Микрофлюидная платформа для изучения биозасорения пористых сред
13 октября 2022 г.
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.
Этот метод позволяет систематически изучать влияние размера пор и скорости потока на развитие биопленки как в природных, так и в искусственных пористых средах, тем самым можно разгадать фундаментальный механизм биозасорения пористых сред. Основными преимуществами методик являются высочайшее пространственное и временное разрешение переделки, а также адаптивность платформы к целому ряду экспериментальных условий и требований. Начните с включения коробочного инкубатора микроскопа за три часа до эксперимента, чтобы обеспечить стабильную температуру 25 градусов по Цельсию.
Подсоедините впускную и выпускную трубки к микрофлюидному устройству. Закрепите соединение между трубкой и шприцем, вставив иглу с наружным диаметром 0.6 миллиметра во входную трубку. Поместите микрофлюидное устройство, 30 миллилитров деионизированной воды и 30 миллилитров питательной среды в вакуумный эксикатор и дегазируйте их в течение не менее одного часа.
После этого медленно наберите питательную среду и деионизированную воду в два отдельных 30-миллилитровых шприца. Затем установите микрофлюидное устройство на микроскоп и поместите выпускную трубку в контейнер для отходов. Подсоедините шприц, наполненный деионизированной водой, к микрофлюидному каналу через микрофлюидную трубку и медленно вводите воду, пока она не выйдет из выходного отверстия датчика давления.
Наполните датчик давления водой и промойте все пузырьки из трубки, соединяющей микрофлюидный канал и датчик давления. Закройте выходное отверстие датчика давления винтами, предназначенными для датчика давления. Остальную часть микрофлюидного канала заполните деионизированной водой.
Затем поместите 1,2-микрометровый фильтр на шприц питательной среды. Извлеките шприц с водой и осторожно подсоедините шприц к входной микрофлюидной трубке. После установки шприца на шприцевой насос промывайте канал питательной средой со скоростью потока два миллилитра в час в течение одного часа.
После этого установите шприцевой насос на желаемую скорость потока во время эксперимента и установите показания давления датчиков давления на ноль. Затем в 1,5-миллилитровый центрифужный флакон помещают пипеткой один миллилитр культуры Bacillus subtilis NCIB 3610 оптической плотности 0,1 на длине волны 600 нанометров. Чтобы загрузить бактериальную культуру в микрофлюидный канал, поместите выпускную трубку во флакон центрифуги и подождите пять минут, чтобы удалить любые потенциальные пузырьки воздуха из выходного отверстия пробирки.
После этого извлеките 150 микролитров бактериального раствора со скоростью потока один миллилитр в час, пока микрофлюидный канал не будет заполнен бактериальной культурой. Затем осторожно снимите шприцевой фильтр питательной среды и поместите выпускное отверстие в контейнер для отходов. Оставьте бактериальные клетки в условиях нулевого потока в микрофлюидном канале на три часа, чтобы обеспечить их поверхностное прикрепление в пористой среде.
Чтобы начать эксперимент, запустите поток, установив шприцевой насос на желаемую скорость потока, и начните считывать давление с одного герца, прежде чем получать изображения растущих биопленок с желаемым интервалом времени, оптической конфигурацией и увеличением. Процесс образования биопленки визуализировался с помощью светлопольной микроскопии, где бактериальные клетки и биопленка появлялись на изображениях в виде более темных пикселей. Во время 24-часового эксперимента первоначально случайно растущая биопленка колонизировала почти всю пористую среду.
Поверхностное покрытие биопленки происходило на 10% быстрее при наименьшем размере пор, чем при самом большом размере пор через 20 часов. Корреляция покрытия поверхности биопленки с нарастанием давления показала, что засорение микрофлюидного канала с меньшим размером пор приводит к более высокой разнице давлений между входом и выходом, чем при большем размере пор. Наиболее важными аспектами, которые следует помнить, являются проведение эксперимента в температурно-стабильной среде и хорошая дегазация микрофлюидного устройства и растворов, чтобы избежать образования пузырьков.
Этот метод позволяет систематически проводить исследования по разгадке фундаментальных механизмов роста биопленки как в промышленных, так и в природных пористых средах с учетом влияния скорости потока и размера пор.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном протоколе описывается микрофлюидная платформа, предназначенная для изучения развития биопленок в квазидвумерных пористых средах. Путем интеграции микроскопии высокого разрешения с измерениями разности давлений в исследовании количественно оценивается влияние размера пор и скорости потока жидкости на биозакупоривание.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Микрофлюидика
- Развитие биопленок
- Пористые среды
Теоретические основы
- Исследование сосредоточено на механизмах биозакупоривания в пористых средах.
- Для проведения экспериментов используются как природные, так и искусственные пористые среды.
- Платформа обеспечивает высокое пространственное и временное разрешение.
- Ключевой особенностью является адаптивность к различным экспериментальным условиям.
Цель исследования
- Систематически изучить влияние размера пор на развитие биопленки.
- Проанализировать влияние скорости потока на биозасорение.
- Углубить понимание фундаментальных механизмов в пористых средах.
Используемые методы
- Включите бокс-инкубатор за три часа до начала эксперимента.
- Подсоедините входную и выходную трубки к микрофлюидному устройству.
- Дегазируйте 30 milliliters деионизированной воды и культуральной среды в вакуумном эксикаторе.
- Для получения изображений используйте микроскопию высокого разрешения.
Основные результаты
- Платформа позволяет успешно количественно оценить влияние размера пор и скорости потока.
- Визуализация с высоким разрешением выявляет детальную картину развития биопленки.
- Измерения перепада давления коррелируют со скоростью биозасорения.
- Адаптивность платформы позволяет использовать различные конфигурации экспериментальных установок.
Выводы
- Микрофлюидная платформа эффективна для изучения динамики биопленок.
- Полученные результаты способствуют пониманию процессов биозасорения в пористых средах.
- Данный метод может быть применен при различных экспериментальных условиях.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Понимание и количественная оценка биозабивания в пористых средах имеют критическое значение для научно-исследовательских групп в сфере биофармацевтики, занимающихся фильтрацией, биопроцессингом и системами экологического контроля. Данная микрофлюидная платформа позволяет проводить систематический анализ динамики роста биопленки с высоким разрешением в условиях контролируемого потока и размера пор, что обеспечивает прогностическую уверенность при проектировании процессов и минимизации рисков. Этот подход служит многократно используемой основой для механистического снижения рисков и разработки кроссплатформенных методов анализа на этапах раннего поиска и проектирования технологических процессов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет изучать механизмы формирования биопленок при заданных физических параметрах.
- Обеспечивает функциональную валидацию микробных мишеней, влияющих на проницаемость и поток.
- Способствует снижению механистических рисков путем корреляции степени покрытия биопленкой с ростом давления.
- Предоставляет количественные данные для приоритизации портфеля исследований на основе выдвинутых гипотез.
Скрининг и разработка анализа
- Позволяет подготавливать валидированные микрофлюидные системы для воспроизводимых исследований роста биопленок.
- Стандартизирует условия анализа по скорости потока и размеру пор, обеспечивая сопоставимость результатов.
- Обеспечивает получение количественных данных (степень покрытия поверхности, давление) для последующего скрининга.
- Обеспечивает возможность масштабируемой платформенной оценки экологических или инженерных изолятов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет результаты исследований in vitro с практическими проблемами фильтрации и биопроцессинга в пористых средах.
- Обеспечивает преемственность от этапа открытия до доклинической валидации процессов в отношении рисков, связанных с биопленками.
- Предоставляет прогностические данные для корректировки стратегий фильтрации или ремедиации с учетом рисков.
- Способствует механистическому пониманию процессов, необходимых для трансляционной оптимизации технологий.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данная микрофлюидная платформа занимает промежуточное положение между этапами первичного поиска, разработки анализа и доклинической валидации процесса, обеспечивая возможность систематической проверки гипотез и количественного анализа явлений биозагрязнения.
- Фундаментальная биология: обеспечивает поддержку исследований механизмов роста биопленок и закупорки пор на основе выдвигаемых гипотез.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные результаты для стандартизации анализа и оценки соединений.
- Аналитика: предоставляет изображения с высоким разрешением и измерения давления для надежного анализа данных.
- Трансляционные исследования: связывает результаты исследований in vitro с процессами фильтрации в промышленном масштабе и экологическими системами.
- Корпоративное использование: предлагает гибкую, адаптируемую платформу для различных исследований микробных культур и пористых сред.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает точность прогнозирования и снижает неопределенность механизмов при оценке рисков процессов, связанных с биопленками.
- Операционная ценность: Повышает степень стандартизации, воспроизводимости и масштабируемости методов анализа биопленок.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о целесообразности продолжения работ («go/no-go») и эффективность использования капитала в циклах разработки технологических процессов.
- Влияние на портфель: Позволяет осуществлять приоритезацию стратегий фильтрации и ремедиации с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области микрофлюидики, микроскопии и аналитики измерения давления.
- Необходим доступ к средам с контролируемой температурой и инфраструктуре для дегазации.
- Требуется строгая стандартизация между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимости результатов.
- Метод применим к различным микробным изолятам и типам пористых сред.
- Тщательное удаление пузырьков воздуха и контроль температуры имеют решающее значение для достоверности данных.
