Method Article

Моделирование микроорганизмов и микрочастиц с помощью последовательной сборки с помощью капиллярности

DOI:

10.3791/63131

⸱

November 4th, 2021

 ,  ,  , 
1Institute of Environmental Engineering, Department of Civil, Environmental and Geomatic Engineering, ETH Zurich, 2Department of Materials, ETH Zurich

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы представляем технологию, которая использует сборку с помощью капиллярности в микрофлюидной платформе для формирования микроразмерных объектов, взвешенных в жидкости, таких как бактерии и коллоиды, в предписанные массивы на полидиметилсилоксановой подложке.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Контролируемое формирование микроорганизмов в определенные пространственные механизмы предлагает уникальные возможности для широкого спектра биологических применений, включая исследования микробной физиологии и взаимодействий. На простейшем уровне точное пространственное моделирование микроорганизмов позволит получить надежную, долгосрочную визуализацию большого количества отдельных клеток и трансформирует способность количественно изучать зависящие от расстояния взаимодействия микробов и микробов. Более уникально то, что соединение точного пространственного моделирования и полного контроля над условиями окружающей среды, как предлагает микрофлюидная технология, обеспечит мощную и универсальную платформу для одноклеточных исследований в микробной экологии.

В данной работе представлена микрофлюидная платформа для получения универсальных и определяемых пользователем паттернов микроорганизмов в микрофлюидном канале, обеспечивающая полный оптический доступ для долгосрочного высокопроизводительного мониторинга. Эта новая микрофлюидная технология основана на сборке частиц с помощью капиллярности и использует капиллярные силы, возникающие в результате контролируемого движения испаряющейся суспензии внутри микрофлюидного канала, для осаждения отдельных микроразмерных объектов в массиве ловушек, микрофабрикованных на подложке из полидиметилсилоксана (PDMS). Последовательные осаждения генерируют желаемое пространственное расположение одиночных или нескольких типов микроразмерных объектов, продиктованное исключительно геометрией ловушек и последовательностью заполнения.

Платформа была откалибрована с использованием коллоидных частиц различных размеров и материалов: она зарекомендовала себя как мощный инструмент для генерации разнообразных коллоидных паттернов и выполнения функционализации поверхности захваченных частиц. Кроме того, платформа была протестирована на микробных клетках, используя клетки Escherichia coli в качестве модельной бактерии. Тысячи отдельных клеток были структурированы на поверхности, и их рост контролировался с течением времени. В этой платформе связь одноклеточного осаждения и микрофлюидной технологии позволяет как геометрически моделировать микроорганизмы, так и точно контролировать условия окружающей среды. Таким образом, он открывает окно в физиологию отдельных микробов и экологию взаимодействий микроб-микроб, как показали предварительные эксперименты.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Пространственное моделирование отдельных микроорганизмов, особенно в экспериментальных областях, которые обеспечивают полный контроль над условиями окружающей среды, такими как микрофлюидные устройства, крайне желательно в широком диапазоне контекстов. Например, организация микроорганизмов в регулярные массивы позволит точно визуализировать большое количество отдельных клеток и изучать их рост, физиологию, экспрессию генов в ответ на стимулы окружающей среды и восприимчивость к лекарственным средствам. Это также позволило бы изучать клеточно-клеточные взаимодействия, представляющие особый интерес в исследованиях клеточной связи (например, зондирование кворума), перекр....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Подготовка силиконового мастера

ПРИМЕЧАНИЕ: Шаблоны PDMS, содержащие микрофабрикированные ловушки, которые образуют шаблон для коллоидного и микробного паттерна, были изготовлены в соответствии с методом, представленным Geissler et al. 17. Кремниевый мастер был подготовлен методом обычной литографии в чистом помещении. Ознакомьтесь со следующими шагами для процедуры и таблицей материалов для оборудования.

  1. Проектирование функций с помощью программного обеспечения автоматизированного проектирования (САПР).
  2. Подготовьте хромированную маску со слое....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Была разработана микрофлюидная платформа, которая использует сборку с помощью капиллярности для формирования коллоидных частиц и бактерий в ловушки, микрофабрикованные на шаблоне PDMS. Две различные геометрии каналов были разработаны для оптимизации структурирования коллоидов и бактерий через сборку с помощью капиллярности. Геометрия первого канала (рисунок 1B) состоит из трех параллельных секций длиной 23 мм без физического барьера между ними. Две секции по бокам имеют ширину 5 мм и высоту .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Микрофлюидная платформа, описанная здесь, позволяет структурировать микроразмерные объекты, такие как коллоиды и бактерии, в предписанные пространственные расположения на субстрате PDMS. Полный контроль над условиями окружающей среды, предлагаемый микрофлюидикой, и способность моделировать клетки с микрометрической точностью, предоставляемой технологией sCAPA, делают ее очень перспективной платформой для будущих исследований физиологии и экологии.

В экспериментах, представленных в этой работе,.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы признают поддержку со стороны гранта SNSF PRIMA 179834 (для E.S.), исследовательского гранта ETH-15 17-1 (R. S.) и премии Гордона и Бетти Мур Foundation Investigator Award по водному микробному симбиозу (грант GBMF9197) (R. S.). Авторы благодарят доктора Мигеля Анхеля Фернандеса-Родригеса (Университет Гранады, Испания) за визуализацию бактерий SEM и за проницательные дискуссии. Авторы благодарят д-ра Джен Нгуен (Университет Британской Колумбии, Канада), д-ра Лауру Альварес (ETH Zürich, Швейцария), Кэмерона Боггона (ETH Zürich, Швейцария) и д-ра Фабио Грилло за проницательные дискуссии.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Alcatel AMS 200SE I-Speederреактивнойионной обработки Alcatel Моющее
AlconoxПроявитель
MicroChemicalsAZ400K
BD 10 мл Шприц (Luer-Lock)BD300912используется для смыва свежего бульона Lysogeny в микрофлюидный канал
Box IncubatorLife Услуги визуализациииспользуются для обеспечения равномерной и постоянной температуры в канале
m (red)microParticles GmbHPS-FluoRed-Fi267
Флуоресцентные частицы PS диаметром 1,08 & микро; m (green)microParticles GmbHPS-FluoGreen-Fi182
Флуоресцентные частицы PS диаметром 2,07 & микро; m (green)microParticles GmbHPS-FluoGreen-Fi183
Флуоресцентные частицы PS диаметром 2,08 & микро; m (красный)microParticles GmbHPS-FluoRed-Fi180
Gigabatch 310 MPVA TePlaиспользуется для плазменной обработки 10 см силиконовой пластины
H401-T-CONTROLLEROkolabконтроллер нагреваемой стеклянной пластины
H601-NIKON-TS2R-GLASSOkolabнагреваемая стеклянная пластина
Heidelberg DWL 2000Heidelberg Instrumentsпрямой ультрафиолетовый лазер
writer Инсулиновые шприцы, U 100, с люэромCodan Medical ApSCODA621640шприц объемом 1 мл, используемый для забора жидкой суспензии в процессе моделирования
KlayoutOpensourceиспользовал для разработки функций на силиконовом мастере
LB Broth, Miller (Luria-Bertani)Fisher Scientific244610Лизогенный бульон, промытый в микрофлюидный канал
Masterflex трубка для переносаMasterflexHV-06419-050,020'' ID, 0,06'' OD
MOPS (10x)TeknovaM2101разбавленная в десять раз водой milliQ и используемая для замены ночного носителя
Nikon Eclipse Ti2микроскоп Nikon Instruments
openSCADOpensourceиспользуется для проектирования пресс-формы
OPTIspin SB20ATM group51-0002-01-00проявитель спина
Плазменная камера ZeptoDiener ElectronicZEPTO-1используется для плазменной обработки шаблона и микроканала для их соединения
Положительный фоторезист AZ1505MicroChemicalsAZ1505
Фосфат калия двухконтурныйSigma AldrichP3786добавлен в MOPS 1x
Prusa Отверждаемая и моечная машина CW1SPrusaиспользуется для обеспечения отверждения всего полимера и удаления неотвержденного полимера из формы
Prusa Resin - ToughPrusa Research a.s.УФ-светочувствительная жидкая смола 405 нм для 3D-печати
3D-принтер Prusa SL1Prusaиспользуется для печати пресс-формы
ВесыVWR-CH611-2605используются для взвешивания смеси PDMS
Силиконовая пластина (10 см)Silicon Materials Inc.N/Phos < 100> 1-10 и омега; см
Sü ss MA6 Выравниватель маскиSUSS MicroTec Groupиспользуется для выравнивания хром-стеклянной маски и подложки, а также для экспонирования подложки
Sylgard 184Dow Corningнабор силиконовых эластомеров; отвердитель
Techni Etch Cr01Technicхромовый травитель
Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) силанSigma Aldrich448931используется для силианизации 3D-печатной формы
TWEEN 20Sigma AldrichP1379используется для обеспечения оптимального угла удаления контакта в процессе нанесения рисунка
Veeco Dektak 6 MVeecoпрофилометр
VTC-100 Vacuum Spin CoaterMTI corporationвакуумный прядильный коатинг
Система глубокой средствоЦентрифуга Eppendorf 5424R используется для замены ночных сред на свежие минимальные среды Флакон центрифуги Eppendorf 30120086 1,5 мл CETONI Base 120 CETONI GmbH Шприцевой насос Флуоресцентные частицы ПС диаметром 0,98 &;

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Choi, C. H., et al. Preparation of bacteria microarray using selective patterning of polyelectrolyte multilayer and poly(ethylene glycol)-poly(lactide) deblock copolymer. Macromolecular Research. 18 (3), 254-259 (2010).
  2. Smriga, S., Fernandez, V. I., Mitchell, J. G., Stocker, R.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Microorganism PatterningCapillarity Assisted AssemblyMicrofluidic PlatformColloidal Particle PatterningSingle Cell AnalysisMicrofluidic ChannelPDMS MicrofabricationBacterial Cell PatterningSequential DepositionMicrobe Microbe Interactions

Related Articles