通过顺序毛细管辅助组装对微生物和微粒进行图案化

单个微生物的空间模式化，特别是在能够完全控制环境条件的实验领域，如微流体装置，在广泛的背景下是非常可取的。例如，将微生物排列成规则的阵列将允许对大量单个细胞进行精确成像，并研究它们的生长，生理学，响应环境刺激的基因表达和药物敏感性。它还允许研究对细胞通讯（例如，群体感应），交叉喂养（例如，藻类 – 细菌共生）或拮抗（例如，化感作用）特别感兴趣的细胞 – 细胞相互作用，并完全控制细胞相对于彼此的空间定位。细胞生理学和进化研究¹，细胞 – 细胞相互作用研究²，表型分化筛选³，环境监测⁴和药物筛选⁵ 是能够实现这种定量单细胞分析的技术可以极大地受益的领域。

近年来，从全息光学陷阱⁶和异质表面功能化方法^7，8，⁹，¹⁰到单细胞化学抑制剂¹¹和液滴微流体^12，已经提出了几种分离和处理单细胞的策略。这些方法要么在技术上要求很高，要么会影响细胞生理学，并且无法提供高通量平台来对可以长期研究的微生物进行模式分析，从而确保单细胞分辨率，完全光学访问和对环境条件的控制。本文的目的是描述一个平台，通过毛细管辅助组装，以微米精度将细菌图案化到PDMS表面上规定的空间排列中。该平台允许对微生物进行精确而灵活的空间图案化，并由于其微流体特性而能够完全光学访问和控制环境条件。

该平台背后的技术是近年来开发的组装技术，名为sCAPA13^，14，15（顺序毛细管辅助颗粒组装），被集成到微流体平台¹⁶中。蒸发液滴的半月板在微流体通道内的图案化聚二甲基硅氧烷（PDMS）底物上后退时，施加毛细管力，将悬浮在液体中的单个胶体颗粒捕获到基板上微细加工的微孔中（图1A）。悬浮颗粒首先通过对流输送到气液界面，然后通过毛细管进入陷阱。与粒子相互作用中涉及的力相比，移动半月板施加的毛细管力的作用范围更大。

因此，装配机制不受颗粒的材料、尺寸和表面特性的影响。颗粒浓度、弯月板速度、温度和悬浮液表面张力等参数是影响图案化过程产量的唯一参数。读者可以在^13，14，¹⁵中找到上述参数对图案化过程影响的详细说明。在最初的sCAPA技术^13，14，15中，胶体图案化过程在开放系统中进行，并且需要高精度压电级来驱动悬架穿过模板。该平台利用不同的策略，并允许在受控环境中使用通常用于微流体的标准设备进行图案化，从而最大限度地降低污染样品的风险。

这种微流体平台首先在胶体颗粒上进行优化，以创建常规的惰性颗粒阵列，然后成功应用于细菌。本文描述了这两种微流体平台（图1B，C）。方案中描述的大多数准备步骤和实验设备对于这两种应用都是通用的（图2）。我们报告了胶体图案化，以证明该技术可用于在同一表面上执行多个顺序沉积，以创建复杂的多材料图案。特别是，每个陷阱每个步骤沉积一个颗粒，以形成具有特定几何形状和组成的胶体阵列，完全由陷阱的几何形状和填充顺序决定。至于细菌模式，描述了单个沉积，导致每个陷阱沉积一个细菌。一旦细胞在表面上被图案化，微流体通道就会被培养基冲洗以促进细菌生长，这是任何单细胞研究的初步步骤。