Venster op een Microworld: Eenvoudig Microfluïdische Systemen voor het bestuderen van microbiële transport in poreuze media
May 3rd, 2010
Microfluïdische apparaten kunnen worden gebruikt om complexe natuurlijke processen in real-time en op het juiste fysieke schalen te visualiseren. We hebben een eenvoudige microfluïdische apparaat dat de belangrijkste functies van de natuurlijke poreuze media nabootst voor het bestuderen van de groei en het transport van bacteriën in de ondergrond.
We demonstreren dat door het gebruik van eco chip-apparaten, fysieke structuren en drukkoppen constant of variabel kunnen worden gehouden. Terwijl de invloed van oppervlaktechemie, vloeistofeigenschappen of de kenmerken van deeltjes of microben systematisch wordt onderzocht door middel van transportexperimenten met behulp van een niet-pathogene groen fluorescente eiwit-expresserende VIO-bacteriestam, illustreren we het belang van habitatstructuur, stromingscondities en inoculumgrootte op fundamentele transportverschijnselen. Microfluidische software biedt een fascinerend zicht op een verborgen wereld.
Hallo, ik ben Dimitri Marker van het Vanderbilt Institute for Integrative Biosystem Restoration Education aan de Vanderbilt University. En ik ben David Schafer, een onderzoeks- en ontwikkelingsingenieur hier bij de Viro Laboratories. Hallo, ik ben Leslie Sho van het Department of Chemical Materials and Biomolecular Engineering in het Center for Environmental Science and Engineering aan de University of Connecticut, En ik ben ook Dicot van Zebra.
Vandaag gaan we je een procedure laten zien voor het maken van modulaire microfluïdische habitatarrays voor fundamenteel onderzoek in de omgevingswetenschappen en -techniek. We gebruiken deze procedure in ons laboratorium om de effecten van micrometer-schaalstructuren op microbiële transportinteracties in bosmedia te onderzoeken. Dus laten we beginnen.
De eerste stap bij het maken van een microfluïdisch apparaat is het tekenen van een tweedimensionaal lay-out van het apparaat in een computerondersteunde tekening of CAD-programma. We hebben AutoCAD gebruikt, maar andere tekenprogramma's zijn ook beschikbaar, zoals clue in of coral draw. De software stelt de ontwerper in staat om fysieke structuren nauwkeurig te repliceren over een macroscopisch veld, terwijl individuele kenmerken worden gedefinieerd met een resolutie van minder dan vijf micron.
Vanuit de CAD-tekening wordt een fotografische masker gemaakt. We gebruiken een chroommasker gefabriceerd door Advanced Reproductions Corporation, in het noorden van Massachusetts. De volgende stappen in de productie van microfluïdische apparaten vinden plaats in een cleanroom om een master te creëren.
Een schone siliciumwafer wordt bedekt met fotoresist in een spin coder. Eerst wordt de wafer bevestigd aan de spin coder-platform en een paar gram SU 8 20 25 fotoresist wordt op het midden van de wafer gegoten. Vervolgens wordt de wafer gedurende 15 seconden gesponnen voor een verspreidingscyclus bij 500 RPM, gevolgd door een dunne coatingcyclus van 35 seconden bij 4000 RPM.
Na het draaien wordt de wafer gedurende 10 minuten op een heet plaatje geplaatst bij 95 graden Celsius om overtollig oplosmiddel te verdampen. De laatste stap in het voorbereiden van de wafer is het verwijderen van de randbead. Dit gebeurt door de wafer terug te brengen naar de spin coder en een gelijkmatige stroom van SUA-randbeadverwijderaar aan te brengen op de buitenrand van de gecoate wafer.
De volgende stap is het patroon van het fotoresist door selectieve blootstelling aan UV-licht. Eerst wordt de gecoate wafer op een vlak oppervlak geplaatst en wordt het chroommasker direct erop geplaatst. Rubylith rood maskeerfilm blokkeert de overdracht van patronen buiten het gewenste gebied.
Vervolgens wordt een dosis van 300 milli JUUL per centimeter vierkante meter UV-licht geleverd aan de gecoate wafer door middel van een spot-carrying systeem. Ten slotte wordt de wafer gedurende 15 minuten gebakken bij 95 graden Celsius om de door licht blootgestelde gebieden van het fotoresist te verkleinen en ze onoplosbaar te maken. De laatste stap in het maken van de master is het verwijderen van de niet-verknoopte gebieden van het fotoresist, waardoor verhoogde reliëfstructuren achterblijven.
Eerst wordt de wafer nog een keer teruggeplaatst in de spin coder en bedekt met de ontwikkelingsoplossing. De ontwikkelaar wordt ongeveer vijf minuten op de gecoate wafer achtergelaten en wordt vervolgens afgespoeld, wat resulteert in een duidelijk zichtbaar patroon op de wafer. Eventueel resterend residu wordt weggespoeld door isopropylalcohol op de draaiende wafer te spuiten.
We gebruiken een spin-snelheid van 2200 RPM voor deze stap gedurende ongeveer vijf tot tien seconden. Ten slotte wordt de afgewerkte master gedroogd met behulp van een stikstofgasstroom en opgeslagen in een schaal totdat deze nodig is voor het gieten van een apparaat. We fabriceren microfluïdische apparaten met behulp van het siliconenelastomeer polymethyl alane.
Eerst worden de basismaterialen en het verhardingsmiddel in een gewichtsverhouding van 10 tot 1 in een plastic kop geplaatst. Vervolgens wordt het mengsel gemengd en blaasjes gevormd met behulp van een thinky AR 100-conditioneringsmixer.
Zodra de cyclus voltooid is, wordt vloeibaar PDMS gelijkmatig over de master gegoten. De schaal met de master en het onverharde PDMS wordt vervolgens in een vacuümkamer geplaatst om te degasseren. De polymeerbubbels verschijnen bijna onmiddellijk.
De degassing wordt voortgezet totdat alle bubbels verdwenen zijn. De schaal wordt in een niveau oven geplaatst bij 65 graden Celsius gedurende ten minste vier uur om de polymeerverknoping volledig te laten plaatsvinden. Vervolgens wordt het uitgeharde PDMS voorzichtig verwijderd van de herbruikbare master.
Eerst worden de vier randen gesneden ver buiten de gepatroneerde regio met behulp van een scalpel, het apparaat wordt losgetrokken van de gepatroneerde wafer met behulp van pincetten. De randen van het apparaat kunnen indien gewenst worden bijgesneden met behulp van schaar. Een subsectie van het apparaat kan worden gescheiden van de rest van het gegoten PDMS-apparaat.
Vervolgens worden toegangsgaten geboord door het PDMS. We gebruiken biopsieprikkers die commercieel verkrijgbaar zijn in verschillende maten en zijn gemonteerd op een kleine as. Pers PDMS-kernen worden verwijderd met behulp van pincetten.
Ten slotte wordt het bijgesneden en geponste apparaat gereinigd met behulp van isopropylalcohol en een polypropyleen dop met een schuimtip. Het apparaat wordt gedroogd met behulp van stikstof en vervolgens in de oven geplaatst om alle sporen van oplosmiddel te verwijderen. De laatste stap in het maken van een microfluïdisch apparaat is het verbinden van het
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie presenteert een microfluïdisch apparaat dat is ontworpen om natuurlijke poreuze media na te bootsen, waardoor real-time visualisatie van bacteriële groei en transportprocessen mogelijk wordt. Het apparaat maakt systematisch onderzoek mogelijk naar verschillende factoren die transportverschijnselen in ondergrondse omgevingen beïnvloeden.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluidica
- Milieuwetenschap
- Microbiologie
Achtergrond
- Microfluïdische apparaten vergemakkelijken het onderzoek naar complexe biologische processen.
- Begrip van bacterieel transport in poreuze media is cruciaal voor milieutoepassingen.
- Factoren zoals oppervlaktechemie en stromingsomstandigheden hebben een significante impact op transportdynamiek.
- Niet-pathogene bacteriestammen kunnen worden gebruikt voor veilige experimentele opstellingen.
Doel van het onderzoek
- Om een microfluïdisch platform te ontwikkelen dat natuurlijke omgevingen simuleert.
- Om de effecten van habitatstructuur en inoculumgrootte op bacterieel transport te verkennen.
- Om inzichten te bieden in de fundamentele mechanismen van microbieel bewegen onder ondergrondse omstandigheden.
Gebruikte methoden
- Gebruik van eco chip-apparaten om fysieke structuren en drukhoofden te controleren.
- Transportexperimenten met een groen fluorescerend eiwit-expresserende VIO bacteriestam.
- Systematische variatie van oppervlaktechemie en vloeistofeigenschappen.
- Analyse van stromingsomstandigheden en hun impact op transportverschijnselen.
Belangrijkste resultaten
- Demonstreerde het belang van habitatstructuur op bacterieel transport.
- Identificeerde sleutelfactoren die transportdynamiek in microfluïdische omgevingen beïnvloeden.
- Toonde aan dat inoculumgrootte de efficiëntie van bacterieel bewegen beïnvloedt.
- Bieden een overtuigende visualisatie van microbieel gedrag in gecontroleerde omgevingen.
Conclusies
- Het ontwikkelde microfluïdische apparaat is effectief voor het onderzoeken van bacterieel transport.
- Begrip van deze processen kan milieurestauratie-inspanningen informeren.
- Toekomstig onderzoek kan voortbouwen op deze bevindingen om meer complexe systemen te verkennen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Understanding microbial transport in complex environments is critical for assessing biopharmaceutical contamination risks in water systems and for developing predictive models of pathogen spread. Microfluidic platforms enable systematic de-risking of biological hypotheses by isolating variables such as habitat structure, flow dynamics, and inoculum size. This supports early-stage target validation and assay development by providing reproducible, scalable systems for mechanistic screening under controlled conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of microbial behavior in structured habitats to clarify transport mechanisms and functional target relevance.
- Operational Value: Provides standardized, reusable flow cells for consistent hypothesis testing across experimental runs.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of validated biological systems for downstream screening by controlling surface chemistry and fluid properties.
- Operational Value: Supports assay standardization through quantifiable outputs such as fluorescence intensity and flow rate measurements.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Offers disease-relevant systems for studying microbial interactions in porous media, supporting translational biomarker alignment.
- Operational Value: Enables continuity from discovery to preclinical validation by maintaining consistent environmental parameters.
Pipeline & Workflow Integration
The microfluidic habitat array integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven screening of microbial transport under variable conditions, informing lead identification through predictive modeling of subsurface behavior.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by allowing systematic variation of physical structures and pressure heads to test microbial transport hypotheses.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible measurements of particle-scale transport for reliable compound or strain evaluation.
- Analytics: Provides fluorescence-based biomass quantification and flow rate data to enable comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through real-time observation of microbial growth and transport in environmentally relevant settings.
- Enterprise Reuse: Features modular EcoChip design with dozens of identical chambers, supporting platform scalability and cross-study reproducibility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by linking habitat structure, flow conditions, and inoculum size to observed transport phenomena.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability via gravity-driven flow modules and biocompatible, oxygen-permeable PDMS materials.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing mechanistic ambiguity in microbial behavior models.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of microbial strains or formulations based on validated transport profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, photolithography, and PDMS handling.
- Depends on access to cleanroom facilities, vacuum chambers, plasma cleaners, and fluorescence microscopy.
- Necessitates cross-team standardization for consistent flow cell preparation and inoculation protocols.
- Involves adaptation considerations when extending to different microbial species or complex microbial communities.
- Limited by the need for optical transparency and biocompatibility, restricting use with certain opaque or toxic compounds.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Title
0:38
Introduction
1:22
Microfluidic Device Fabrication
7:40
Flow Quantification of Microfluidic Device by Gravimetric Analysis
12:43
Application of Microfluidic Device to Flow Quantification, Bead Flow, and Bacterial Growth
13:43
Conclusion
9:11
Flow Visualization, Velocity Mapping, and Hydrophilic / Hydrophobic Interaction
10:19
Microfluidic Device (EcoChip) for Modeling Bacterial Growth and Transport
