméga ; cm
Sü ; ss MA6 Aligneur de masque	SUSS MicroTec Group		utilisé pour aligner le masque en verre chromé et le substrat, et exposer le substrat
Sylgard 184	Dow Corning		kit d’élastomère de silicone ; agent de durcissement
Techni Etch Cr01	Technic		chrome mordançant
Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyle) silane	Sigma Aldrich	448931	utilisé pour silianiser le moule imprimé en 3D
TWEEN 20	Sigma Aldrich	P1379	utilisé pour assurer un angle de contact optimal pendant le processus de modelage
Veeco Dektak 6 M	Veeco		profilomètre
VTC-100 Vacuum Spin Coater	MTI corporation		coater