Method Article

Микрофлюидная платформа для изучения биозасорения пористых сред

DOI:

10.3791/64689

⸱

October 13th, 2022

 ,  ,  , 
1Department of Civil, Environmental and Geomatic Engineering, Institute of Environmental Engineering, ETH Zurich, 2Department Water Resources and Drinking Water, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology

In This Article

Summary

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

Настоящий протокол описывает микрофлюидную платформу для изучения развития биопленки в квази-2D пористых средах путем сочетания микроскопической визуализации высокого разрешения с одновременными измерениями разности давлений. Платформа количественно оценивает влияние размера пор и скорости потока жидкости в пористых средах на биозасорение.

Abstract

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

Бактериальные биопленки обнаруживаются в нескольких экологических и промышленных пористых средах, включая почвы и фильтрующие мембраны. Биопленки растут при определенных условиях течения и могут закупоривать поры, тем самым перенаправляя локальный поток жидкости. Способность биопленок закупоривать поры, так называемое биозасорение, может оказывать огромное влияние на локальную проницаемость пористой среды, создавая нарастание давления в системе и влияя на массовый поток через нее. Чтобы понять взаимодействие между ростом биопленки и потоком жидкости в различных физических условиях (например, при разных скоростях потока и размерах пор), в настоящем исследовании разработана микрофлюидная платформа для визуализации развития биопленки с использованием микроскопа в контролируемых извне, контролируемых физических условиях. Индуцированное биопленкой накопление давления в пористой среде может быть измерено одновременно с помощью датчиков давления и, позднее, коррелировано с поверхностным покрытием биопленки. Представленная платформа обеспечивает основу для системного подхода к исследованию биозасорения, вызванного биопленками в пористых средах в условиях течения, и может быть адаптирована для изучения изолятов окружающей среды или многовидовых биопленок.

Introduction

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

Биопленки - бактериальные колонии, встроенные в самосекретируемую матрицу экстраполимерных веществ (EPS) - повсеместно используются в природных пористых средах, таких как почвы и водоносные горизонты1, а также в технических и медицинских применениях, таких как биоремедиация2, фильтрация воды3 и медицинские устройства4. Матрица биопленки состоит из полисахаридов, белковых волокон и внеклеточной ДНК5,6 и сильно зависит от микроорганизмов, наличия питательных веществ, а также условий окружающей среды7....

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

Protocol

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

1. Подготовка кремниевой пластины

  1. Спроектируйте геометрию микрофлюидного канала в программном обеспечении автоматизированного проектирования (САПР; см. Таблицу материалов) и распечатайте ее на прозрачной пленке для создания фотошаблона (рис. 1А).
  2. Изготовьте мастер-форму с помощью мягкой литографии (в условиях чистого помещения), выполнив следующие действия.
    1. Выпекайте кремниевую пластину при температуре 200 °C в течение 2 часов.
    2. Поместите пластину в центр спин-коутера и налейте на пластину фоторезист SU8 3050 (см. Таблицу материалов). Отжимное покрытие....

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

Results

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

Для настоящего исследования было использовано микрофлюидное устройство с тремя параллельными микрофлюидными каналами с различными размерами пор (рис. 1) для систематического изучения образования биопленки в пористых средах. Процесс образования биопленки визуализировали с помощью светлопольной микроскопии. Бактериальные клетки и биопленка появились на изображениях в виде более темных пикселей (рис. 2). Кроме того, наблюдался постепенный процесс засорения; Во врем.......

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

Discussion

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

Микрофлюидные пористые аналоги в сочетании с датчиками давления обеспечивают подходящий инструмент для изучения развития биопленки в пористых средах. Универсальность конструкции микрофлюидной пористой среды, в частности, расположение столбов, включая диаметр, неправильные формы и размер пор, позволяет исследовать многие геометрии. Эти геометрии варьируются от одиночных пор до очень сложных, неравномерно расположенных препятствий, имитирующих различные природные (например, почвы) и промышленные (например, мембраны и фильт.......

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

Disclosures

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

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Acknowledgements

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

Авторы выражают признательность за поддержку со стороны грантовой 179834 SNSF PRIMA (для E.S.), дискреционное финансирование от ETH (для R.S.), ETH Zurich research grant (для R.S. и J.J.M.) и дискреционное финансирование от Eawag (для J.J.M.). Авторы хотели бы поблагодарить Роберто Пиоли за иллюстрацию экспериментальной установки на рисунке 1B и Элу Бурмейстер за приготовление кремниевой пластины.

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Шприцевой фильтр Acrodisc 25 мм, 1.2 и микро; m Versapor MembranePall CorporationPN41901.2 & m фильтры
BD 10 мл Шприц (Luer-Lock)BD300912используется для заполнения канала деионизированной водой
Ящик ИнкубаторLife Imaging Servicesдля стабильной температуры во время эксперимента по выращиванию биопленки
Измеритель плотности клеток CO8000WPA биоволновойизмеритель OD
Флакон центрифугиEppendorf301200861,5 мл
CETONI База 120Шприцевой насосCETONI GmbH
CorelCADПрограммное обеспечение CorelCAD CorelDRAWиспользуется для проектирования микрофлюидных геометрий
каналов Пробирки для культур (14 мл, стерильные)greiner bio-oneПробирки для культур
Сушильная печь, VENTI-LineVWRПечь для отверждения PDMS
HandyMigrosМоющее средство
раствор Горячее пластина с контролем температурыVRWдля отверждения склеивания PDMS со стеклом после плазменной обработки
ImageJFIJI Программное обеспечение для анализа изображений
Innova 42 Inc Shaker (Нью-Брансуик)Инкубатор Eppendorf
Isopropanol (> 99,8%)Sigma Aldrich67-63-0
Трубка для переноса MasterflexHV-06419-050,020'' ID, 0,06'' OD
Микрослайды, Гладкие, 75 x 60 ммCorning2947-75X50Стеклянные слайды
Микрофлюидный датчик давления (1 бар)ElveflowДатчики давления
Miltex Biopsy puncher, диаметр 1,5 ммIntegraPuncher для выполнения входных и выходных отверстий микрофлюидного канала
mrDev600 проявительMicroresist
Nikon Eclipse Ti2Nikon Instruments
Микроскоп Питательный бульон n° 3Sigma Aldrich
Omnifix Шприц с люер-ЛокомB.BraunШприцы разного объема
Плазменная камера ZeptoDiener ElectronicZEPTO-1 используется для плазменного соединения PDMS и предметного стекла
Прецизионные салфетки (Kimtech Science)Kimberly ClarkKCP-7552для сушки предметного стекла
ВесыVWR-CH611-2605используются для взвешивания соотношения эластомера и сшивающего агента
Кремниевая пластина (10 см)Silicon Materials Inc. N//Phos < 100> 1-10 и омега; см
Прядильный станок, Спин модуль SM150Sawatec
SU8 3050 ФоторезистKayakuam
Sü ss MA6 Выравниватель маскиSUSS MicroTec Groupиспользуется для выравнивания хромированной маски из хромированного стекла
Sylgard 184Dow Corningнабор силиконовых эластомеров; отвердитель
Techni Etch Cr01Technic
Чашка для культуры тканей 150TPP93150
Трихлор (1H, 1H, 2H, 2H перфтороктил) силанSigma AldrichSigma Aldrichиспользуется для силанизации силикановой пластины
Veeco Dektak 6 MVeecoProfilometer

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Flemming, H. C., Wuertz, S. Bacteria and archaea on Earth and their abundance in biofilms. Nature Reviews Microbiology. 17 (4), 247-260 (2019).
  2. Cunningham, A. B., Sharp, R. R., Hiebert, R., James, G. Subsurface biofilm barriers for the cont....

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

Microfluidic PlatformPorous MediaBiofilm GrowthBiocloggingFlow RatePore SizePressure SensorsBright Field MicroscopySurface CoverageSyringe Pump

Related Articles