マイクロ流体プラットフォーム内の毛細管現象支援アセンブリを用いて、細菌やコロイドなどの液体中に浮遊するマイクロサイズの物体をポリジメチルシロキサン基板上の所定のアレイにパターニングする技術を提示する。
マイクロ流体プラットフォーム内の毛細管現象支援アセンブリを用いて、細菌やコロイドなどの液体中に浮遊するマイクロサイズの物体をポリジメチルシロキサン基板上の所定のアレイにパターニングする技術を提示する。
定義された空間配置への微生物の制御されたパターニングは、微生物生理学および相互作用の研究を含む、広範囲の生物学的用途のためのユニークな可能性を提供する。最も単純なレベルでは、微生物の正確な空間パターニングは、多数の個々の細胞の信頼性の高い長期イメージングを可能にし、距離依存の微生物 - 微生物相互作用を定量的に研究する能力を変革する。よりユニークなことに、マイクロ流体技術によって提供される正確な空間パターニングと環境条件の完全な制御を組み合わせることで、微生物生態学における単一細胞研究のための強力で汎用性の高いプラットフォームが提供されます。
このホワイトペーパーでは、マイクロ流体チャネル内で微生物の汎用性とユーザー定義のパターンを生成し、長期的かつ高スループットのモニタリングのための完全な光アクセスを可能にするマイクロ流体プラットフォームを紹介します。この新しいマイクロ流体技術は、毛細管現象支援粒子アセンブリに基づいており、マイクロ流体チャネル内の蒸発懸濁液の制御された動きから生じる毛細管力を利用して、ポリジメチルシロキサン(PDMS)基板上に微細化されたトラップのアレイに個々のマイクロサイズの物体を堆積させる。シーケンシャルデポジションは、トラップのジオメトリと充填シーケンスによってのみ決定される、単一または複数のタイプのマイクロサイズのオブジェクトの所望の空間レイアウトを生成する。
プラットフォームは、異なる寸法および材料のコロイド粒子を使用して較正されており、多様なコロイドパターンを生成し、捕捉された粒子の表面官能化を実行するための強力なツールであることが証明されています。さらに、プラットフォームを微生物細胞上で試験し、モデル細菌として 大腸菌 細胞を使用した。何千もの個々の細胞を表面にパターン化し、その成長を経時的にモニターした。このプラットフォームでは、単一細胞堆積とマイクロ流体技術を組み合わせることで、微生物の幾何学的パターニングと環境条件の正確な制御の両方が可能になります。したがって、予備実験によって示されているように、単一の微生物の生理学と微生物と微生物の相互作用の生態学への窓が開かれます。
単一の微生物の空間パターニングは、特にマイクロ流体デバイスなどの環境条件を完全に制御できる実験分野では、幅広い文脈で非常に望ましい。例えば、微生物を規則的な配列に配置することで、多数の個々の細胞を正確にイメージングし、それらの増殖、生理機能、環境刺激に応答した遺伝子発現、および薬物感受性の研究を可能にする。また、細胞コミュニケーション(例えば、クォーラムセンシング)、交配(例えば、藻類 - 細菌共生)、または拮抗作用(例えば、アレロパシー)に関する研究において特に関心のある細胞間相互作用を研究することを可能にする。細胞生理・進化研究1、細胞間相互作用研究2、表現型分化スクリーニング3、環境モニタリング4、薬物スクリーニング5 は、このような定量的単一細胞解析を実現できる技術から大きな恩恵を受けることができる分野の一つです。
近年、ホログラフィック光学トラップ6および不均一な表面機能化方法7,8,9,10から単一細胞ケモスタット11および液滴マイクロ流体12まで、単一細胞を単離および処理するためのいくつかの戦略が提案されている。これらの方法は、技術的に非常に要求が厳しいか、細胞生理機能に影響を与え、長期間にわたって研究できる微生物をパターン化するための高スループットプラットフォームを提供しず、単一セル分解能、完全な光学アクセス、および環境条件の制御を保証します。この論文の目標は、毛細管現象支援アセンブリを介してPDMS表面上の所定の空間配置にマイクロメトリック精度で細菌をパターン化するプラットフォームを記述することです。このプラットフォームは、微生物の正確で柔軟な空間パターニングを可能にし、そのマイクロ流体の性質のおかげで、環境条件に対する完全な光学アクセスと制御を可能にします。
このプラットフォームの背後にある技術は、マイクロ流体プラットフォーム16に統合されたsCAPA13,14,15(シーケンシャルキャピラリーアシスト粒子アセンブリ)と名付けられた近年開発されたアセンブリ技術です。蒸発する液滴のメニスカスは、マイクロ流体チャネル内のパターン化されたポリジメチルシロキサン(PDMS)基板上を後退しながら、液体中に懸濁した個々のコロイド粒子を基板上に微細化されたマイクロメトリックウェルにトラップする毛細管力を発揮する(図1A)。懸濁粒子は、最初に対流電流によって気液界面に輸送され、次いで毛細管現象によってトラップに入れられる。移動メニスカスによって加えられる毛細血管力は、粒子相互作用に関与する力と比較して、より大きなスケールで作用する。
したがって、アセンブリ機構は、粒子の材料、寸法、および表面特性の影響を受けない。粒子濃度、メニスカスの速度、温度、懸濁液の表面張力などのパラメータは、パターニングプロセスの収率に影響を与える唯一のパラメータです。読者は、パターニングプロセスに対する前述のパラメータの影響の詳細な説明をin13、14、15で見つけることができる。オリジナルのsCAPA技術13,14,15では、コロイドパターニングプロセスはオープンシステムで行われ、テンプレートを横切ってサスペンションを駆動するために高精度の圧電ステージが必要でした。このプラットフォームは、異なる戦略を活用し、制御された環境でマイクロフルイディクスで一般的に使用される標準機器でパターニングを実行できるため、サンプルを汚染するリスクを最小限に抑えることができます。
このマイクロ流体プラットフォームは、まずコロイド粒子上で最適化され、不活性粒子の規則的な配列を作成し、その後細菌に首尾よく適用されました。このホワイトペーパーでは、両方のマイクロ流体プラットフォームについて説明します(図1B、C)。プロトコルに記載されている準備ステップと実験装置のほとんどは、2つのアプリケーションで共通です(図2)。我々は、コロイドパターニングを報告して、この技術を使用して同じ表面上で複数の連続的な堆積を行い、複雑でマルチマテリアルパターンを作成できることを実証する。特に、各ステップごとに1つの単一粒子を堆積させて、トラップの形状および充填シーケンスによってのみ決定される特定の形状および組成を有するコロイド配列を形成する。細菌のパターニングに関しては、単一の堆積が記載されており、その結果、トラップごとに1つの細菌が堆積する。細胞が表面にパターニングされると、マイクロ流体チャネルは、細菌増殖を促進するために培地でフラッシュされる、任意の単一細胞研究の予備段階である。
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1. シリコンマスターの準備
注:コロイドおよび微生物パターニングのためのテンプレートを形成する微細加工トラップを有するPDMSテンプレートは、Geisslerらによって導入された方法に従って作製された。17。 シリコンマスターは、クリーンルーム内で通常のリソグラフィー法により作製した。手順については次の手順を参照し、機器 の材料表 を参照してください。
2. マイクロ流路金型作製
3. マイクロ流体チップの作製
4. 細菌パターニング
5. コロイドパターニング
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毛細管現象支援アセンブリを利用して、PDMSテンプレート上に微細加工されたトラップにコロイド粒子と細菌をパターン化するマイクロ流体プラットフォームが開発されました。毛細管現象支援アセンブリによるコロイドと細菌のパターニングを最適化するために、2つの異なるチャネル形状が設計されています。最初のチャネル形状(図1B)は、長さ23mmの平行な3つのセクションで構成され、それらの間に物理的な障壁はありません。側面の2つのセクションは幅5mm、高さ1mmで、中央セクションは幅7mm、高さ500μmです。この設計は、後退する凸状のメニスカスを有する明確に定義された可動液滴を維持するのに役立つ。このプラットフォームの動作原理は、Pioliらによって詳細に説明されています。実験で横方向の流路を充填する必要がある場合、細菌培養の場合のように、通常、エアポケットが形成される。このため、チャネルを媒体でフラッシュしたときの充填プロセスを簡素化する2番目のジオメトリを設計してテストしました。この場合、プラットフォーム(
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ここで説明するマイクロ流体プラットフォームは、コロイドや細菌などのマイクロサイズの物体をPDMS基板上の所定の空間配置にパターニングすることを可能にする。マイクロフルイディクスが提供する環境条件を完全に制御し、sCAPA技術によって付与されたマイクロメトリック精度で細胞をパターン化する能力により、将来の生理学および生態学研究にとって非常に有望なプラットフォームとなっています。
本研究で提示した実験では、 材料表に報告されたフォトレジストを用いてシリコンマスターを実現した。しかし、PDMS成形で説明され、使用可能なサイズ範囲のフィーチャーを製造するのに適した任意のフォトレジストを使用することができる。マイクロ流路モールドの作製に用いた3D印刷用樹脂についても同様である。記載された寸法の特徴を生成し、PDMS成形と互換性のある任意の樹脂を使用することができる。
このプロトコルでは、マイクロ流体チップを70°Cで5日間保管することで、Tween 20を細菌またはコロイド懸濁液に添加したときの表面親水...
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著者らは、開示する利益相反はありません。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アルカテルAMS 200SE I-Speeder | アルカテルマイクロマシニングシステム | 深部反応性イオン交換システム | |
| アルコノックス | 洗剤 | ||
| AZ400K現像液 | MicroChemicals | AZ400K | |
| BD 10 mLシリンジ(ルアーロック) | BD | 300912 | 新鮮なLysogenyブロスをマイクロ流体チャネルに流すために使用されます |
| ボックスインキュベーター | ライフ | チャネル内の均一で一定の温度を確保するために使用される | |
| 遠心分離 | エッペンドルフ | 5424R | 一晩の媒体を新鮮な最小限の媒体に置き換えるために使用されます |
| 遠心分離機バイアル | エッペンドルフ | 30120086 1.5 mL | |
| CETONI Base 120 | CETONI GmbH | シリンジポンプ | |
| 直径0.98 & マイクロの蛍光PS粒子;m (red) | microParticles GmbH | PS-FluoRed-Fi267 | |
| 直径1.08の蛍光PS粒子 &m (green) | microParticles GmbH | PS-FluoGreen-Fi182 | |
| 直径2.07の蛍光PS粒子 &m (green) | microParticles GmbH | PS-FluoGreen-Fi183 | |
| 直径2.08の蛍光PS粒子 &10cm | microParticles GmbH | PS-FluoRed-Fi180 | |
| Gigabatch 310 M | PVA TePla | ||
| H401-T-CONTROLLER | ガラス板の | Okolab | |
| H601-NIKON-TS2R-GLASS | Okolab | 加熱ガラス板 | |
| ハイデルベルクDWL 2000 | デルベルグ機器 | UVダイレクトレーザーライター | |
| スリンシリンジ、U 100、ル | アーCodan Medical ApS | CODA621640 | 1 mLシリンジを使用して、パターニングプロセス中に液体懸濁液を回収するために使用 |
| Klayout | Opensource | シリコン | |
| マスターLBブロス、ミラー(Luria-Bertani) | フィッシャーサイエンティフィック | 244610 | Lysogenyブロスをマイクロ流体チャネルMasterflexにフラッシュしました |
| トランスファーチューブ | Masterflex | HV-06419-05 | 0.020'' ID, 0.06'' OD |
| MOPS (10x) | Teknova | M2101 | 10倍をミリQ水で10倍に希釈し、一晩中媒体の交換に使用 |
| コンエクリプス Ti2 | ニコンインスツルメン | ツ顕微鏡 | |
| openSCAD | 金型の設計に使用 | ||
| OPTIspin SB20 | ATMグループ | 51-0002-01-00 | 現像 |
| 液 プラズマチャンバー Zepto | Diener 電子 | ZEPTO-1 | テンプレートとマイクロチャネルをプラズマ処理してそれらを結合するために使用される |
| ポジティブフォトレジスト AZ1505 | MicroChemicals | AZ1505 | |
| リン酸カリウム二塩基性 | Sigma Aldrich | P3786 | MOPS 1x |
| Prusa 硬化および洗濯機 CW1S | Prusa | に追加すべてのポリマーが硬化し、未硬化のポリマーが型から除去されることを確認するために使用されます | |
| Prusa Resin - Tough | Prusa Research a.s. | 3Dプリント用UV感光性405nm液体樹脂 | |
| Prusa SL1 3Dプリンター | モールドのプリントに使用 | ||
| スケール | VWR-CH | 611-2605 | PDMS混合物の重量に使用 |
| シリコンウェーハ(10cm) | シリコンマテリアルズ株式会社 | N/フォス <100> 1-10 & オメガ;cm | |
| Süss MA6 マスク アライナー | SUSS MicroTec グループ | クロムガラス マスクと基板を位置合わせし、基板を露出させるために使用されます | |
| シルガード 184 | ダウ コーニング | シリコーン エラストマー キット; 硬化剤 | |
| テクニ エッチング Cr01 | テクニック | クロム エッチング | |
| トリクロロ (1H、1H、2H、2H-パーフルオロオクチル) シラン | シグマ アルドリッチ | 448931 | 3Dプリント金型をシリアン化するために使用されます |
| TWEEN 20 | Sigma Aldrich | P1379 | パターニング プロセス中に最適な後退接触角を確保するために使用されます |
| Veeco Dektak 6 M | Veeco | プロファイラー | |
| VTC-100 バキューム スピン コーター | MTI コーポレーション | バキューム スピン コーター |
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