Patroonvorming van micro-organismen en microdeeltjes door sequentiële capillariteitsondersteunde assemblage

Summary

We presenteren een technologie die capillariteitsondersteunde assemblage in een microfluïdisch platform gebruikt om microgrote objecten die in een vloeistof zijn gesuspendeerd, zoals bacteriën en colloïden, te modelleren in voorgeschreven arrays op een polydimethylsiloxaansubstraat.

Abstract

Gecontroleerde patronen van micro-organismen in gedefinieerde ruimtelijke arrangementen bieden unieke mogelijkheden voor een breed scala aan biologische toepassingen, waaronder studies van microbiële fysiologie en interacties. Op het eenvoudigste niveau zou nauwkeurige ruimtelijke patroonvorming van micro-organismen betrouwbare, langdurige beeldvorming van grote aantallen individuele cellen mogelijk maken en het vermogen transformeren om afstandsafhankelijke microbe-microbe-interacties kwantitatief te bestuderen. Meer uniek is dat het koppelen van nauwkeurige ruimtelijke patronen en volledige controle over omgevingsomstandigheden, zoals aangeboden door microfluïdische technologie, een krachtig en veelzijdig platform zou bieden voor eencellige studies in microbiële ecologie.

Dit artikel presenteert een microfluïdisch platform om veelzijdige en door de gebruiker gedefinieerde patronen van micro-organismen te produceren binnen een microfluïdisch kanaal, waardoor volledige optische toegang mogelijk is voor langdurige monitoring met hoge doorvoer. Deze nieuwe microfluïdische technologie is gebaseerd op capillariteitsondersteunde deeltjesassemblage en maakt gebruik van de capillaire krachten die voortvloeien uit de gecontroleerde beweging van een verdampende suspensie in een microfluïdisch kanaal om individuele microsized objecten af te zetten in een reeks vallen die microgefabriceerd zijn op een polydimethylsiloxaan (PDMS) substraat. Sequentiële afzettingen genereren de gewenste ruimtelijke lay-out van enkele of meerdere soorten objecten op microformaat, uitsluitend gedicteerd door de geometrie van de vallen en de vulvolgorde.

Het platform is gekalibreerd met behulp van colloïdale deeltjes van verschillende afmetingen en materialen: het heeft bewezen een krachtig hulpmiddel te zijn om diverse colloïdale patronen te genereren en oppervlaktefunctionalisatie van gevangen deeltjes uit te voeren. Verder werd het platform getest op microbiële cellen, met Escherichia coli-cellen als modelbacterie. Duizenden individuele cellen werden op het oppervlak gemodelleerd en hun groei werd in de loop van de tijd gevolgd. In dit platform maakt de koppeling van eencellige depositie en microfluïdische technologie zowel geometrische patronen van micro-organismen als nauwkeurige controle van omgevingsomstandigheden mogelijk. Het opent dus een venster op de fysiologie van afzonderlijke microben en de ecologie van microbe-microbe interacties, zoals blijkt uit voorlopige experimenten.

Introduction

Ruimtelijke patronen van afzonderlijke micro-organismen, met name binnen experimentele arena's die volledige controle over omgevingsomstandigheden mogelijk maken, zoals microfluïdische apparaten, is zeer wenselijk in een breed scala van contexten. Het rangschikken van micro-organismen in regelmatige arrays zou bijvoorbeeld de nauwkeurige beeldvorming van grote aantallen individuele cellen mogelijk maken en de studie van hun groei, fysiologie, genexpressie als reactie op omgevingsstimuli en gevoeligheid voor geneesmiddelen. Het zou ook het mogelijk maken om cel-celinteracties te bestuderen die van bijzonder belang zijn in onderzoek naar cellulaire communicatie (bijv. Q....

Protocol

1. Silicium master voorbereiding

OPMERKING: De PDMS-sjablonen met de microgefabriceerde vallen die de sjabloon vormen voor colloïdale en microbiële patronen zijn vervaardigd volgens de methode die door Geissler et al. is geïntroduceerd. ¹⁷. De siliciummaster werd voorbereid door conventionele lithografie in een cleanroom. Zie de volgende stappen voor de procedure en de tabel met materialen voor de apparatuur.

1. Ontwerp de functies met behulp van CAD-software (Computer Aided Design).
2. Bereid het chroomglazen masker voor met een laag positieve fotores....

Results

Een microfluïdisch platform dat capillariteitsondersteunde assemblage gebruikt om colloïdale deeltjes en bacteriën te patroon in vallen die microgefabriceerd zijn op een PDMS-sjabloon, werd ontwikkeld. Twee verschillende kanaalgeometrieën zijn ontworpen om de patroonvorming van colloïden en bacteriën te optimaliseren door de capillariteitsondersteunde assemblage. De eerste kanaalgeometrie (figuur 1B) bestaat uit drie 23 mm lange parallelle secties zonder fysieke barrière ertussen. De twee se.......

Discussion

Het hier beschreven microfluïdische platform maakt het mogelijk om objecten van microformaat, zoals colloïden en bacteriën, in voorgeschreven ruimtelijke arrangementen op een PDMS-substraat te modelleren. De volledige controle over de omgevingsomstandigheden die microfluïdica biedt en de mogelijkheid om cellen met micrometrische precisie te modelleren die door sCAPA-technologie wordt verleend, maakt het een veelbelovend platform voor toekomstige fysiologie- en ecologiestudies.

In de experiment.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alcatel AMS 200SE I-Speeder	Alcatel Micro Machining System		deep reactive ion exchange system
Alconox			detergent
AZ400K developer	MicroChemicals	AZ400K
BD 10 mL Syringe (Luer-Lock)	BD	300912	used to flush fresh Lysogeny broth into the microfluidic channel
Box Incubator	Life Imaging Services		used to ensure a uniform and constant temperature in the channel
Centrifuge	Eppendorf	5424R	used to replace the overnight media with fresh minimal media
Centrifuge vial	Eppendorf	30120086	1.5 mL
CETONI Base 120	CETONI GmbH		syringe pump
Fluorescent PS particles of diameter 0.98 µm (red)	microParticles GmbH	PS-FluoRed-Fi267
Fluorescent PS particles of diameter 1.08 µm (green)	microParticles GmbH	PS-FluoGreen-Fi182
Fluorescent PS particles of diameter 2.07 µm (green)	microParticles GmbH	PS-FluoGreen-Fi183
Fluorescent PS particles of diameter 2.08 µm (red)	microParticles GmbH	PS-FluoRed-Fi180
Gigabatch 310 M	PVA TePla		used to plasma treat a 10 cm silicon wafer
H401-T-CONTROLLER	Okolab		controller of the heated glass plate
H601-NIKON-TS2R-GLASS	Okolab		heated glass plate
Heidelberg DWL 2000	Heidelberg Instruments		UV direct laser writer
Insulin syringes, U 100, with luer	Codan Medical ApS	CODA621640	1 mL syringe used to withdraw the liquid suspension during the patterning process
Klayout	Opensource		used to design the features on the silicon master
LB Broth, Miller (Luria-Bertani)	Fisher Scientific	244610	Lysogeny broth flushed into the microfluidic channel
Masterflex transfer tubing	Masterflex	HV-06419-05	0.020'' ID, 0.06'' OD
MOPS (10x)	Teknova	M2101	diluted tenfold with milliQ water and used to replace the overnight medium
Nikon Eclipse Ti2	Nikon Instruments		microscope
openSCAD	Opensource		used to design the mold
OPTIspin SB20	ATM group	51-0002-01-00	spin developer
Plasma chamber Zepto	Diener Electronic	ZEPTO-1	used to plasma treat the template and microchannel to bond them
Positive photoresist AZ1505	MicroChemicals	AZ1505
Potassium phosphate dibasic	Sigma Aldrich	P3786	added to MOPS 1x
Prusa curing and Washing machine CW1S	Prusa		used to ensure all polymer is cured and uncured polymer is removed from the mold
Prusa Resin - Tough	Prusa Research a.s.		UV photosensitive 405nm liquid resin for 3D printing
Prusa SL1 3d printer	Prusa		used to print the mold
Scale	VWR-CH	611-2605	used to weight PDMS mixture
Silicon wafer (10 cm)	Silicon Materials Inc.		N/Phos <100> 1-10 Ω cm
Süss MA6 Mask aligner	SUSS MicroTec Group		used to align the chrome-glass mask and the substrate, and expose the substrate
Sylgard 184	Dow Corning		silicone elastomer kit; curing agent
Techni Etch Cr01	Technic		chromium etchant
Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane	Sigma Aldrich	448931	used to silianize the 3D printed mold
TWEEN 20	Sigma Aldrich	P1379	used to ensure an optimal receding contact angle during the patterning process
Veeco Dektak 6 M	Veeco		profilometer
VTC-100 Vacuum Spin Coater	MTI corporation		vacuum spin coater