3 במאי 2010
מכשירים microfluidic יכול לשמש כדי לחזות תהליכים טבעיים מורכבים בזמן אמת על המאזניים פיזי המתאים. פיתחנו מכשיר microfluidic פשוט המחקה התכונות העיקריות של התקשורת נקבובי טבעי ללימוד הצמיחה הובלה של חיידקים מתחת לפני הקרקע.
אנו מדגימים כי באמצעות שימוש במכשירי eco chip, ניתן לשמור על מבנים פיזיים ועמודי לחץ קבועים או לשנות אותם. בעוד שהשפעת הכימיה של הפני surfaces, תכונות הנוזל או מאפייני החלקיקים או המיקרובים נחקרים באופן שיטתי באמצעות ניסויי הובלה המשתמשים בזן חיידקים VIO שאינו פתוגני ומבטא חלבון פלואורסצנטי ירוק, אנו מדגימים את חשיבותם של מבנה בית הגידול, תנאי הזרימה וגודל התוסיף (inoculum) על תופעות הובלה בסיסיות. תוכנה למיקרופלואידיקה המעניקה מבט מרתק על עולם נסתר.
שלום, אני דמיטרי מרקר ממכון ונדרבילט לחינוך לשיקום ביו-מערכות אינטגרטיבי (Vanderbilt Institute for Integrative Biosystem Restoration Education) באוניברסיטת ונדרבילט. ואני דייוויד שייפר, מהנדס מחקר ופיתוח כאן במעבדות Viro. שלום, אני לסלי שו מהמחלקה להנדסת חומרים כימיים והנדסה ביו-מולקולרית במרכז למדע והנדסה סביבתית באוניברסיטת קונטיקט, ואני אדד דיקוט, גם אני מ-Zebra.
היום נדגים לכם פרוצדורה ליצירת מערכים מודולריים של בתי גידול מיקרופלואידיים למחקר בסיסי במדעי הסביבה ובהנדסה. אנו משתמשים בפרוצדורה זו במעבדה שלנו כדי לחקור את ההשפעות של מבנים בקנה מידה מיקרומטרי על אינטראקציות של הובלה מיקרוביאלית במצעי יער. אז בואו נתחיל.
השלב הראשון ביצירת התקן מיקרופלואידי הוא שרטוט של תכנון דו-ממדי של ההתקן בתוכנת שרטוט בעזרת מחשב או תוכנת CAD. השתמשנו ב-AutoCAD, אך קיימות גם תוכנות שרטוט אחרות, כגון Clue In או CorelDraw. התוכנה מאפשרת למתכנן לשחזר במדויק מבנים פיזיים לאורך שטח מאקרוסקופי, בעוד שמאפיינים בודדים מוגדרים ברזולוציה של פחות מ-5 microns.
מתוך שרטוט ה-CAD, נוצרת מסכה פוטוגרפית. אנו משתמשים במסכת כרום שיוצרה על ידי Advanced Reproductions Corporation, בצפון מסצ'וסטס. מספר השלבים הבאים בייצור המכשיר המיקרופלואידי מתבצעים בחדר נקי כדי ליצור תבנית מאסטר.
פרוסת סיליקון נקייה מצופה בפוטורזיסט (photoresist) באמצעות מסיבוב (spin coater). ראשית, הפרוסה מחוברת לפלטפורמת המסיבוב וכמה גרמים של פוטורזיסט SU 8 20 25 נשפכים על מרכז הפרוסה. לאחר מכן, הפרוסה מסובבת למחזור פריסה ראשוני של 15 שניות במהירות של 500 RPM, ולאחריו מחזור ציפוי דק במהירות של 4,000 RPM למשך 35 שניות.
לאחר הסבב, מניחים את הפרוסה על פלטה חמה למשך 10 דקות בטמפרטורה של 95 °C כדי להפריח את שאריות הממס. השלב האחרון בהכנת הפרוסה הוא הסרת ה-edge bead. פעולה זו מבוצעת על ידי החזרת הפרוסה למכשיר ה-spin coater והשבצת זרימה רציפה של מסיר edge bead מסוג SUA לשולי הפרוסה המצופה.
השלב הבא הוא יצירת תבנית של הפוטורזיסט (photoresist) באמצעות חשיפה סלקטיבית לאור UV. ראשית, מניחים את הפרוסה המצופה על משטח שטוח ומניחים את מסיכת הכרום ישירות מעליה. סרט מיסוך אדום מסוג Rubylith חוסם את העברת התבניות מחוץ לאזור הרצוי.
בשלב הבא, מומרת מנה של 300 mJ/cm² של אור UV אל גלסון המצופה דרך המסכה באמצעות מערכת העברה של נקודה. לבסוף, הגלסון נאפה במשך 15 דקות בטמפרטורה של 95 °C כדי ליצור קשרי צלוב באזורים של הפטורז'יסט שנחשפו לאור, ובכך להפוך אותם לבל תמיסים. השלב האחרון ביצירת התבנית הוא הסרת האזורים שאינם מצולבים של הפטורז'יסט, מה שמותיר מאחור מבני תבליט בולטים.
ראשית, מחזירים את הפרוסה פעם נוספת למורט הציפוי (spin coder) ומכסים אותה בתמיסת הפיתוח. משאירים את תמיסת הפיתוח על הפרוסה המצופה למשך כחמש דקות ולאחר מכן מסלקים אותה באמצעות סיבוב, מה שיוצר תבנית ברורה על הפרוסה. שאריות שנותרו נשטפות על ידי התזת isopropyl alcohol על הפרוסה המסתובבת.
בשלב זה נשתמש במהירות ספינטר של 2200 RPM למשך כחמישה עד 10 שניות. לבסוף, התבנית הראשית המוכנה מיובשת באמצעות זרם גז חנקן ונשמרת בצלחת עד להסרגה של ההתקן. אנו מייצרים התקנים מיקרופלואידיים באמצעות האלסטומר הסיליקוני polymethyl alane.
ראשית, החומר הבסיסי וחומר המקשה מועברים לכוס פלסטיק ביחס משקלי של 10 ל-1. לאחר מכן, התערובת מעורבבת. אנדי הסיר בועות אוויר באמצעות מיקסר התניה Thinky AR 100.
בסיום המחזור, שופכים PDMS נוזלי באופן אחיד על גבי התבנית (master). את הצלחת המכילה את התבנית ואת ה-PDMS שטרם התמצק מניחים בתא ואקום לצורך ניתון גזים (degas). בועות הפולימר מופיעות כמעט באופן מיידי.
תהליך הוואקום נמשך עד להיעלמות כל הבועות. את הצלחת מניחים בתנור מפולס בטמפרטורה של 65 °C למשך ארבע שעות לפחות, כדי לאפשר קשירה מלאה של הפולימר. לאחר מכן, את ה-PDMS שהתקשח מסירים בזהירות מהתבנית הרב-פעמית.
ארבעת השוליים הראשונים נגזרים הרחק מחוץ לאזור התבנית באמצעות סקלפל, וההתקן מופרד מהוופר עם התבנית באמצעות פינצטה. ניתן לקצץ את שולי ההתקן באמצעות מספריים במידת הצורך. ניתן להפריד תת-חלק של ההתקן משאר התקן ה-PDMS המודפס.
בשלב הבא, נקבעים חורי גישה דרך ה-PDMS. אנו משתמשים במנקבי ביופסיה הזמינים מסחרית במספר גדלים שונים המורכבים על גבי ציר קטן. את ליבות ה-PDMS שנלחצו מסירים באמצעות פינצטה.
לבסוף, מנקים את ההתקן לאחר הגזירה והניקוב באמצעות isopropyl alcohol ומקלון פוליפרופילן בעל קצה ספוג. מייבשים את ההתקן באמצעות חנקן ולאחר מכן מניחים אותו בתנור כדי להסיר את כל שאריות הממס. השלב האחרון ביצירת התקן מיקרופלואידי הוא הדבקת ה-PDMS למצע של פרוסות זכוכית, ולאחר מכן מילוי ראשוני בנוזל.
את התקן ה-PDMS ואת פלטת הזכוכית מניחים בתוך מכשיר לניקוי בפלסמה, כאשר משטחי ההדבקה פונים כלפי מעלה. בניסוי זה, אנו משתמשים במכשיר ניקוי פלסמה מסוג PDC 32 G herrick. לאחר יצירת ואקום והופעת הפלסמה בצבע כחול-סגול, מופעל טיימר למשך 30 שניות.
מחולל הפלזמה כובא. התא מומחזר ללחץ רגיל, המכשיר והמזחלה מוצאים מהתא, ומשטחי ההדבקה מובאים למגע זה עם זה. בעת הוצאת הרכיבים המופעלים מהתא, חשוב לפעול במהירות כדי שהמשטחים יישארו במצב פעיל.
לחץ עדין מסייע בהבטחת חיבור טוב. איכות החיבור נבדקת על ידי משיכה של פינה באמצעות פינצטה. לאחר מכן ניתן למלא בקלות את החלק הפנימי ההידרופילי בתמיסה מימית, כגון תמיסות בופר או מים דה-יוניים.
נוזל מים מוזרק לכל באר מקור ודרך תא הזרימה המיקרו-נקבובי התואם. לאחר שכל התאים מלאים, שכבה דקה של PDMS שהתקשח מונחת מעל המכשיר כולו כדי לסייע בעיכוב התאיידות ובשמירה על סטריליות. כדי לכלול את הזרימה המונעת על ידי לחץ במכשיר, טענו מראש את תאי הזרימה בעלי המבנה המיקרוסקופי במים דה-יוניזציה, והניחו מודול זרימה, המשמש כממשק להגשת נוזלים וכאטם סטרילי, בחלקו העליון של המכשיר.
ניתן להשתמש במודול זרימה זה באופן עצמאי או בחיבור למאגר נוזלים חיצוני, כגון מזרק פלסטיק. חברו מאגר המכיל נוזל, כגון מזרק פלסטיק, או את מודול הזרימה לכניסה במעלה הזרם (upstream inlet). הקפידו לשמור על גובה הנוזל במאגר מעל גובה המגש במורד הזרם (downstream).
ההבדל בגובה בין המאגר שמעלה לבין כל באר יציאה במורד מגדיר את הכוח המניע לזרימה המונעת על ידי לחץ, לצורך כימות קצבי הזרימה דרך ההתקנים. מחט בעלת קצה קהה בכיול 25 gauge משמשת לאיסוף דגימות מבארות המורד במרווחי זמן קבועים. לדוגמה, אנו אוספים דגימות כל 15 עד 20 דקות, תוך רישום מדויק של הזמן שחלף בפועל בין הדגימות.
משקל המזרק נמדד לפני ואחרי הדגימה באמצעות מאזנ分析 analytica. נפח המצברים אל מול זמן המצברים ממופה, כאשר השיפוע שווה לקצב זרימת המסה הממוצע. השטח החתך הגדול של מאגר הכניסה לעומת בארי המוצא מסייע למנוע שינויים משמעותיים בקצבי הזרימה בעוד הנוזל נע דרך ההתקנים; שרטטו את הנפח שנדגם על ציר ה-Y אל מול זמן הדגימה על ציר ה-x.
בתוכנה פשוטה לשרטוט גרפים כגון Excel, השהייה של הקו משמשת לחישוב ספיקת הנפח הממוצעת. תמיסה מדוללת של חלקיקי לטקס פלואורסצנטיים בריכוז של three micromolar עם פני שטח מסוג carboxy, YG ו-plain YG משמשת להדמיית הזרימה ולבדיקת אינטראקציות שטח. ראשית, מכינים תמיסת חלקיקים במים דה-יוניים בריכוז של 0.01% מוצקים.
מוסיפים את התמיסה לבארות שמעלה ומחברים מחדש את מודול הזרימה ל-zu. זרימת חרוזי זרימה נצפית לאורך שעה אחת ומתועדת בערך בכל 10 דקות באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי Zeiss AIOt 25, המצויד במצלמה מונוכרומטית MITx BCEB 0 1 3 U. פריימים בודדים נלכדים ברצף מהיר ומורכבים לסרטונים באמצעות תוכנה כגון Image J, תוך שימוש בתאורת פלואורסצנציה ובתאורת אור חודר.
החרוזיים והמבנים נראים שניהם. כאשר האור המועבר נחסם, רק החרוזיים הפלואורסצנטיים הבהירים נראים. חרוזיים נייחים שהופקדו לאורך פני השטח התחתונים או המחוברים לאסופים ניכרים לאורך כל המכשיר.
עבור ניסויים המשתמשים בחיידקים חיים, כגון תרבית של מיני Vibrio, מכינים חיידק שאינו פתוגני המבטא חלבון פלואורסצנטי ירוק. ראשית, מוציאים תרבית מאגר מאחסון בהקפאה עמוקה. מבקבקים תרבית מאגר לתוך בקבוק המכיל מצע גידול LB סטרילי.
באמצעות לולאת תגליל חד-פעמית, דגרי את הבקבוק במהלך הלילה עם ניעור כדי להגיע לתרבית בשלב סטציונרי בריכוז של כ-10⁹ תאים למיליליטר. בהתאם ליישום, ניתן לכמת את הריכוז הראשוני של החיידקים באופן מדויק יותר. הכן התקן מיקרופלואידי מלא בבופר סטרילי.
לאחר מכן, הנוזל הסטרילי בבארות שמעלה מרוקן ומוחלף ב-20 µL של תרבית חיידקים. באמצעות פיפט, החיידקים נזרעים לתוך המכשיר באמצעות שאיבה עדינה עם מזרק בבארות המוצא. לאחר דגירה, ניתן לקבוע את כמות החיידקים בבארות על ידי כימות עצימות הפלואורסצנציה של כל בארה לאחר ההתמעכנות. בארת הכניסה שמעלה מרוקנת כפי שנעשה קודם לכן ומוחלפת בבופר שנשטף עם מלחים בריכוז של 25 parts per thousand.
לחץ עדין של מי מלח מלאכותיים מופעל על הבארים שמעלה הזרם באמצעות מזרק השוטף תאי זרימה בודדים עם 20 עד 40 µL של תמיסת בופר. כמות זו היא בערך פי 100 עד 200 מהנפח הנקבובי של חלק הקרקע המיקרופלואידי בתא הזרימה לאחר השטיפה הראשונית. פרפוזיה ארוכת טווח של חיידקים דרך המצע הנקבובי מושגת באמצעות שימוש במודול הזרימה בדיוק כפי שהודגם קודם לכן.
ניתן למדוד לאורך זמן תמונות באור פלואורסצנטי ובאור לבן של צמיחה והסעה של חיידקים. בניסוי זה, נלקחות תמונות כל 15 עד 20 שעות לאורך תקופה של שבעה ימים באמצעות מצלמת CCD מקוררת בעלת חמישה צבעים מבית Q imaging ink. ניתן להשתמש במכשירים שלנו גם כדי לבחון השפעות של מבנה פיזי של בית גידול על אספקת מקלט לחיידקים מפני טריפה על ידי protozoa.
כאן מוצגים חיידקים בתא זרימה מיקרו-נקבי, כאשר ניתן לראות את הפרוטוזוא השוטה הגדולה בהרבה eulo במכשיר בעוד היא נערכת לניבשי החיידקים. בניתוח זרימת הנוזלים במכשיר המיקרופלואידי, מצאנו כי קצב הזרימה הממוצע הוא 0.71 microliters per minute עבור ראש לחץ של 40 millimeter. על ידי הגדלת ראש הלחץ ל-60 millimeter, קצב הזרימה עלה באופן פרופורציונלי ל-1.04 microliters per minute.
בעת שימוש בחרוזים בעלי כימיות פני השטח שונה במכשיר, הבחנו בהצטברות גבוהה יותר של חרוזים שאינם קרבוקסיליים על פני השטחים של המכשיר. חרוזים בקוטר של 6 עד 10 מילימטרים נטו הרבה יותר להיקלע למפתחי הנקבים הקטנים יותר. קצבי זרימה מהירים יותר, שנבעו מלחץ הידרוסטטי גבוה יותר, הובילו לירידה בבמיסור (retention) ובסניחה של החרוזים, כפי שניתן לצפות בעת ניתוח צמיחה בקטריאלית במכשיר המיקרופלואידי eco chipp.
אנו מציינים את ההבדלים האיכותיים בעוצמת התמונה במגזרים שונים של המכשיר. ניתן לכמת את עוצמת הפלואורסצנציה כמדד עקיף למסה המיקרובית בתעלה. בניסויים מתמשכים, אנו מבחינים כי נראה שכוחות הגזירה הרציפים בתנאי זרימה נמוכה גורמים לאגרגציה בקטריאלית ולהיווצרות פלוקים (flocks), כפי שעולה מתמונות אלה. הרגשנו להראות לכם כיצד ליצור ולהשתמש במכשירים מיקרופלואידיים פשוטים למדידת קנה מידה של חלקיקים, לבחינת הובלת התנגשויות במדיה נקבובית, או לחקר אינטראקציות מיקרוביאליות בבתי גידול בעלי מבנה מיקרוסקופי.
בעת ביצוע מחקרים באמצעות תאי זרימה, חשוב לקחת בחשבון את כושר הציפה של החרו지를 ואת הכימיה של פני השטח של הקולואידים והאסופים. בעת מעבר למשטר מיקרופלואידי, השפעות פני השטח עשויות להוות את הגורם הדומיננטי בתופעות הנצפות. כמעט כל מבנה פיזי יכול להשתלב בתכנון של תאי זרימה מיקרופלואידיים.
זהו זה. תודה שצפיתם ובהצלחה בניסויים שלכם.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
מחקר זה מציג התקן מיקרופלואידי שתוכנן לדמות מצעים נקבוביים טבעיים, המאפשר ויזואליזציה בזמן אמת של תהליכי צמיחה והובלה של חיידקים. ההתקן מאפשר חקירה שיטתית של גורמים שונים המשפיעים על תופעות הובלה בסביבות תת-קרקעיות.
הבנת ההסעה המיקרוביאלית בסביבות מורכבות היא קריטית להערכת סיכוני זיהום ביו-פרמצבטיים במערכות מים ולפיתוח מודלים לניבוי התפשטות פתוגנים. פלטפורמות מיקרופלואידיקה מאפשרות הפחתה שיטתית של סיכונים בהשערות ביולוגיות באמצעות בידוד משתנים כגון מבנה בית הגידול, דינמיקת הזרימה וגודל האינוקולום. הדבר תומך בתיקוף מטרות ובפיתוח בדיקות בשלבים מוקדמים על ידי אספקת מערכות הדירות וניתנות להרחבה לסריקה מכניסטית תחת תנאים מבוקרים.
מערך בתי הגידול המיקרופלואידיים משתלב בתהליכי גילוי מוקדמים על ידי מתן אפשרות לסריקה מבוססת היפותזה של הובלה מיקרוביאלית תחת תנאים משתנים, ובכך מסייע בזיהוי מובילים באמצעות מידול חזוי של התנהגות תת-קרקעית.