Una piattaforma microfluidica per studiare il bioclogging in mezzi porosi

I biofilm – colonie batteriche incorporate in una matrice auto-secreta di sostanze extrapolimeriche (EPS) – sono onnipresenti nei mezzi porosi naturali, come terreni e falde acquifere¹, e nelle applicazioni tecniche e mediche, come il biorisanamento², la filtrazione dell’acqua³ e i dispositivi medici⁴. La matrice del biofilm è composta da polisaccaridi, fibre proteiche e DNA extracellulare^5,6 e dipende fortemente dai microrganismi^, dalla disponibilità di nutrienti e dalle condizioni ambientali⁷. Tuttavia, le funzioni della matrice sono universali; Costituisce l’impalcatura della struttura del biofilm, protegge la comunità microbica dalle sollecitazioni meccaniche e chimiche ed è in gran parte responsabile delle proprietà reologiche dei biofilm⁵.

Nei mezzi porosi, la crescita dei biofilm può ostruire i pori, causando il cosiddetto biointasamento. Lo sviluppo del biofilm è controllato dal flusso del fluido e dalla dimensione dei pori, definita come la distanza che separa due pilastri, del mezzo poroso ^8,9,10. Sia la dimensione dei pori che il flusso del fluido controllano il trasporto dei nutrienti e le forze di taglio locali. A sua volta, il biofilm in crescita ostruisce i pori, influenzando la distribuzione della velocità del fluido 11,12,13, il trasporto di massa e la conduttività idraulica del mezzo poroso ^14,15. Le variazioni della conducibilità idraulica si riflettono attraverso l’aumento della pressione nei sistemi confinati 16,17,18,19. Gli attuali studi microfluidici nello sviluppo di biofilm e bioclogging si concentrano sullo studio dell’impatto delle velocità di flusso in geometrie omogenee^16,20 (cioè con una dimensione dei pori singolare) o mezzi porosi eterogenei^12,21,22. Tuttavia, per districare gli effetti delle portate e della dimensione dei pori sullo sviluppo del biofilm e le conseguenti variazioni di pressione nel mezzo poroso biointasato, è necessaria una piattaforma sperimentale altamente controllabile e versatile che consenta lo studio di diverse geometrie porose e condizioni ambientali in parallelo.

Il presente studio introduce una piattaforma microfluidica che combina misurazioni della pressione con l’imaging simultaneo del biofilm in evoluzione all’interno del mezzo poroso. Grazie alla sua permeabilità ai gas, alla biocompatibilità e alla flessibilità nella progettazione della geometria del canale, un dispositivo microfluidico in polidimetilsilossano (PDMS) è uno strumento adatto per studiare lo sviluppo di biofilm in mezzi porosi. La microfluidica consente il controllo delle condizioni fisiche e chimiche (ad esempio, flusso di fluidi e concentrazione di nutrienti) con elevata precisione per imitare l’ambiente degli habitat microbici²³. Inoltre, i dispositivi microfluidici possono essere facilmente ripresi con risoluzione micrometrica utilizzando un microscopio ottico e accoppiati con misurazioni online (ad esempio, la pressione locale).

In questo lavoro, gli esperimenti si concentrano sullo studio dell’impatto della dimensione dei pori in un analogo poroso omogeneo in condizioni di flusso imposte controllate. Il flusso di un terreno di coltura viene imposto utilizzando una pompa a siringa e la differenza di pressione attraverso il canale microfluidico viene misurata simultaneamente con sensori di pressione. Lo sviluppo del biofilm è iniziato seminando una coltura planctonica di Bacillus subtilis nel canale microfluidico. L’imaging regolare del biofilm in evoluzione e l’analisi delle immagini consentono di ottenere informazioni risolte in scala di pori sulla copertura superficiale in varie condizioni sperimentali. Le informazioni correlate del cambiamento di pressione e l’estensione del bioclogging forniscono input cruciali per le stime della permeabilità dei mezzi porosi biointasati.