Een microfluïdisch platform om bioclogging in poreuze media te bestuderen

Deze methode maakt het mogelijk om systematisch de invloed van poriegrootte en stroomsnelheid op de ontwikkeling van biofilms in zowel natuurlijke als kunstmatige poreuze media te bestuderen, waardoor het fundamentele mechanisme van poreuze mediabioclogging kan worden ontrafeld. De belangrijkste voordelen van de technieken zijn de hoogste ruimtelijke en temporele resolutie van de wijziging en het aanpassingsvermogen van het platform aan een reeks experimentele omstandigheden en vereisten. Begin met het inschakelen van de boxincubator van de microscoop drie uur voor het experiment om een stabiele temperatuur van 25 graden Celsius te garanderen.

Sluit de inlaat- en uitlaatslang aan op het microfluïdische apparaat. Bevestig de verbinding tussen de slang en de spuit door een naald met een buitendiameter van 0,6 millimeter in de inlaatslang te steken. Plaats het microfluïdische apparaat, 30 milliliter gedeïoniseerd water en 30 milliliter kweekmedium in een vacuümexsiccator en ontgast ze gedurende ten minste een uur.

Als u klaar bent, trekt u het kweekmedium en het gedeïoniseerde water langzaam in twee afzonderlijke spuiten van 30 milliliter. Monteer vervolgens het microfluïdische apparaat op de microscoop en plaats de uitlaatslang in een afvalcontainer. Sluit de spuit gevuld met gedeïoniseerd water aan op het microfluïdische kanaal via de microfluïdische slang en injecteer het water langzaam totdat het uit de uitlaat van de druksensor komt.

Vul de druksensor met water en spoel alle bellen uit de slang die het microfluïdische kanaal en de druksensor verbindt. Sluit de uitlaat van de druksensor met de schroeven die aan de druksensor zijn gewijd. Vul de rest van het microfluïdische kanaal met gedeïoniseerd water.

Plaats vervolgens een filter van 1,2 micrometer op de kweekmediaspuit. Verwijder de waterspuit en sluit de spuit voorzichtig aan op de microfluïdische slang van de inlaat. Nadat u de spuit op de spuitpomp hebt gemonteerd, spoelt u het kanaal gedurende één uur met het kweekmedium met een stroomsnelheid van twee milliliter per uur.

Stel daarna de spuitpomp tijdens het experiment in op het gewenste debiet en stel de drukmeting van de druksensoren in op nul. Vervolgens pipetteer je één milliliter van de Bacillus subtilis NCIB 3610-cultuur met een optische dichtheid van 0,1 bij een golflengte van 600 nanometer in een injectieflacon met centrifuges van 1,5 milliliter. Om de bacteriecultuur in het microfluïdische kanaal te laden, plaatst u de uitlaatbuis in de injectieflacon met centrifuge en wacht u vijf minuten om eventuele luchtbellen uit de uitlaat van de buis te verwijderen.

Als u klaar bent, trekt u 150 microliter bacteriële oplossing op met een stroomsnelheid van één milliliter per uur totdat het microfluïdische kanaal is gevuld met de bacteriecultuur. Verwijder vervolgens voorzichtig het filter van de kweekmediaspuit en plaats de uitlaat in de afvalcontainer. Laat de bacteriële cellen drie uur lang op nulstroomcondities in het microfluïdische kanaal om hun oppervlakteaanhechting in het poreuze medium mogelijk te maken.

Om het experiment te starten, start u de stroom door de spuitpomp in te stellen op het gewenste debiet en start u de drukmeting op één hertz voordat u de beelden van de groeiende biofilms met het gewenste tijdsinterval, optische configuratie en vergroting verkrijgt. Het biofilmvormingsproces werd gevisualiseerd met behulp van bright-field microscopie, waarbij de bacteriële cellen en de biofilm als donkere pixels in de beelden verschenen. Tijdens een 24-uurs experiment koloniseerde de aanvankelijk willekeurig groeiende biofilm bijna het hele poreuze medium.

De oppervlaktedekking van de biofilm vond 10% sneller plaats bij de kleinste poriegrootte dan bij de grootste poriegrootte na 20 uur. Correlatie van de dekking van het biofilmoppervlak met de drukopbouw toonde aan dat de verstopping in het microfluïdische kanaal met kleinere poriegrootte leidde tot een hoger drukverschil tussen de inlaat en de uitlaat dan in de grotere poriegrootte. De belangrijkste aspecten om te onthouden zijn om het experiment uit te voeren in een temperatuurstabiele omgeving en om het microfluïdische apparaat en de oplossingen goed te ontgassen om bubbelvorming te voorkomen.

Deze methode maakt systematische studies mogelijk om fundamentele mechanismen van biofilmgroei in zowel industriële als natuurlijke poreuze media te ontrafelen met betrekking tot de invloed van stroomsnelheid en poriegrootte.