多孔質媒体中のバイオクラッシングを研究するためのマイクロ流体プラットフォーム

バイオフィルム(高分子外物質(EPS)の自己分泌マトリックスに埋め込まれた細菌コロニー)は、土壌や帯水層¹などの天然多孔質媒体や、バイオレメディエーション²、水ろ過³、医療機器⁴などの技術的および医学的用途に遍在しています。バイオフィルムマトリックスは、多糖類、タンパク質繊維、および細胞外^DNA5,6で構成されており、微生物、栄養素の利用可能性、および環境条件に強く依存します⁷。それでも、行列の関数は普遍的です。バイオフィルム構造の足場を形成し、微生物群集を機械的および化学的ストレスから保護し、バイオフィルムのレオロジー特性に大きく関与しています⁵。

多孔質媒体では、バイオフィルムの成長が毛穴を詰まらせ、いわゆるバイオ目詰まりを引き起こす可能性があります。バイオフィルムの発達は、多孔質媒体^8、9、10の2本の柱を隔てる距離として定義される流体の流れと細孔サイズによって制御されます。細孔サイズと流体の流れの両方が、栄養素の輸送と局所的なせん断力を制御します。次に、成長するバイオフィルムは細孔を詰まらせ、流体11、¹²、¹³の速度分布、物質輸送、および多孔質媒体^14、15の透水伝導率に影響を与える。透水係数の変化は、閉じ込められたシステムの圧力の増加に反映されます^16,17,18,19。バイオフィルムの発生とバイオクロッキングにおける現在のマイクロ流体研究は、均質な形状^16,20(すなわち、単一の細孔サイズを有する)または不均一な多孔質媒体^12,21,22における流速の影響の研究に焦点を当てている。しかし、バイオフィルムの発達に対する流量と細孔サイズの影響と、その結果生じるバイオ詰まった多孔質媒体の圧力変化を解きほぐすには、さまざまな多孔質媒体の形状と環境条件を並行して研究できる高度に制御可能で用途の広い実験プラットフォームが必要です。

本研究では、圧力測定と多孔質媒体内の進化するバイオフィルムの同時イメージングを組み合わせたマイクロ流体プラットフォームを紹介します。ポリジメチルシロキサン(PDMS)製のマイクロ流体デバイスは、ガス透過性、生体適合性、およびチャネル形状設計の柔軟性により、多孔質媒体でのバイオフィルム発生を研究するのに適したツールです。マイクロフルイディクスは、物理的および化学的条件(例えば、流体の流れおよび栄養素濃度)を高精度で制御して、微生物生息地の環境を模倣する^{ことを可能にする23}。さらに、マイクロ流体デバイスは、光学顕微鏡を使用してマイクロメートル分解能で容易に画像化し、オンライン測定(例えば、局所圧力)と組み合わせることができる。

この研究では、実験は、制御された課された流動条件下での均質な多孔質媒体アナログにおける細孔サイズの影響の研究に焦点を当てています。シリンジポンプを使用して培地の流れを強制し、マイクロ流体チャネルを通る圧力差を圧力センサーと同時に測定します。バイオフィルムの開発は、枯 草菌 のプランクトン培養物をマイクロ流体チャネルに播種することによって開始されます。進化するバイオフィルムの定期的なイメージングと画像解析により、さまざまな実験条件下での表面被覆に関する細孔スケール分解情報を取得できます。圧力変化とバイオクロッキングの程度に関する相関情報は、バイオ詰まった多孔質媒体の透過性推定に重要なインプットを提供します。