RU2522005C2 - Method of growing colonies of microbial cells and device for its realisation - Google Patents
Method of growing colonies of microbial cells and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2522005C2 RU2522005C2 RU2011154770/10A RU2011154770A RU2522005C2 RU 2522005 C2 RU2522005 C2 RU 2522005C2 RU 2011154770/10 A RU2011154770/10 A RU 2011154770/10A RU 2011154770 A RU2011154770 A RU 2011154770A RU 2522005 C2 RU2522005 C2 RU 2522005C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microbial cells
- growth
- colonies
- plate
- zones
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к аналитическому приборостроению и могут быть использованы при исследовании жидких биологических и медицинских проб. Наиболее эффективно их использовать при микробиологической экспресс-диагностике, включая определение чувствительности бактерий к антибиотикам, в составе миниатюрных аналитических устройств - лабораторий на чипе для портативных систем микробиологического контроля.The invention relates to analytical instrumentation and can be used in the study of liquid biological and medical samples. They are most effectively used in express microbiological diagnostics, including determining the sensitivity of bacteria to antibiotics, as part of miniature analytical devices - laboratories on a chip for portable microbiological control systems.
Портативные системы микробиологического контроля с лабораториями на чипе могут работать в лабораторных и полевых условиях, и в соответствующих телеметрических системах. Система должна легко перенастраиваться для работы с различным клиническим материалом и поиска возбудителей различных групп инфекций: респираторных, желудочно-кишечного тракта, урогенитального тракта, внутрибольничных инфекций, оценки бактериальной обсемененности внешней среды.Portable microbiological control systems with laboratories on a chip can work in laboratory and field conditions, and in the corresponding telemetry systems. The system should be easily reconfigurable to work with various clinical material and to search for pathogens of various groups of infections: respiratory, gastrointestinal, urogenital, nosocomial infections, assessment of bacterial contamination of the external environment.
Анализ микробиологических проб включает изолирование микробных клеток, накопление биомассы и идентификацию штаммов микробных клеток, определение их количества, а также определение их чувствительности к антибиотикам. Это необходимо для диагностики инфекционных бактериальных заболеваний и правильного назначения антибактериальной терапии. Данная проблема особенно актуальна в связи с ростом заболеваемости населения инфекционными бактериальными заболеваниями и увеличением числа устойчивых ко многим антибиотикам штаммов патогенных бактерий. В 2010 году число инфекционных и паразитарных заболеваний в России достигло 30069567 случаев (по данным Роспотребнадзора: /asset_publisher/N2qH/content/2). Традиционное микробиологическое исследование является трудоемким и, что более существенно, длительным (3-7 дней). Оно проводится только в специализированных учреждениях и, как правило, для стационарных больных. Создание миниатюрных мобильных устройств для экспресс-идентификации патогенов и определения их чувствительности к антибиотикам позволит правильно выбирать тактику лечения инфекционных заболеваний, повысить его эффективность, децентрализовать микробиологический анализ и сделать его доступным для всего населения, включая удаленные районы. Низкая стоимость и доступность проведения анализа позволят с его помощью улучшить лабораторную диагностику при инфекционных заболеваниях и повысить качество лечения.The analysis of microbiological samples includes the isolation of microbial cells, the accumulation of biomass and the identification of strains of microbial cells, the determination of their number, as well as the determination of their sensitivity to antibiotics. This is necessary for the diagnosis of infectious bacterial diseases and the correct appointment of antibacterial therapy. This problem is especially relevant in connection with an increase in the incidence of infectious bacterial diseases and an increase in the number of strains of pathogenic bacteria resistant to many antibiotics. In 2010, the number of infectious and parasitic diseases in Russia reached 30069567 cases (according to Rospotrebnadzor: / asset_publisher / N2qH / content / 2). Traditional microbiological research is time-consuming and, more significantly, lengthy (3-7 days). It is carried out only in specialized institutions and, as a rule, for inpatients. The creation of miniature mobile devices for the rapid identification of pathogens and determining their sensitivity to antibiotics will make it possible to choose the right tactics for treating infectious diseases, increase its effectiveness, decentralize microbiological analysis and make it accessible to the entire population, including remote areas. The low cost and availability of the analysis will allow it to improve laboratory diagnostics for infectious diseases and improve the quality of treatment.
Наиболее длительной (лимитирующей) стадией проведения культурального микробиологического анализа (наиболее достоверного способа диагностики при инфекционных заболеваниях) является накопление микроорганизмов на питательных средах. Именно эта стадия требует усовершенствования для повышения скорости анализа. Длительность этой стадии определяется необходимостью накопления видимых глазом колоний с явными визуальными характеристиками. После первичного инкубирования и накопления материал вручную отбирают для дальнейших исследований, а именно, идентификации, выделения и накопления чистой культуры патогена, постановки чувствительности к антибиотикам. Известны автоматические и полуавтоматические инструментальные способы микробиологического анализа, реализуемые с помощью стационарных приборов, однако они также являются длительными и требуют первичного накопления клеток. Сравнительные данные технико-эксплуатационных характеристик прибора с использованием заявляемого устройства и промышленных аналогов представлены в табл.1.The longest (limiting) stage of conducting cultural microbiological analysis (the most reliable diagnostic method for infectious diseases) is the accumulation of microorganisms on nutrient media. It is this stage that needs improvement to increase the speed of analysis. The duration of this stage is determined by the need for the accumulation of colonies visible with the eye with obvious visual characteristics. After the initial incubation and accumulation, the material is manually selected for further studies, namely, identification, isolation and accumulation of a pure pathogen culture, and sensitivity to antibiotics. Known automatic and semi-automatic instrumental methods of microbiological analysis, implemented using stationary devices, however, they are also lengthy and require primary accumulation of cells. Comparative data on the technical and operational characteristics of the device using the inventive device and industrial analogues are presented in table 1.
Известен полуавтоматический метод микробиологического анализа (табл.1, столбец 2), в котором используют посев биологических образцов в чашки Петри с питательной средой, инкубацию проб с целью накопления колоний микробных клеток, выделение отдельных колоний и проведение исследования их чувствительности к антибиотикам по методу Кирби-Баера. В данном методе многие операции проводятся вручную, что существенно снижает производительность метода. Применяется инкубатор высокой стоимости и габаритов, что делает метод принципиально не пригодным для работы в удаленных местах. Требуется большое количество расходных материалов. Метод не пригоден для автоматизации и не может выполнять техническую задачу, поставленную в данном изобретении.The semi-automatic method of microbiological analysis is known (Table 1, column 2), which uses the inoculation of biological samples in Petri dishes with nutrient medium, incubation of samples in order to accumulate colonies of microbial cells, isolation of individual colonies and the study of their sensitivity to antibiotics according to the Kirby method Baer. In this method, many operations are carried out manually, which significantly reduces the performance of the method. An incubator of high cost and dimensions is used, which makes the method fundamentally unsuitable for working in remote places. A large amount of consumables is required. The method is not suitable for automation and cannot fulfill the technical task set in this invention.
Известный автоматический микробиологический анализатор «VITEK® 2 compact 60» (табл.1, столбец 3), разработанный фирмой bioMerieux SA (Франция), проводит автоматическую идентификацию вида патогенных микробных клеток и определение их чувствительности к антибиотикам на отдельных микробиологических карточках для каждого из этих типов анализов. Для работы требуется предварительное накопление и выделение штамма патогенной бактерии. Время анализа по данным производителя составляет до одних суток, а с учетом предварительного накопления патогенных микробных клеток двое и более суток. Прибор является стационарным и не приспособлен для работы в удаленных местах оказания помощи, в том числе в поликлиниках. Его высокая стоимость определяет необходимость размещения в крупных централизованных микробиологических лабораториях. В приборе не автоматизирована процедура предварительного накопления и сортировки микробных клеток с выделением штаммов патогенных или диагностически значимых микробных клеток. Таким образом, данный известный промышленный прибор не может достигать технических задач, поставленных в данном изобретении.The well-known automatic microbiological analyzer "VITEK ® 2 compact 60" (Table 1, column 3), developed by bioMerieux SA (France), automatically identifies the type of pathogenic microbial cells and determines their sensitivity to antibiotics on separate microbiological cards for each of these types analyzes. For work, preliminary accumulation and isolation of a strain of pathogenic bacteria is required. According to the manufacturer, the analysis time is up to one day, and taking into account the preliminary accumulation of pathogenic microbial cells, two or more days. The device is stationary and not suitable for work in remote places of assistance, including in clinics. Its high cost determines the need for placement in large centralized microbiological laboratories. The device does not automate the procedure of preliminary accumulation and sorting of microbial cells with the isolation of strains of pathogenic or diagnostically significant microbial cells. Thus, this well-known industrial device cannot achieve the technical objectives set in this invention.
Достижения технологий микроэлектроники, микросистемной техники и принципы миниатюризации в инструментальном анализе открыли возможности развития нового поколения технических средств - микроаналитических систем, называемых также: µ-TAS, lab-on-a-chip (лаборатории на чипе), микрофлюидные системы и др. (Manz A., Graber N., Widmer Н.M. // Sensors and Actuators. 1990. B.1. P.244-248; Зимина Т.M. // Петербургский журнал электроники. 2000. №3-4. С.79). Представляя собой миниатюрные устройства, изготовленные с помощью планарных и гибридных технологий, микроаналитические системы предназначены для проведения различного рода химических анализов и биомедицинских испытаний. Такие системы позволяют повысить производительность при осуществлении биомедицинского и экологического анализа, изучении живых организмов. Разработка микроаналитических систем позволяет решать задачи снижения стоимости, материало - и энергоемкости изделий, повышать производительность анализа. Эти усовершенствования возможны благодаря формированию таких устройств с помощью микро- и нанотехнологий, позволяющих реализовывать прецизионную геометрию, обеспечивающую возможность геометрической комплементарности компонентов на молекулярном уровне, повышение скорости анализа без дополнительных затрат, управление массопереносом и автоматическое регулирование в микромасштабе стадий аналитического процесса в интегрированных функциональных модулях и подсистемах. Перенос биологических объектов в таких системах может осуществляться с помощью приемов проточного анализа, с использованием принципов микрофлюидики. Усовершенствование способов традиционного микробиологического анализа может быть осуществлено именно с использованием возможностей технологий микро- и наноэлектроники.Advances in microelectronics technology, microsystem technology, and the principles of miniaturization in instrumental analysis have opened up the possibility of developing a new generation of technical tools - microanalytical systems, also called µ-TAS, lab-on-a-chip (lab on a chip), microfluidic systems, etc. (Manz A., Graber N., Widmer N.M. // Sensors and Actuators. 1990. B.1. P.244-248; Zimina T.M. Petersburg Journal of Electronics. 2000. No. 3-4. 79). Representing miniature devices made using planar and hybrid technologies, microanalytical systems are designed for various types of chemical analyzes and biomedical tests. Such systems can improve productivity in the implementation of biomedical and environmental analysis, the study of living organisms. The development of microanalytical systems allows us to solve the problem of reducing the cost, material and energy intensity of products, to increase the productivity of analysis. These improvements are possible due to the formation of such devices with the help of micro- and nanotechnologies, which allow to implement precision geometry, providing the possibility of geometric complementarity of components at the molecular level, increase the speed of analysis without additional costs, control mass transfer and automatic micro-scale control of the stages of the analytical process in integrated functional modules and subsystems. The transfer of biological objects in such systems can be carried out using flow analysis techniques, using the principles of microfluidics. Improving the methods of traditional microbiological analysis can be carried out precisely using the capabilities of micro- and nanoelectronics technologies.
Известен способ выращивания культур клеток, в котором клетки выращивают в ростовом резервуаре, содержащем питательную среду, соединенном с резервуаром для питательной среды с образованием тангенциального потока в ростовом резервуаре с помощью средств контроля потока и внешнего насоса, мембрану, расположенную также тангенциально, в виде полых волокон или рамки с фильтром, обеспечивающую стерильный барьер для клеток, узел отбора выросших клеток с возможностью его открытия и закрытия, систему обеспечения массопереноса культур с возможностью изменения направления потока среды с помощью четырехходового крана, систему фильтрации в виде «стопки тарелок» и полых волокон, для отделения твердых примесей, средство замены питательной среды, средство концентрирования клеток, путем удаления лишней жидкости (US 6022742, C12M 1/36,2000).A known method of growing cell cultures, in which the cells are grown in a growth reservoir containing a nutrient medium connected to a reservoir for a nutrient medium with the formation of a tangential flow in the growth reservoir using flow control and an external pump, the membrane is also located tangentially in the form of hollow fibers or frames with a filter providing a sterile barrier for cells, a node for selecting grown cells with the possibility of its opening and closing, a system for ensuring mass transfer of cultures with possible the ability to change the direction of the medium flow using a four-way valve, a filtration system in the form of a "stack of plates" and hollow fibers, for separating solid impurities, a means of replacing the nutrient medium, a means of concentrating cells, by removing excess fluid (US 6022742,
Данный способ не предусматривает контролируемый рост индивидуальных микроколоний, прикрепленных к зонам роста с целью сокращения времени роста идентифицируемых микроколоний клеток, и не возможен их контролируемый перенос во внешние устройства для идентификации и сортировки колоний.This method does not provide for the controlled growth of individual microcolonies attached to growth zones in order to reduce the growth time of identified microcolonies of cells, and their controlled transfer to external devices for identification and sorting of colonies is not possible.
Известен способ выращивания биологических клеток, реализуемый в жидкой среде на платформе в микролунках, соединенных микроканалами, по которым поступают среды, обеспечивающие рост колоний. Микролунки и каналы сформированы в виде профиля, который после покрытия покровной пластиной образует микрокамеры и капилляры. Покровная пластина имеет отверстия для доступа в камеры. Камеры и каналы сформированы радиально на диске, который имеет возможность вращения для перемещения камер через апертуру оптического регистрирующего устройства для анализа колоний без нарушения их структуры в камерах (US 6632656 B1, C12M 3/06, C12Q 1/20,2003).A known method of growing biological cells, implemented in a liquid medium on a platform in microwells, connected by microchannels, through which the mediums that provide the growth of colonies. Microwells and channels are formed in the form of a profile, which, after coating with a cover plate, forms microchambers and capillaries. The cover plate has openings for access to the cameras. The cameras and channels are formed radially on a disk that can rotate to move the cameras through the aperture of the optical recording device for analyzing colonies without disturbing their structure in the cameras (US 6,632,656 B1, C12M 3/06, C12Q 1 / 20,2003).
Данный способ не предусматривает возможность отрыва и переноса микроколоний для идентификации во внешние устройства с целью выделения колоний бактерий и их последующего накопления для исследования чувствительности к антибактериальным средствам.This method does not provide for the possibility of separation and transfer of microcolonies for identification to external devices in order to isolate bacterial colonies and their subsequent accumulation to study sensitivity to antibacterial agents.
Известны способы выращивания колоний, осуществляемые с помощью миниатюрных ячеек для роста клеток, сформированных с помощью нанесения пленок из полимеров и/или оксидов и фторидов металлов толщиной 0,01-0,2 мм и, затем, формирования путем частичного удаления пленок участков заданной геометрии, и со свойствами поверхности, обеспечивающими контроль за ростом клеток (JP 1141588, C12M 3/00, 1989; JP 7075547, C08F 120/28,20/26, C12M 1/00, 3/00, 5/07, 5/0783, 1993).Known methods of growing colonies, carried out using miniature cells for cell growth, formed by applying films of polymers and / or oxides and fluorides of metals with a thickness of 0.01-0.2 mm and, then, forming by partial removal of the films of sections of a given geometry, and with surface properties that control cell growth (JP 1141588, C12M 3/00, 1989; JP 7075547, C08F 120 / 28,20 / 26, C12M 1/00, 3/00, 5/07, 5/0783, 1993).
В указанных способах отсутствует возможность автоматического отрыва и переноса колоний в узел идентификации и сортировки во внешних устройствах с целью выделения колоний микробных клеток и тестирования их чувствительности к антибиотикам.In these methods, it is not possible to automatically detach and transfer the colonies to the identification and sorting unit in external devices in order to isolate colonies of microbial cells and test their sensitivity to antibiotics.
Более близким к заявляемому способу является способ культивирования и анализа индивидуальных культур клеток, в котором после предварительной очистки пробы, содержащей разнообразные клетки, клетки помещают в ростовые ячейки (или площадки) для проведения одновременного их роста при заданных условиях (влажность, температура, состав жидкой среды) с получением индивидуальных микроколоний. Способ осуществляется с применением ростовых ячеек, например, сформированных с помощью микротехнологий, очень малого размера, так, чтобы обеспечить рост индивидуальных клеток, размером, сопоставимым с размером ростовой зоны. В данном способе суспензию клеток помещают в ростовые зоны после разделения суспензии на отдельные объемы, достаточно малые, чтобы в дальнейшем обеспечить рост гомогенной культуры в каждом объеме, проводят их посев и инкубирование в отдельных микролунках, имеющих цилиндрическую форму, отделенных друг от друга на расстояние не менее 1,8 мм, а поверхность между ними покрыта водоотталкивающим слоем и является общей для всех «микрокультур» или индивидуальных микроколоний, причем по время инкубирования к культурам поступают необходимые питательные вещества через мембраны с размером пор 0,1×10-7÷4×1-6 ми толщиной 0,2×10-7÷10×10-6 (EP 1425384 (A2), C12M 1/00, 1/20, 1/26, 1/34; C12N 1/00, 1/02; 2002 г.).Closer to the claimed method is a method of cultivation and analysis of individual cell cultures, in which, after preliminary cleaning of the sample containing a variety of cells, the cells are placed in growth cells (or platforms) to conduct their simultaneous growth under specified conditions (humidity, temperature, composition of the liquid medium ) to obtain individual microcolonies. The method is carried out using growth cells, for example, formed using microtechnologies, of a very small size, so as to ensure the growth of individual cells in a size comparable to the size of the growth zone. In this method, the cell suspension is placed in the growth zones after separation of the suspension into separate volumes small enough to further ensure the growth of a homogeneous culture in each volume, they are seeded and incubated in separate microwells having a cylindrical shape, not separated by less than 1.8 mm, and the surface between them is covered with a water-repellent layer and is common to all "microcultures" or individual microcolonies, and during the incubation, the necessary pits come to the cultures substances through membranes with a pore size of 0.1 × 10 -7 ÷ 4 × 1 -6 with a thickness of 0.2 × 10 -7 ÷ 10 × 10 -6 (EP 1425384 (A2),
Однако и в данном способе не решена задача быстрого отделения индивидуальных микроколоний и их переноса во внешние устройства идентификации и сортировки. Способ является сложным и не приспособлен для экспресс-анализа, а соответствующее устройство не может использоваться в портативном приборе из-за сложной конструкции и низкой прочности дозаторов, оно не предусматривает возможность выделения и идентификации патогенных штаммов, с целью их последующего накопления и исследования чувствительности к антибактериальным препаратам.However, in this method, the problem of the rapid separation of individual microcolonies and their transfer to external identification and sorting devices was not solved. The method is complex and not suitable for rapid analysis, and the corresponding device cannot be used in a portable device due to the complex design and low strength of the dispensers, it does not provide for the possibility of isolation and identification of pathogenic strains, with the aim of their subsequent accumulation and study of sensitivity to antibacterial drugs.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу - прототипом является способ представленный в статье Ingham, С.J., Sprenkels, A., Bomer, J., Molenaar, D., van den Berg, A., van Hylckama Vlieg, J.E.Т., de Vos, W.M. «The micro-Petri dish, a million-well growth chip for the culture and high-throughput screening of microorganisms» 04/46/18217.full.The closest in technical essence to the claimed method - the prototype is the method presented in the article Ingham, C. J., Sprenkels, A., Bomer, J., Molenaar, D., van den Berg, A., van Hylckama Vlieg, JET ., de Vos, WM “The micro-Petri dish, a million-well growth chip for the culture and high-throughput screening of microorganisms.” 04/46 / 18217.full.
Способ осуществляют на пористой пластине из анодного оксида алюминия, на поверхности которой сформированы специальные зоны для роста микроорганизмов, ограниченные стенками полимерной сетки, образованной способом ламинирования с последующей фотолитографией и плазменным травлением.The method is carried out on a porous plate of anodic alumina, on the surface of which special zones are formed for the growth of microorganisms, limited by the walls of the polymer network formed by the lamination method followed by photolithography and plasma etching.
При реализации такого способа выращивания колоний микробных клеток питательный раствор подают путем просачивания за счет капиллярных сил через поры пластины из пористого анодного оксида алюминия, сопряженной со слоем агара. Далее вручную подают микробные клетки, распределяя их по зонам роста. Инкубируют в анаэробных условиях при 37°C, или иных заданных условиях, наблюдая за ростом колоний до необходимого размера с помощью микроскопа. После достижения достаточного размера, колонии микробных клеток отсоединяют от зон роста вручную, используя острую стерильную зубочистку, и также вручную осуществляют их перенос во внешние средства идентификации.When implementing such a method of growing colonies of microbial cells, a nutrient solution is supplied by seeping through the pores of a porous anodic alumina plate conjugated with an agar layer through capillary forces. Next, microbial cells are manually fed, distributing them among the growth zones. Incubated under anaerobic conditions at 37 ° C, or other specified conditions, observing the growth of colonies to the required size using a microscope. After reaching a sufficient size, colonies of microbial cells are manually disconnected from the growth zones using a sharp sterile toothpick, and they are also manually transferred to external means of identification.
Основными недостатками прототипа способа является использование ручного труда при подаче клеток в зоны роста, а также при отсоединении выросших колоний и их переносе в средства идентификации и невозможность автоматизации процесса.The main disadvantages of the prototype method is the use of manual labor when feeding cells into the growth zone, as well as when disconnecting the grown colonies and transferring them to identification tools and the inability to automate the process.
Задачей заявляемого способа является разработка способа выращивания колоний микробных клеток, позволяющего получить технический результат, заключающийся в создании условий для обеспечения автоматизации процесса выращивания, отрыва и переноса микроколоний, что обеспечивает возможность использования способа в лабораториях на чипе.The objective of the proposed method is to develop a method for growing colonies of microbial cells, which allows to obtain a technical result, which consists in creating conditions for automation of the process of growing, separation and transfer of microcolonies, which makes it possible to use the method in laboratories on a chip.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе выращивания колоний микробных клеток подача питательного раствора осуществляется снизу вверх через отверстия в пластине и, расположенные в них пористые мембраны, в зоны роста колоний микробных клеток, сформированные на пористых мембранах; подача микробных клеток осуществляется на верхнюю поверхность пластины до их равномерного распределения в зонах роста; обеспечивается создание условий для роста микроорганизмов в виде колоний в условиях контроля параметров среды (температуры, влажности, парциального давления кислорода и др.); проводится наблюдение за ростом колоний; осуществляется отрыв выращенных микроколоний микробных клеток от зон роста путем гидроудара и перенос их во внешние средства идентификации в потоке.The essence of the proposed method lies in the fact that in the method of growing colonies of microbial cells, the nutrient solution is supplied from the bottom up through the holes in the plate and the porous membranes located in them, into the growth zones of the colonies of microbial cells formed on porous membranes; the supply of microbial cells is carried out on the upper surface of the plate until they are evenly distributed in the growth zones; creation of conditions for the growth of microorganisms in the form of colonies is ensured under conditions of monitoring environmental parameters (temperature, humidity, oxygen partial pressure, etc.); colony growth is monitored; the grown microcolonies of microbial cells are separated from the growth zones by water hammer and transfer them to external means of identification in the stream.
Существенными отличиями заявляемого способа являются соизмеримость зон роста и микроколоний, что предполагает выделение сразу чистой культуры микроорганизмов, возможность контроля подачи питательной среды, возможность контроля роста колоний in situ, возможность создания условий гидроудара с применением ударного давления на входе отверстий в пористой пластине для отрыва колоний от поверхности зон роста на пористой мембране, расположенной в отверстии, с целью их автоматического перемещения без механического повреждения микроколоний во внешние устройства для их дальнейшего исследования, а также возможность осуществления способа в лаборатории на чипе. Подача питательного раствора осуществляется за счет перепада давления при подаче раствора снизу верх, что позволяет контролировать процесс подачи раствора к зонам роста, а также автоматизировать его (например, подача насосом). Подача суспензии с помощью автоматизированных средств (насоса) позволяет равномерно распределять ее по поверхности. Нанесение гидрофобной пленки на поверхность пластины с отверстиями препятствует прикреплению к ней микроорганизмов, которые будут задерживаться зонами роста с повышенной концентрацией питательных веществ, подаваемых снизу. Благодаря регулируемой подаче питательного раствора в зоны роста обеспечивается рост колоний. При достижении благодаря делению размера порядка N=100-1000 клеток в колонии, микроколонии отделяются от зон роста для перенесения во внешние средства идентификации. Отрыв микроколоний в заявляемом методе проводится с помощью гидроудара. Создание режима гидроудара позволяет автоматизировать процесс отрыва колоний для их последующего переноса.Significant differences of the proposed method are the commensurability of the growth zones and microcolonies, which implies the isolation of a purely culture of microorganisms, the ability to control the supply of nutrient medium, the ability to control colony growth in situ, the possibility of creating shock conditions using shock pressure at the inlet of the holes in the porous plate to separate the colonies from the surface of growth zones on a porous membrane located in the hole, with the aim of their automatic movement without mechanical damage to the microcolonies in external devices for their further research, as well as the possibility of implementing the method in the laboratory on a chip. The supply of the nutrient solution is carried out due to the pressure drop when the solution is supplied from the bottom to the top, which allows you to control the process of supplying the solution to the growth zones, as well as automate it (for example, pumping). Submission of the suspension using automated means (pump) allows you to evenly distribute it on the surface. The application of a hydrophobic film to the surface of the plate with holes prevents the attachment of microorganisms to it, which will be delayed by growth zones with an increased concentration of nutrients supplied from below. Thanks to the regulated supply of nutrient solution to the growth zones, colony growth is ensured. Upon reaching, by dividing, a size of the order of N = 100-1000 cells in the colony, the microcolonies are separated from the growth zones for transfer to external means of identification. Separation of microcolonies in the claimed method is carried out using a water hammer. Creating a water hammer regime allows you to automate the process of separation of colonies for their subsequent transfer.
Известно переносное устройство для выращивания колоний клеток, в котором содержится кассета, с емкостью для роста клеток, контейнер для ростовой среды, контейнер для слива отходов, узел для сбора выросших колоний, соединенные в единое устройство, не связанное с внешней средой. Устройство может сопрягаться с различными внешними устройствами, например, узлом для перемешивания клеток, процессором, термостатом, узлом массопереноса, фильтрами для регулирования состава среды и узлом отбора и концентрирования клеток. Узел массопереноса в устройстве обеспечивает подачу среды, смену направления тангенциального ростовой поверхности потока для оптимизации роста клеток и повышения выхода культуры, а также подачу стерильной ростовой среды и удаления ингибирующих веществ (US 6096532, C12M 3/02,1997).A portable device for growing cell colonies is known, which contains a cassette with a container for cell growth, a container for growth medium, a container for draining waste, a unit for collecting grown colonies, connected to a single device that is not connected with the external environment. The device can interface with various external devices, for example, a unit for mixing cells, a processor, a thermostat, a mass transfer unit, filters for regulating the composition of the medium, and a unit for selecting and concentrating cells. The mass transfer unit in the device provides a medium supply, a change in the direction of the tangential growth surface of the stream to optimize cell growth and increase the yield of culture, as well as a sterile growth medium and removal of inhibitory substances (US 6096532,
Данное устройство обеспечивает возможность автоматизации и оптимизации процесса роста и сбора клеток, но является сложным, громоздким и не предусматривает возможность автоматического перемещения отдельных микроколоний клеток во внешние устройства для их идентификации и дальнейшего определения их чувствительности к антибиотикам, т.е. не выполняет поставленную задачу. Описанное устройство не предназначено для интегрирования в лабораторию на чипе.This device provides the ability to automate and optimize the process of cell growth and collection, but it is complex, cumbersome and does not provide for the ability to automatically move individual microcolonies of cells to external devices to identify them and further determine their sensitivity to antibiotics, i.e. does not complete the task. The described device is not intended to be integrated into the laboratory on a chip.
Известно устройство, в котором в качестве субстрата для роста штаммов клеток используется полупроницаемая мембрана, через поры которой поступает питательный раствор. Например, устройство для выращивания культур клеток и бактерий, которое помещается в чашку Петри, содержащую жидкость или питательный раствор, представляющее собой кольцо или рамку, на котором закреплена пористая решетка, покрытая пористой мембраной, так, чтобы ее нижняя поверхность находилась в полном контакте с жидкостью, а на верхнюю плоскость мембраны помещаются клетки, бактерии или иные организмы, которые получают питание из пор мембраны (GR 1003266 (B2), C12M 1/12, 3/06, 1997). Известно также устройство для анализа клеток, в котором микролунки изготовлены с помощью фоторезистивной пленки, толщиной 15-60 мкм, образующей стенки лунок (RU 2298798, G01N 33/546).A device is known in which a semipermeable membrane is used as a substrate for the growth of cell strains, through the pores of which a nutrient solution enters. For example, a device for growing cell and bacterial cultures, which is placed in a Petri dish containing a liquid or nutrient solution, which is a ring or a frame on which a porous lattice coated with a porous membrane is fixed, so that its lower surface is in full contact with the liquid and cells, bacteria or other organisms that are fed from the pores of the membrane (GR 1003266 (B2),
Данные устройства не обладают потенциалом автоматизации и возможностью отбора микроколоний, т.е. не могут быть использованы для получения в короткий срок чистой культуры микроорганизмов.These devices do not have the automation potential and the ability to select microcolonies, i.e. cannot be used to obtain in a short time a pure culture of microorganisms.
Известны устройства для выращивания колоний клеток, в которых содержится узел массопереноса, фильтры для регулирования состава среды и узел отбора и концентрирования клеток. Узел массопереноса в таких устройствах обеспечивает подачу среды для оптимизации роста клеток и повышения выхода культуры, а также подачу стерильной ростовой среды и удаления ингибирующих веществ (US 6022742, C12M 1/36, 1988; US 4885087, B01D 13/00, C12N 5/00, 1986; US 6127141, C12P 1/00, 1999; US 5240854, C12M 3/00, 1991; US 6096532, C12M 3/02, 1997; US 7320889 B2, C12M 1/08, 2004). Все эти устройства, обеспечивающие возможность автоматизации и оптимизации процесса роста клеток, являются сложными, громоздкими и не предусматривают возможность автоматического перемещения индивидуальных микроколоний клеток во внешние устройства для идентификации и определения чувствительности полученных культур к антибиотикам.Known devices for growing cell colonies that contain a mass transfer site, filters for regulating the composition of the medium and a site for the selection and concentration of cells. The mass transfer unit in such devices provides a medium to optimize cell growth and increase the yield of culture, as well as a sterile growth medium and removal of inhibitory substances (US 6022742,
Наиболее близким к заявляемому является устройство, представленное в статье Ingham, С.J., Sprenkels, A., Bomer, J., Molenaar, D., van den Berg, A., van Hylckama Vlieg, J.E.Т., de Vos, W.M. «The micro-Petri dish, a million-well growth chip for the culture and high-throughput screening of microorganisms)) .Closest to the claimed is the device presented in the article Ingham, C. J., Sprenkels, A., Bomer, J., Molenaar, D., van den Berg, A., van Hylckama Vlieg, JET., De Vos, WM “The micro-Petri dish, a million-well growth chip for the culture and high-throughput screening of microorganisms)).
Устройство состоит из пористой пластины из анодного оксида алюминия, на поверхности которой сформирована сетка из полимерных перегородок, образующая зоны роста колоний с характерным размером от 7 до 200 мкм. Пористая пластина располагается на слое агара с питательным раствором в чашке Петри с достижением полного жидкостного контакта устройства с поверхностью агара для смачивания нижней поверхности пористой пластины.The device consists of a porous plate of anodic alumina, on the surface of which a network of polymer septa is formed, forming zones of colony growth with a characteristic size of 7 to 200 microns. The porous plate is located on the agar layer with the nutrient solution in the Petri dish to achieve full liquid contact of the device with the surface of the agar to wet the bottom surface of the porous plate.
Основными недостатками устройства прототипа является то, что оно не обеспечивает возможность автоматизации процесса культивирования и роста клеток, при работе с ним используется ручной труд при подаче клеток в зоны роста, а также при отсоединении выросших колоний и их переносе в средства идентификации и контроля с помощью микроскопа. Устройство проводит анализ с малой скоростью, не обладает портативностью, не обеспечивает возможность интегрирования в миниатюрные переносные приборы и использования в лабораториях на чипеThe main disadvantages of the device of the prototype is that it does not provide the ability to automate the process of cultivation and cell growth, when working with it, manual labor is used when feeding cells into the growth zones, as well as when disconnecting grown colonies and transferring them to identification and control using a microscope . The device analyzes at low speed, does not have portability, does not provide the ability to integrate into miniature portable devices and use in laboratories on a chip
Задачей заявляемого изобретения является разработка устройства для осуществления способа выращивания колоний микробных клеток, позволяющего получить технический результат, заключающийся в обеспечении условий автоматизации процессов подачи питательного раствора и процессов отделения, и переноса выросших колоний, возможность интегрирования в миниатюрные переносные приборы, и использования в лабораториях на чипе и обеспечение портативности устройства.The objective of the invention is to develop a device for implementing a method of growing colonies of microbial cells, which allows to obtain a technical result, which consists in providing conditions for the automation of the processes of feeding the nutrient solution and the processes of separation and transfer of grown colonies, the possibility of integration into miniature portable devices, and use in laboratories on a chip and device portability.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве для выращивания колоний микробных клеток, содержащем пористую пластину из анодного оксида алюминия со сформированными на ее верхней поверхности зонами роста колоний микробных клеток, нижняя поверхность которой сопряжена со средством подачи питательного раствора, пористая пластина из анодного оксида алюминия расположена в корпусе с образованием верхней и нижней емкостей корпуса, которые снабжены входом и выходом для жидких сред, а указанная пористая пластина из анодного оксида алюминия имеет отверстия цилиндрической формы, сформированные ортогонально ее большой плоскости пластины и топологически кодированные, при этом в каждом отверстии расположены пористые мембраны с порами, не пропускающими микробные клетки, верхняя поверхность корпуса выполнена с возможностью пропускания газов, но не проницаемой для влаги и частиц внешней среды, а также с возможностью наблюдения за ростом колоний. Зоны роста могут иметь вид либо площадки, при расположении пористой мембраны вровень с поверхностью пористой пластины из анодного оксида алюминия, либо лунки - при расположении пористой мембраны ниже уровня поверхности пластины. Поверхность пористой пластины из анодного оксида алюминия между зонами роста может иметь покрытие слоем материала, препятствующего прикреплению к нему клеток, например, металла, полимера, гидрофобного материала. Пористые мембраны могут быть изготовлены, например, из анодного оксида алюминия, керамики, полимера, металла. Крышка верхней емкости может быть снабжена центральным окном, с закрепленным в нем оптическим стеклом для наблюдения за ростом колоний. Крышка верхней емкости может быть снабжена двумя окнами, закрытыми полупроницаемыми мембранами, служащими для пропускания газов, но являющимися не проницаемыми для влаги и частиц внешней среды.The essence of the claimed device lies in the fact that in the device for growing colonies of microbial cells containing a porous plate of anodic alumina with zones of growth of colonies of microbial cells formed on its upper surface, the lower surface of which is coupled to a means of supplying a nutrient solution, a porous plate of anode oxide aluminum is located in the housing with the formation of the upper and lower capacities of the housing, which are equipped with an inlet and outlet for liquid media, and the specified porous plate from the anode of aluminum oxide has cylindrical holes formed orthogonally to its large plate plane and topologically encoded, with porous membranes with pores not passing microbial cells located in each hole, the upper surface of the casing is capable of passing gases, but not permeable to moisture and particles external environment, as well as with the ability to monitor the growth of colonies. Growth zones can take the form of either a platform, with the location of the porous membrane flush with the surface of the porous plate of anodic alumina, or wells, with the location of the porous membrane below the surface of the plate. The surface of the porous plate of anodic alumina between the growth zones can be coated with a layer of material that prevents the attachment of cells to it, for example, metal, polymer, hydrophobic material. Porous membranes can be made, for example, from anodic alumina, ceramics, polymer, metal. The lid of the upper tank can be equipped with a central window, with an optical glass fixed in it to monitor the growth of colonies. The lid of the upper tank can be equipped with two windows closed with semipermeable membranes, which serve to pass gases, but which are not permeable to moisture and environmental particles.
Образование зон роста в отверстиях пористой пластины путем размещения пористых мембран в них и наличия покрытия между зонами роста позволяет концентрированно и быстро выращивать колонии, без специальных средств ограничения зон роста (полимерная сетка в прототипе). Пористые мембраны в отверстиях исполняют роль барьеров, задерживающих клетки в зонах роста после подачи суспензии перед ростом колоний. Отверстия в пластине выполнены в виде цилиндров с гладкими стенками ортогонально большой плоскости пористой пластины и топологически кодированы, что позволяет усовершенствовать процесс манипулирования колониями и наблюдения за ходом их роста. Топологическое кодирование отверстий обеспечивает их заданное расположение в пористой пластине. Это позволяет упростить процесс наблюдения посредством камеры. Цилиндрическая форма отверстий и их ортогональное расположение обеспечивает снижение энергетических затрат для отрыва колоний при гидроударе. Гидроудар осуществляется по принципу «гидротарана», т.е. имеет стадию приобретения потоком жидкости достаточной линейной скорости в части устройства, которая служит разгонной камерой, и стадию резкого закрытия клапана с формированием фронта ударной волны, движущегося в противоположном начальному потоку жидкости направлению. Отверстия функционально исполняют роль сопел, которые определяют скорости потока его однородность. Применение нанотехнологий позволяет регулировать размер сопла и конфигурацию пористой мембраны, поддерживающей колонии микроорганизмов. Размер пор пористой мембраны, не пропускающих микробные клетки, обеспечивает стерильность нижней емкости, что обуславливает одноразовое использование устройства.The formation of growth zones in the holes of the porous plate by placing porous membranes in them and the presence of a coating between the growth zones allows the colonies to be concentrated and quickly grown without special means of limiting the growth zones (polymer network in the prototype). The porous membranes in the holes act as barriers that retain cells in the growth zones after suspension is fed before the colonies grow. The holes in the plate are made in the form of cylinders with smooth walls of the orthogonally large plane of the porous plate and are topologically encoded, which makes it possible to improve the process of manipulating colonies and observing the progress of their growth. Topological coding of the holes ensures their predetermined location in the porous plate. This makes it easier to observe through the camera. The cylindrical shape of the holes and their orthogonal arrangement provides a reduction in energy costs for separation of colonies during water hammer. Water hammer is carried out according to the principle of "hydraulic ram", i.e. has a stage of acquiring a sufficient linear velocity in the part of the device that serves as an accelerating chamber by the fluid flow, and a step of abruptly closing the valve with the formation of a shock wave front moving in the opposite direction to the initial fluid flow. The holes functionally play the role of nozzles, which determine the flow rate of its uniformity. The use of nanotechnology allows you to adjust the size of the nozzle and the configuration of the porous membrane supporting colonies of microorganisms. The pore size of the porous membrane that does not allow microbial cells to pass through ensures the sterility of the lower container, which leads to a one-time use of the device.
Изобретения поясняют следующие графические материалы и таблицы:The invention is illustrated by the following graphic materials and tables:
Фиг.1. Конструкция устройства.Figure 1. Device design.
Фиг.2. Сечение A отверстия в пластине с пористой мембраной.Figure 2. Section A of the hole in the plate with a porous membrane.
Фиг.3. Пример устройства, выполненного в виде сэндвич структуры, для выращивания колоний микробных клеток.Figure 3. An example of a device made in the form of a sandwich structure for growing colonies of microbial cells.
Фиг.4. Фотографии фрагмента пористой пластины из анодного оксида алюминия и пористой мембраны.Figure 4. Photographs of a fragment of a porous plate of anodic alumina and a porous membrane.
а - с отверстиями и пористыми мембранами;a - with holes and porous membranes;
б - с колониями на пористых мембранах.b - with colonies on porous membranes.
в - пористая мембрана.in - a porous membrane.
Фиг.5-8. Фаза 1-Фаза 7 работы устройства.Figure 5-8. Phase 1-
Фиг.9. Временная диаграмма работы устройства.Fig.9. Timing diagram of the device.
Фиг.10. Сечение пластины с отверстием и пористой мембраной:Figure 10. Section of a plate with a hole and a porous membrane:
а - с микроколонией, прикрепленной к зоне роста;a - with a microcolony attached to the growth zone;
б - с микроколонией в начальной стадии перемещения микроколонии во внешние устройства после отрыва от зоны роста.b - with a microcolony in the initial stage of movement of the microcolony into external devices after separation from the growth zone.
Фиг.11. SEM фотография пористой мембраны из анодного оксида алюминия:11. SEM photograph of an anodic alumina porous membrane:
а - вид сверху, средний размер пор 105 нм, пористость φ=0,1;and - top view, the average pore size of 105 nm, the porosity of φ = 0.1;
б - скол;b - chip;
в - вид сверху, средний размер пор 198 нм, пористость φ=0,71;c - top view, average pore size 198 nm, porosity φ = 0.71;
г - скол.g - chipped.
Фиг.12 Модель фрагмента пористой мембраны с клеткой, присоединенной к ее поверхности:12 Model of a fragment of a porous membrane with a cell attached to its surface:
а - сечение вдоль оси пор;a - section along the axis of the pores;
б - вид сверху.b - top view.
Фиг.13. Модель фрагмента пористой пластины с отверстиями и пористыми мембранами в них для гидравлического расчета.Fig.13. A model of a fragment of a porous plate with holes and porous membranes in them for hydraulic calculation.
Фиг.14. Вид Колонии Staphylococcus aureus после 2 часов роста на пористой пластине, содержащей порядка 800 колоний образующих единиц (КОЕ).Fig.14. Species of Staphylococcus aureus Colony after 2 hours of growth on a porous plate containing about 800 colony forming units (CFU).
Таблица 1. Технико-эксплуатационные характеристики прибора с использованием заявляемого устройства и промышленных аналогов.Table 1. Technical and operational characteristics of the device using the inventive device and industrial analogues.
Таблица 2. Влияние концентрации микробных клеток (S.Aureus) в суспензии и размера зон роста пористой пластины на эффективность роста колоний.Table 2. The effect of the concentration of microbial cells (S.Aureus) in suspension and the size of the growth zones of the porous plate on the growth efficiency of the colonies.
Таблица 3. Влияние разбавления клинической пробы пациента с подозрением на S.Aureus на долю выросших колоний.Table 3. Effect of suspected S.Aureus clinical patient dilution on the percentage of grown colonies.
Таблица 4. Зависимость числа выросших (N0) и отделенных (Nd) от зон роста колоний от скорости потока (ν) в разгонной камере устройства для пластин с 400 зонами роста и различным диаметром (D) отверстий для суспензии с содержанием S.aureus 1·107 КОЕмл1.Table 4. The dependence of the number of grown (N 0 ) and separated (N d ) from the growth zones of the colonies on the flow rate (ν) in the accelerating chamber of the device for plates with 400 growth zones and different diameters (D) of the holes for the suspension containing
Устройство состоит из (фиг.1) корпуса 1, разделенного перегородкой 2 с образованием двух емкостей 3 и 4. Корпус емкости 3 имеет отверстие 5, предназначенное для подачи питательного раствора, и сопряженный с ним обратный клапан 6, предназначенный для защиты насоса, присоединяемого к этому отверстию, от обратного потока питательной среды. Корпус емкости 4 имеет отверстие 7, предназначенное для подачи бактерий, снабженное клапаном 8. Верхняя поверхность корпуса 1, являющаяся крышкой емкости 4, снабжена двумя окнами 9, закрытыми полупроницаемыми мембранами 10 для доступа кислорода или иной газообразной среды, а также центральным окном 11, с закрепленным в нем оптическим стеклом 12 для наблюдения за ростом колоний микробных клеток. Наблюдение может проводиться с помощью видеокамеры, объектив 13 которой располагают над окном 11 с оптическим стеклом 12. В емкости 4 выполнено второе отверстие 14 для выхода выращенных колоний, в котором установлен клапан 15. В емкости 3 выполнено второе отверстие 16, в котором установлен клапан 17.The device consists of (Fig. 1) a
Перегородка 2 имеет центральное отверстие 18, в котором закреплена пластина 19 из пористого оксида алюминия, толщиной H. Пластина 19 имеет отверстия 20 (фиг.2), диаметром D, в каждом из которых расположены пористые мембраны 21, толщиной h. Отверстия 20 цилиндрической формы сформированы ортогонально большой плоскости пластины и являются топологически кодированными и могут быть химически модифицированными. Пористые мембраны 21, расположенные в отверстиях 20, имеют поры 22.The
Возможно различное расположение пористых мембран 21 в отверстиях 20 пластины, например, на фиг.2 показано расположение ниже уровня поверхности пластины 19 с образованием в каждом отверстии лунки 23, глубиной a.Perhaps a different arrangement of the
Поверхность пластины 19 между выходами отверстий покрыта слоем 24 из материала, препятствующего прикреплению к нему клеток.The surface of the
Пример реализации конструкции устройства на основе толстопленочных технологий показан на фиг.3, где устройство представляет собой сэндвич-структуру. На базе 1-а, изготовленной из полимерной пластины, размещен слой 1-b, содержащий емкость 3 и сопряженные с ней отверстия 5(b) и 16(b), являющиеся входом и выходом для питательного раствора, выполненные методом лазерной абляции, на слое 1-b размещен слой 2, содержащий отверстие 18, радиус которого соответствует радиусу пористой пластины 19, изготовленной из анодного оксида алюминия, и отверстия 5 и 16, сопряженные с отверстиями 5(b) и 16(b), являющиеся входом и выходом для питательного раствора, соответственно. На слое 2 с пластиной 19 размещен слой 1(c), содержащий отверстие 4, образующее емкость 4 (фиг.1) с сопряженными с ним каналами, соединяющими отверстие 4 с отверстиями 5(c) и 16(c), для подачи суспензии микроорганизмов и вывода выросших колоний во внешние устройства, соответственно. На слое 1(c) расположен слой 1(d), содержащий отверстия 5(d) и 16(d), сопряженные с отверстиями 5, 5(b, с) и 16, 16(b, с), соответственно, образующие канал для подачи питательного раствора в емкость 3 и ее вывода, отверстия 7(d) и 14(d), сопряженные с отверстиями 7(c) b 14(c), соответственно, предназначенные для подачи суспензии микробных клеток в емкость 4 и выводу колоний во внешние устройства, а также отверстие с оптическим окном 11, 12. На слое 1(d) расположены клапаны 6 и 17, сопряженные с отверстиями 5(d) и 14(d), предназначенные для регулирования подачи питательного раствора, и клапаны 8 и 15, сопряженные с отверстиями 7(d) и 14(d), предназначенные для регулирования подачи суспензии микробных клеток и вывода выросших колоний. Пористая пластина 19, толщиной 80 мкм изготовлена из анодного оксида алюминия с образованием цилиндрических отверстий и расположенных в них пористых мембран, методом обратной фотолитографии и анодирования. Слой 2 устройства толщиной 80 мкм изготовлен из лавсановой пленки методом лазерной обработки. Слои 1(b) и 1(c) изготовлены из полихлорвиниловой пленки толщиной 400 мкм, методом лазерной обработки. Слои 1(a) и 1(d) изготовлены из экструзионной акриловой пленки толщиной 1 мм. Отверстия диаметром 1 мм выполнены механической обработкой. Клапаны 6 и 17 изготовлены с помощью прецизионного литья, а клапаны 8 и 15 изготовлены с помощью механической обработки поликарбоната. Герметизацию устройства осуществляли сжатием болтами в специально изготовленной рамке.An example implementation of the design of the device based on thick-film technologies is shown in figure 3, where the device is a sandwich structure. On the basis of 1-a, made of a polymer plate, a layer 1-b is placed, containing a
Пористая пластина 19 имеет топологически кодированные отверстия 20 (фиг.4-а), в которых расположены пористые мембраны 21 (фиг.4-б). Диапазон диаметров отверстий в пористой пластине составляет от 2 мкм до 20 мкм. На фиг.4-а представлена пористая пластина с диаметром отверстий 6 мкм. Колонии 24 растут на пористых мембранах 21 из анодного оксида алюминия, расположенных в отверстиях 20 (фиг.4-в). Пористые мембраны 21, сформированные из анодного оксида алюминия (фиг.4-в), характеризуются значениями пористости φ=Sмем/Sпор=0,1÷0,7, где Sмем - площадь мембраны, Sпор - площадь пор на поверхности мембраны.The
Работа устройства состоит в следующем и имеет фазы:The operation of the device is as follows and has phases:
Фаза 1, см. фиг.5-а.
- заполнение емкости 3 и через отверстия пластины из пористого анодного оксида алюминия 19 емкости 4 жидкой средой, например, питательным раствором с вытеснением воздуха из емкостей и пор. Насос Н1 создает поток питательной среды с объемной скоростью Q1, обратный клапан 6 и клапан 15 открыты, клапаны 8 и 17 закрыты;- filling the
Фаза 2, см. фиг.5-б.
- заполнение емкости 4 суспензией микробных клеток, клапаны 8 и 17 открыты, обратный клапан 6 и клапан 15 закрыты. Насос Н2 подает в емкость 4 поток суспензии микробных клеток с объемной скоростью Q2;- filling the
Фаза 3, см. фиг.6-а.
- промывка полости 3, обратный клапан 6 и клапан 17 открыты, клапаны 8 и 15 закрыты, насос H1 подает поток промывочного раствора в емкость 3 с высокой объемной скоростью потока Q3;- flushing the
Фаза 4, см. фиг.6-б.
- рост колоний микробных клеток, обратный клапан 6 открыт, а клапаны 8, 15, 17 закрыты, насос H1 создает поток питательной среды в емкость 3 с малой объемной скоростью Q4, обеспечивающей подпитку зон роста в емкости 4;- the growth of colonies of microbial cells, the
Фаза 5, см. фиг.7-а.
- создание условий для возникновения гидроудара, обратный клапан 6 открыт, клапаны 15 и 17 открыты, клапан 8 закрыт, насос H1 создает поток питательной среды в емкости 3 с высокой объемной скоростью Q5;- creating conditions for the occurrence of water hammer, the
Фаза 6, см. фиг.7-6.
- создание гидроудара, обратный клапан 6, клапаны 8 и 17 закрыты, клапан 15 открыт, ударная волна, создающая дополнительное давление Руд, проходя через питательную среду в емкости 3 и через отверстия и поры в пластине, отрывает выросшие колонии из зон роста.- the creation of a water hammer, the
Фаза 7, см фиг.8
- перенос выросших колоний микробных клеток во внешние устройства, обратный клапан 6 и клапаны 8 и 17 закрыты, насосы H1 и Н2 создают поток питательной среды с объемной скоростью Q6, обеспечивающей перенос выросших колоний микробных клеток во внешние устройства через клапан 15.- transfer of the grown colonies of microbial cells to external devices, the
Временная диаграмма, представленная на фиг.9, иллюстрирует работу устройства, а именно состояние клапанов (закрыт - «0» или открыт - «1») 6, 8, 15 и 17, зависимость объемных скоростей потоков, создаваемых насосами H1 и Н2, состояние датчика (видеокамеры), зависимость давления Р в емкости 3 в режиме гидроудара от времени. На оси абсцисс выделены временные промежутки, соответствующие фазам работы устройства, Фаза 1-Фаза 7. На диаграмме (фиг.9) приняты следующие обозначения: Q1 - объемная скорость, создаваемая внешним насосом H1, обеспечивающим поток питательной среды для промывки емкостей 3 и 4, и переноса выросших колоний микробных клеток. Q2 - объемная скорость, создаваемая внешним насосом Н2, обеспечивающим поток суспензии микроорганизмов. Q3 - высокая объемная скорость потока, создаваемая насосом H1, обеспечивающим промывание камеры 3 и гидроудар. Q4 - малая объемная скорость, создаваемая насосом H1, обеспечивающим смачивание зон роста. Двк - датчик (видеокамера, см. фиг.1), обеспечивающий сигнал для начала работы насоса H1 в режиме гидроудара (ГУ) для отрыва выросших колоний. Р - давление в емкости 3.The timing diagram shown in Fig. 9 illustrates the operation of the device, namely, the state of the valves (closed - "0" or open - "1") 6, 8, 15 and 17, the dependence of the volumetric flow rates created by the pumps H1 and H2, the state sensor (camera), the dependence of the pressure P in the
Способ выращивания колоний микробных клеток осуществляют следующим образом. Для заполнения устройства питательной средой во время Фазы 1 (фиг.5-а) в емкость 3 подают питательный раствор с объемной скоростью потока Q1 с помощью, например, внешнего насоса H1. Насос Н1 обеспечивает давление, достаточное для протекания питательной среды через отверстия 20 пластины 19 и поры 22 мембраны 21, смачивания и дегазации емкостей 3 и 4. Во время Фазы 2 (фиг.5-б) подают суспензию микробных клеток определенной концентрации в емкость 4 с объемной скоростью Q2, например, с помощью внешнего насоса Н2, микрошприца или автоматической пипетки. Суспензию подают до ее равномерного распределения по поверхности пластины 19 (при необходимости удаления воздушного пузыря используют полупроницаемые мембраны 10 (фиг.1) или клапан 15, который временно открывают. За распределением питательного раствора ведут наблюдение через окно 11, с закрепленным в нем оптическим стеклом 12, над которым расположен объектив 13 видеокамеры. Затем перед началом роста в Фазе 3 (фиг.6-а) состав питательной среды в емкости 3 приводят в стандартное состояние промыванием с помощью насоса Н1 при скорости Q3. Начинается Фаза 4 (фиг.6-б) роста колоний, во время которой обеспечиваются необходимые условия для деления микроорганизмов: питание, температура, влажность, (путем размещения устройства в инкубаторе либо путем установки датчиков режимов и обеспечения поддержания параметров). Необходимые условия для роста аэробных клеток обеспечивает наличие окон 9 с полупроницаемыми мембранами 10, которые проницаемы для газов, но не проницаемы для влаги и частиц внешней среды. Питательный раствор поступает из полости 3 через отверстия 20 в пластине 19 и поры 21 с помощью внешнего насоса Н1, обеспечивающего объемную скорость. Наблюдение за ростом колоний ведут через окно 11 с закрепленным в нем оптическим стеклом 12, над которым расположен объектив 13 видеокамеры. После достижения достаточного размера (порядка N=100÷1000 клеток в колонии), который фиксируется либо с помощью видеокамеры Двк, выполняющей роль датчика, с подачей соответствующего управляющего сигнала, либо по времени, определенному экспериментально, колонии микробных клеток отсоединяют от зон роста гидроударом. Для этого в Фазе 5 внешний насос Н1 переводят в режим высокой объемной скорости Q5 (фиг.7-а). После установления в емкости 3 заданной объемной скорости потока Q5 резко закрывают на время t клапаны 17 и 6 (Фаза 6). В емкости 3 у клапана 17 нарастает ударное давление и возникает ударная волна, направленная от клапана 17 (фиг.7-б). Ударная волна распространяется в отверстия 20 и поры 22, обеспечивая скачок давления без существенного перемещения жидкости, в результате чего колонии отсоединяются от зон роста.A method of growing colonies of microbial cells is as follows. To fill the device with a nutrient medium during Phase 1 (Fig. 5-a), a nutrient solution with a volumetric flow rate Q 1 is supplied to the
Благодаря прохождению в зоне роста ударной волны, обладающей повышенным давлением, выросшие микроколонии отрываются от зон роста (снимаются с площадок или выталкиваются из лунок). Затем поток с объемной скоростью Q6 переносит колонии во внешние устройства, например, идентификации (фиг.8).Due to the passage in the growth zone of the shock wave, which has increased pressure, the grown microcolonies break away from the growth zones (removed from the sites or pushed out of the holes). Then the flow with a space velocity Q 6 transfers the colonies to external devices, for example, identification (Fig. 8).
Выросшие во время Фазы 4 колонии микробных клеток закрепляются в зонах роста, в лунках (фиг.10-а), так как остальная поверхность пластины 19 покрыта слоем материала, препятствующего прикреплению к нему клеток. При реализации фазы 6 колонии 24 отсоединяются от зон роста, как показано на фиг.10-б.Microbial cell colonies grown during
Для уточнения параметров работы устройства необходимо оценить следующие технические характеристики:To clarify the operation parameters of the device, it is necessary to evaluate the following technical characteristics:
1) Характерную энергию и силу связи бактерии (и, соответственно, колонии) с поверхностью зоны роста.1) The characteristic energy and binding strength of the bacteria (and, accordingly, the colony) with the surface of the growth zone.
2) Величину давления Pуд, необходимого для отрыва бактерии (справедливо для колоний).2) The pressure P beats required to detach the bacteria (valid for colonies).
3) Параметры гидроудара (скорость в разгонной камере, скорость закрытия клапана 17), обеспечивающие давление Руд.3) The parameters of water hammer (speed in the booster chamber, closing speed of the valve 17), providing pressure P beats .
4) Параметры потока, обеспечивающего перенос колоний во внешние устройства.4) The parameters of the flow, providing the transfer of colonies to external devices.
Рассмотрим перечисленные выше технические характеристики 1-4 работы устройства.Consider the above technical specifications 1-4 of the device.
1) Рассмотрим пористую мембрану из анодного оксида алюминия (фиг.11), на поверхности которой расположена микробная клетка в виде диска диаметром Dм.кл=10-6 м (предположим, что клетка принимает форму диска на поверхности). Из фиг.11 видно, что поры пористой мембраны расположены достаточно регулярно (фиг.11-а, -в), характеризуются узким распределением по размерам и, в зависимости от условий анодирования, могут иметь поры заданного среднего диаметра, например dср=105 нм (фиг.10-а) или dcp=208 нм (фиг.10-в). Более того, из фиг.11-б, -г видно, что поры характеризуются высоким аспектным отношением и формой, близкой к цилиндрической. Поэтому для оценки силы сцепления микробных клеток с поверхностью мембраны используем модель в виде пластины с цилиндрическими порами, как показано на фиг.12-а, -б. Тогда, если площадь контакта Sконт бактерии на сплошной плоской поверхности составляет:1) Consider a porous membrane of anodic alumina (Fig. 11), on the surface of which there is a microbial cell in the form of a disk with a diameter of D mcl = 10 -6 m (suppose that the cell takes the form of a disk on the surface). From Fig. 11 it can be seen that the pores of the porous membrane are located quite regularly (Figs. 11a, b), are characterized by a narrow size distribution and, depending on the anodizing conditions, may have pores of a given average diameter, for example, d cf = 105 nm (FIG. 10-a) or d cp = 208 nm (FIG. 10-c). Moreover, it can be seen from FIGS. 11 b, d that the pores are characterized by a high aspect ratio and a shape close to cylindrical. Therefore, to assess the adhesion force of microbial cells to the surface of the membrane, we use a model in the form of a plate with cylindrical pores, as shown in Fig. 12-a, -b. Then, if the contact area S pole bacteria on a solid flat surface is:
Sконт=πDм.кл 2/4=3,14(10-6 м)2/4=7,8 10-13 м2,S pole m.kl = πD 2/4 = 3.14 (10 -6 m) 2/4 = 7.8 10 -13 m 2,
а площадь поперечного сечения поры пористой мембраны Sпоры (фиг.12-б) диаметра d=2·10-7 м:and the cross-sectional area of the pores of the porous membrane S of the pore (Fig.12-b) diameter d = 2 · 10 -7 m:
Sпоры=πd2/4=3,14(2·10-7 м)2/4=3,14·10-14 м2, Pores S = πd 2/4 = 3.14 (2 · 10 -7 m) 2/4 = 3.14 × 10 -14 m 2,
что, в свою очередь, для четырех пор, которые перекрывает типичная бактерия (фиг.12-а, -б), составляет площадь S:which, in turn, for the four pores that the typical bacterium overlaps (Fig. 12-a, -b), is the area S:
S=4·3,14·10-14 м2=1,26·10-13 м2,S = 4 · 3.14 · 10 -14 m 2 = 1.26 · 10 -13 m 2
то площадь контакта бактерии на пористой поверхности составит:then the contact area of the bacteria on the porous surface will be:
Sконт/пор=7,8 10-13 м2-1,26·10-13 м2=6,54·10-13 м2.S cont / pore = 7.8 10 -13 m 2 -1.26 · 10 -13 m 2 = 6.54 · 10 -13 m 2 .
Для оценки силы сцепления бактерии с поверхностью зон роста (фиг.10, фиг.12) предположим, что средняя плотность связей составляет три связи на 1·10-18 м2. Тогда число связей Nсв на всю площадь контакта бактерии составит: Nсв=3·(6,54·10-13/10-18)=2·106 связей.To assess the adhesion force of the bacteria to the surface of the growth zones (Fig. 10, Fig. 12), we assume that the average bond density is three bonds per 1 · 10 -18 m 2 . Then the number of bonds N sv to the entire contact area of the bacteria will be: N sv = 3 · (6.54 · 10 -13 / 10 -18 ) = 2 · 10 6 bonds.
Максимальная энергия одной связи Ван-дер-Ваальсова (В-д-В) типа (которые преобладают при условиях реализации метода) по литературным данным (Каплан И.Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. 312 с.) составляет, ЕВ-д-В (max)=1,36·10-23 Дж (табл.2), а суммарная энергия В-д-В связей на всю бактерию составит Е=NсвEВ-д-В=(1,36·10-23)·(2·106)=3·10-17 Дж.The maximum energy of a single van der Waals bond (V-d-V) type (which prevail under the conditions of the method) according to the literature (Kaplan IG Introduction to the theory of intermolecular interactions. - M .: Nauka. mathematical literature, 1982. 312 p.) is, E V-d-V (max) = 1.36 · 10 -23 J (Table 2), and the total energy of V-d-B bonds for the entire bacterium will be E = N sv E B-d-B = (1.36 · 10 -23 ) · (2 · 10 6 ) = 3 · 10 -17 J.
Тогда силу связи всей бактерии F1 (приняв Ван-дер-Ваальсово взаимодействие за основное) можно оценить как:Then the binding force of the entire bacterium F 1 (taking the van der Waals interaction as the main one) can be estimated as:
F1=E/RВ-д-В=3·10-17/0,6·10-9=5·10-8 H.F 1 = E / R W-d-B = 3 · 10 -17 / 0.6 · 10 -9 = 5 · 10 -8 H.
Здесь RВ-д-В=0,6·10-9 м - характерная длина В-д-В связи.Here, R B-d-B = 0.6 · 10 -9 m is the characteristic length of the V-d-B connection.
2) Величину давления, необходимого для отрыва бактерии от зоны роста, можно получить, поделив F1 на площадь S из примера 1, получаем Ротр=F1/S=5·10-8 H/1,26·10-13 м2=3,9·10-5 Па.2) The pressure required to separate the bacteria from the growth zone can be obtained by dividing F 1 by the area S from Example 1, we obtain P spr = F 1 / S = 5 · 10 -8 H / 1,26 · 10 -13 m 2 = 3.9 · 10 -5 Pa.
В общем случае для бактерии (колонии) произвольной формы можно вывести следующий критерий определения величины давления, необходимого для их отсоединения от зон роста:In the general case, for a bacterium (colony) of arbitrary shape, the following criterion for determining the pressure required to disconnect them from growth zones can be derived:
Здесь φ=0,6 - величина пористости участков мембраны, содержащих поры, определяемая как отношение площади сечения цилиндрических пор к площади мембраны.Here φ = 0.6 is the value of porosity of the membrane sections containing pores, defined as the ratio of the cross-sectional area of cylindrical pores to the membrane area.
Поскольку давление, необходимое для отрыва бактерий (при максимальной оценке) имеет достаточно высокое значение - 3,9 атм., то целесообразно использовать для отрыва колоний (фиг.10-б) от зон роста гидравлический удар, или скачок давления, вызванный быстрым изменением скорости потока жидкости за очень малый промежуток времени (Калицун В.И., Дроздов Е.В., Комаров А.С., Чижик К.И. Основы гидравлики и аэродинамики, «Стройиздат», 2002 г.). Применение гидроудара позволит при использовании миниатюрных насосов низкого давления, наиболее подходящих для портативной диагностической аппаратуры, достигать в короткие промежутки времени достаточно высоких значений ударного давления, необходимых для осуществления заявленной функции устройства - отрыва и перемещения колоний.Since the pressure necessary for separation of bacteria (at the maximum estimate) is quite high - 3.9 atm., It is advisable to use a hydraulic shock or pressure jump caused by a rapid change in speed to separate the colonies (Fig. 10-b) from the growth zones fluid flow for a very short period of time (Kalitsun V.I., Drozdov E.V., Komarov A.S., Chizhik K.I. Fundamentals of hydraulics and aerodynamics, Stroyizdat, 2002). The use of water hammer will make it possible, when using miniature low-pressure pumps, most suitable for portable diagnostic equipment, to achieve, at short intervals, sufficiently high values of the shock pressure necessary to carry out the claimed function of the device — separation and movement of colonies.
В ряде работ проводили численное исследование распространения ударной волны в тонком капилляре. Например, в работе М.С.Иванова, Г.В.Шоева, Е.А.Бондаря, Д.В.Хотяновского, А.Н.Кудрявцева «Моделирование распространения ударной волны в микроканале, с учетом эффектов вязкости» (Междунар. конф. «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», Новосибирск, Россия, 30 мая - 4 июня 2011 г. 90/fulltext/47499/47500/Ivanov_full_paper.pdf). проводили численное моделирование процессов входа и распространения ударной волны в тонкий капилляр для газовой среды с учетом вязкости с использованием, в том числе, околоконтинуального подхода. Для последнего случая, в численном эксперименте получено незначительное затухание ударной волны по мере движения в капилляре. Таким образом, можно предположить, что ударная волна, сформированная при резком перекрывании клапана 17, входя в отверстия 20 и поры 21, распространяется к выходу, постепенно затухая. В данной статье эксперимент проводится для газа при Re=400. Используя принцип подобия по числу Рейнольдса, получим, что для достижения условий, подобных численному эксперименту для газа, в предлагаемом устройстве поток жидкости в емкости 3, выполняющей функцию разгонной камеры, должен приобретать скорость порядка 4 м·с-1, что соответствует диапазону допустимых скоростей функционирования устройства. Тогда использование данных, полученных в указанной выше статье, правомерно. В этом случае можно предположить, что при распространении в отверстиях 20 и порах 22 (фиг.13) ударная волна постепенно затухает, теряя, самое большее 30% энергии. Таким образом, с учетом затухания, на входе в отверстия необходимо развить давление не менее 5,57 атм для получения на выходе из капилляра давления Р≥Ротр.A number of studies performed a numerical study of the propagation of a shock wave in a thin capillary. For example, in the work of M.S. Ivanov, G.V.Shoyev, E.A. Bondar, D.V. Khotyanovsky, A.N. Kudryavtsev "Modeling the propagation of a shock wave in a microchannel, taking into account the effects of viscosity" (International Conference . "Modern problems of applied mathematics and mechanics: theory, experiment and practice", Novosibirsk, Russia, May 30 - June 4, 2011 90 / fulltext / 47499/47500 / Ivanov_full_paper.pdf). conducted numerical modeling of the processes of entry and propagation of a shock wave into a thin capillary for a gaseous medium taking into account viscosity using, among other things, the near-continuum approach. For the latter case, in a numerical experiment, an insignificant attenuation of the shock wave was obtained as it moves in the capillary. Thus, it can be assumed that the shock wave formed during a sharp overlap of the
3) Увеличение давления при прямом гидравлическом ударе, т.е. таком, при котором фаза удара T короче времени закрытия (τ) клапана 17, определяется в идеальном случае для жестких стенок камеры и низкой сжимаемости жидкости по формуле 2:3) Pressure increase during direct hydraulic shock, i.e. such that the shock phase T is shorter than the closing time (τ) of the
где Руд - увеличение давления в Па, ρ - плотность жидкости в кг/м3, ν0 и ν1 - средние скорости потока жидкости в канале до и после закрытия клапана 17 (фиг.6-а, -б) в м·с-1, c - скорость распространения ударной волны в жидкости в м·с-1.where R beats is the pressure increase in Pa, ρ is the fluid density in kg / m 3 , ν 0 and ν 1 are the average fluid flow rates in the channel before and after closing valve 17 (Fig.6-a, -b) in m s -1 , c is the velocity of the shock wave in the liquid in m · s -1 .
Для оценки величины ν0, необходимой для получения давления Руд≥Ротр=5,57·10-5 Па, обеспечивающего отрыв бактерии, будем считать скорость звука в емкости устройства равной скорости звука в неограниченной водной среде cвода=1,348·103 м.с-1, а скорость ν1=0.To estimate the value of ν 0 necessary to obtain a pressure of P beats ≥Р otr = 5.57 · 10 -5 Pa, providing separation of bacteria, we will consider the speed of sound in the device’s capacity to be equal to the speed of sound in an unlimited aqueous medium with water = 1.348 · 10 3 ms -1 , and the velocity ν 1 = 0.
Оценим характер гидроудара, т.е. соотношение фазы ударной волны и времени закрытия клапана. Характерный размер разгонной камеры l в заявляемом устройстве примем равным 2 мм, тогда фаза удара T составит 2,5·10-5 c. Если время закрытия (τ) клапана 17, τ<2,5·10-5, то осуществляется прямой гидроудар, рассчитываемый по формуле (1). Тогда, подставляя в формулу (1) в качестве Pуд соответствующую величину, получаем:Let us evaluate the nature of the hydroblow, i.e. the ratio of the phase of the shock wave and the valve closing time. The characteristic size of the booster chamber l in the inventive device will be taken equal to 2 mm, then the impact phase T will be 2.5 · 10 -5 s. If the closing time (τ) of
ν0=Pуд/(ρcвода)=5,57·105/(103·1,348·103)=4,13·10-1 м·с-1 ν 0 = P beats / (ρc water ) = 5.57 · 10 5 / (10 3 · 1.348 · 10 3 ) = 4.13 · 10 -1 m · s -1
Если τ>2,5·10-5, то гидроудар называется непрямым и применяется формулаIf τ> 2.5 · 10 -5 , then the hydroblow is called indirect and the formula is applied
Тогда, при τ=10-3 c, l=2·10-2 м, получим ν0=Pудτ/(2ρl)=3,9·105·10-3/(2·103·2·10-2)=10 м·с-1, а при τ=10-4 с, ν0=1 м·с-1.Then, at τ = 10 −3 s, l = 2 · 10 −2 m, we obtain ν 0 = P beats τ / (2ρl) = 3.9 · 10 5 · 10 -3 / (2 · 10 3 · 2 · 10 -2 ) = 10 m · s -1 , and at τ = 10 -4 s, ν 0 = 1 m · s -1 .
В общем случае из выражений 1 и 3 для непрямого гидроудара можно получить формулу:In the General case, from
Таким образом, для применения в лабораториях на чипе, где величины объемной подачи рабочих жидкостей ограничены миниатюрностью насосов и гидравлическим сопротивлением труб малого диаметра (капилляров), практические соображения требуют применения гидравлического удара (как прямого, так и не прямого). В любом случае для реализации такого гидроудара потребуется применение скоростных запирающих микроклапанов, наподобие описанных в известном патенте (US 20110073788, F16K 31/12, F16K 31/02, 2011).Thus, for use in laboratories on a chip, where the volumetric flow of working fluids is limited by the miniature size of the pumps and the hydraulic resistance of small diameter pipes (capillaries), practical considerations require the use of water hammer (both direct and non-direct). In any case, the implementation of such a water hammer will require the use of high-speed locking micro-valves, such as described in the well-known patent (US 20110073788, F16K 31/12, F16K 31/02, 2011).
Для более точного расчета критической скорости ν0 необходимо учитывать зависимость скорости с распространения ударной волны в жидкости от размеров и характеристик материалов разгонной камеры.For a more accurate calculation of the critical velocity ν 0, it is necessary to take into account the dependence of the velocity with the propagation of the shock wave in the liquid on the size and characteristics of the materials of the accelerating chamber.
При мгновенном срабатывании клапана критическую скорость ν0 можно найти, используя формулы 1 и 2. Из условия Руд≥Ротр при ν1=0, получаемWhen the valve is instantly actuated, the critical velocity ν 0 can be found using
где:Where:
Тогда для скорости в разгонной камере ν0 получаем:Then for the speed in the booster chamber ν 0 we get:
где: a внутр - диаметр разгонной камеры - 1 мм;where: a int - diameter of the booster chamber - 1 mm;
b - толщина стенок разгонной камеры (толщина тонкой стенки - пластины с отверстиями - 100 мкм, другие стенки толстые - 2÷5 мм);b - wall thickness of the booster chamber (thin wall thickness - plates with holes - 100 μm, other thick walls - 2 ÷ 5 mm);
Евода - модуль упругости воды 2·109 н·м-2;E water is the modulus of elasticity of
Екорпус - модуль упругости материала корпуса (например, для анодного оксида алюминия - 0,6·1011 н·м-2, для алюминия - 0,71·1011 н.м-2, для полимера - 0,032·1011 н·м-2).E casing - the modulus of elasticity of the casing material (for example, for anodic alumina - 0.6 · 10 11 n · m -2 , for aluminum - 0.71 · 10 11 n · m -2 , for polymer - 0.032 · 10 11 n M -2 ).
4) Оценим объемные скорости потока, проходящего через пористую мембрану при постоянном перепаде давления ΔP=105 Па, создаваемом насосом H1 в Фазе 1 и Фазе 7. Например, в Фазе 7 поток Q6 будет определяться количеством (N), радиусам (r) и длиной (h) пор (фиг.13), т.к. они будут создавать наибольшее гидродинамическое сопротивление проходящей жидкости. Расчет объемной скорости Q в одной поре можно произвести с помощью формулы (2) Пуазейля (Л.Г.Лойцянский. Механика жидкости и газа. - Л., 1950. - 676 с.):4) Let us estimate the volumetric flow rates passing through the porous membrane at a constant pressure drop ΔP = 10 5 Pa created by the pump H1 in
где η - динамическая вязкость жидкости. Для воды при температуре T=20°C, η=10-3 Па·с. При ΔP=105 Па, r=10-7 м, h=10-5 м. Подставляя эти величины в формулу (9), получаем:where η is the dynamic viscosity of the fluid. For water at a temperature of T = 20 ° C, η = 10 -3 Pa · s. At ΔP = 10 5 Pa, r = 10 -7 m, h = 10 -5 m. Substituting these values in formula (9), we obtain:
Оценим общее количество пор пористых мембран на всей пористой пластине. Для оценки плотности пор на поверхности (ns) можно воспользоваться следующим выражением:Let us estimate the total number of pores of porous membranes throughout the porous plate. To estimate the density of pores on the surface (ns), one can use the following expression:
nS=φ/(π·r2)=0,6/(3,14·(10-7)2)=1,91·1013 м-2.n S = φ / (π · r 2 ) = 0.6 / (3.14 · (10 -7 ) 2 ) = 1.91 · 10 13 m -2 .
Площадь поверхности, покрытую порами, можно оценить по формулеThe surface area covered with pores can be estimated by the formula
S=N1·π·R2=1,6·103·3,14·(5·10-6)2=1,26·10-7 м2, где N1=1,6·103 - количество отверстий на пластине, R=5·10-6 м - радиус отверстия.S = N 1 · π · R 2 = 1.6 · 10 3 · 3.14 · (5 · 10 -6 ) 2 = 1.26 · 10 -7 m 2 , where N 1 = 1.6 · 10 3 - the number of holes on the plate, R = 5 · 10 -6 m is the radius of the hole.
Тогда общее количество пор пористых мембран на всей пористой пластине можно рассчитать по формулеThen the total number of pores of porous membranes on the entire porous plate can be calculated by the formula
N=nS·S=2,4·106.N = n S · S = 2.4 · 10 6 .
Полный поток через поры пористых мембран на всей пористой пластине будет равен:The total flow through the pores of the porous membranes throughout the porous plate will be equal to:
Q6=N·Q=2,4·106·4·10-16≅10-9 м3·с-1.Q 6 = N · Q = 2.4 · 10 6 · 4 · 10 -16 ≅ 10 -9 m 3 · s -1 .
Рассчитаем линейную скорость (νn) переноса микробных клеток в Фазе 7 под действием потока Q6. Для этого необходимо оценить линейную скорость потока в емкости 4 и сопряженных коммуникациях с внешними устройствами (фиг.8), при объемном потоке Q6. При размере разгонной камеры 10-4 м×10-3 м (площадь сечения s=10-7 м2), средняя линейная скорость потока νn определится выражением:We calculate the linear velocity (ν n ) of microbial cell transfer in
νn=Q/s=3·10-9/10-7=3·10-2 м·с-1 ν n = Q / s = 3 · 10 -9 / 10 -7 = 3 · 10 -2 m · s -1
Данная величина скорости Q6 достаточна для поддержания колоний в потоке и компенсации седиментации на пористую пластину, а также для переноса колоний во внешнее устройство. Для дополнительного регулирования потока во внешние устройства может также использоваться насос Н2 в режиме Q2.This value of speed Q 6 is sufficient to maintain the colonies in the flow and to compensate for sedimentation on the porous plate, as well as to transfer the colonies to an external device. For additional flow control to external devices, an H2 pump in Q 2 mode can also be used.
ПРИМЕР 1EXAMPLE 1
Готовили суспензию штамма микробных клеток в концентрации 107 КОЕ.мл-1 (КОЕ - колоний образующих единиц) и последовательно разбавляли до концентраций 1·102, 1·103 1·104 1·105 1·106 КОЕ.мл-1, с получением шести образцов суспензии S.aureus. Для заполнения устройства жидкой средой (Фаза 1, фиг.5-а в емкость 3 подавали физиологический раствор с объемной скоростью потока Q1=10 мкл·с-1 с помощью шприцевого насоса H1 . Таким образом, обеспечивали смачивание и дегазацию емкостей 3 и 4. Затем суспензию микробных клеток каждого из образцов объемом 20 мкл подавали в емкость 4 с помощью микрошприца с объемной скоростью Q2=2 мкл·с-1 (Фаза 2, фиг.5-б), до ее равномерного распределения по поверхности пористой пластины 19. За распределением суспензии наблюдали в окно 11 с помощью внешней видеокамеры. Затем перед началом роста состав питательной среды в емкости 3 приводили в стандартное состояние промыванием с помощью насоса H1 при скорости Q3=10 мкл·с-1 (Фаза 3). Затем начинали фазу инкубирования и роста колоний микробных клеток. Питательный раствор подавали с помощью насоса H1 с объемной скоростью Q1=0,16 пл·с-1 и установили температурный режим для роста 37°C с помощью внешнего термостата (Фаза 4). Использовали пористую пластину, содержащую 400 зон роста диаметром 20 мкм, диаметром пор 200 нм и пористостью φ=0,6. После инкубирования в течение 3 часов (Фаза 4) исследовали пористую пластину с отверстиями с помощью микроскопа. Микроскопическое исследование показало, что, в зависимости от концентрации исходной суспензии, на части зон роста (от 0,5% до 60%) наблюдаются выросшие колонии S.Aureus, как на фиг.14. Исследовали влияние исходной концентрации S.aureus на долю зон роста, в которых происходил рост колоний, наблюдая результаты проведения инкубирования с помощью микроскопа. Результаты наблюдений приведены в табл.2, столбец 7.A suspension of a strain of microbial cells was prepared at a concentration of 10 7 CFU / ml -1 (CFU - colonies of the forming units) and was successively diluted to concentrations of 1 · 10 2 , 1 · 10 3 1 · 10 4 1 · 10 5 1 · 10 6 CFU / ml -1 , to obtain six samples of a suspension of S.aureus. To fill the device with a liquid medium (
Опыт повторяли с пластинами, имеющими по 400 ростовых зон с размером отверстий 2 мкм, 7 мкм и 10 мкм, средним диаметром пор 200 нм и пористостью φ=0,6. Результаты приведены в табл.2, столбцах 4, 5, 6.The experiment was repeated with plates having 400 growth zones with a hole size of 2 μm, 7 μm and 10 μm, an average pore diameter of 200 nm and a porosity of φ = 0.6. The results are shown in table 2,
Затем проводили отсоединение и перенос выросших колоний микроорганизмов во внешние устройства для пластин с отверстиями 7 мкм, 10 мкм и 20 мкм. Перенос осуществляли гидравлическим способом с помощью гидроудара. Для осуществления гидроудара внешний насос H1 переводили в режим высокой объемной скорости Q5=0,8·10-6 м·с-1 (Фаза 5), что соответствовало линейной скорости 1 м·с-1 (площадь сечения разгонной камеры 3 на фиг.3 составляет 0,8-10-6 м2), затем перекрывали на время t клапаны 6 и 17 (фиг.3) в соответствии с Фазой 6 работы устройства. В результате чего в емкости 3 возникала ударная волна, распространяющаяся в направлении ростовой пластины 19. Затем клапан 8 открывали и насос H1 переводили в режим Q6=1·109 м3·с-1 и наблюдали с помощью микроскопа в канале 14 устройства и проводили их подсчет. Данные приведены в табл.3, столбце 3.Then, the grown colonies of microorganisms were disconnected and transferred to external devices for plates with openings of 7 μm, 10 μm and 20 μm. The transfer was carried out hydraulically using water hammer. To carry out water hammer, the external pump H1 was switched to the high volumetric velocity mode Q 5 = 0.8 · 10 -6 m · s -1 (Phase 5), which corresponded to a linear speed of 1 m · s -1 (cross-sectional area of the
Далее эксперимент повторяли для пластин с отверстиями диаметром 7 мкм и 10 мкм. Данные приведены в таблице 3 колонках 5 и 7, соответственно.Next, the experiment was repeated for plates with holes with a diameter of 7 μm and 10 μm. The data are shown in table 3
Из таблицы 3 видно, что при скоростях ниже 1 м·с-1 наблюдается существенное снижение доли перемещенных в канал 14 колоний. При превышении скорости 5 м·с-1 наблюдается разрушение пористой пластины с отверстиями.From table 3 it is seen that at speeds below 1 m · s -1 there is a significant decrease in the proportion of 14 colonies transferred to the channel. When the speed is exceeded 5 m · s -1 , a destruction of the porous plate with holes is observed.
ПРИМЕР 2EXAMPLE 2
Проводили посев в предлагаемом устройстве (см. Пример 1) микроорганизмов пробы пациента с подозрением на поражение носоглотки S.aureus. Приготовляли мазок слизи носоглотки пациента и путем смыва пробы слизи с ватного тампона в физиологический раствор объемом 1 мл и осаждения волокон и частиц седиментацией в течение 5 мин готовили суспензию популяции микроорганизмов. Приготовили образцы суспензии разных концентраций путем ступенчатого десятикратного разбавления, получив разбавления в 10, 100 и 1000 раз. Перенесли 20 мкл суспензии из каждого образца в устройство как в примере 1. Использовали пластину, содержащую 400 отверстий, диаметром 10 мкм. После проведения фаз 1-3 процесса инкубации при условиях, как в примере 1, исследовали результат с помощью микроскопа. Общее заполнение ростовых зон устройства составило 10-40%, причем по данным визуальной экспертной оценки наблюдались колонии четырех типов: S.Aureus, Neisseria meningitidis, S.pneumoniae, Enteroccocus. Результаты приведены в табл.4.Sowing was carried out in the proposed device (see Example 1) of the microorganisms of the patient's sample with suspected damage to the nasopharynx of S.aureus. A patient’s nasopharyngeal mucus smear was prepared, and a suspension of the microorganism population was prepared by washing the mucus sample from a cotton swab into a 1 ml physiological solution and sedimenting the fibers and particles by sedimentation for 5 min. Suspension samples of various concentrations were prepared by ten-fold dilution, obtaining dilutions of 10, 100, and 1000 times. Transferred 20 μl of the suspension from each sample to the device as in example 1. Used a plate containing 400 holes, with a diameter of 10 μm. After carrying out phases 1-3 of the incubation process under conditions as in example 1, the result was examined using a microscope. The total filling of the growth zones of the device was 10–40%, and according to the data of a visual expert assessment, four types of colonies were observed: S. Aureus, Neisseria meningitidis, S. pneumoniae, Enteroccocus. The results are shown in table 4.
Затем проводили отсоединение и перенос выросших колоний микроорганизмов во внешние устройства (канал 14) для пластин с отверстиями 7 мкм, 10 мкм и 20 мкм. Перенос осуществляли гидравлическим способом с помощью гидроудара. Для осуществления гидроудара внешний насос H1 переводили в режим высокой объемной скорости Q5=0,8·10-6 м3·с-1 (Фаза 5), что соответствовало линейной скорости 1 м.с-1 (площадь сечения разгонной камеры 3 на фиг.3 составляет 0,8·10-6 м2), затем перекрывали на время t клапаны 6 и 17 (фиг.3) в соответствии с Фазой 6 работы устройства. В результате чего в емкости 3 возникала ударная волна, распространяющаяся в направлении ростовой пластины 19. Затем клапан 8 открывали и насос Н1 переводили в режим Q6=1·10-9 м·с-1 и наблюдали с помощью микроскопа в канале 14 устройства и проводили их подсчет. Данные приведены в табл.3, столбце 3.Then, the grown colonies of microorganisms were disconnected and transferred to external devices (channel 14) for plates with openings of 7 μm, 10 μm and 20 μm. The transfer was carried out hydraulically using water hammer. To carry out water hammer, the external pump H1 was transferred to the high volumetric velocity mode Q 5 = 0.8 · 10 -6 m 3 · s -1 (Phase 5), which corresponded to a linear speed of 1 ms -1 (cross-sectional area of the
Характеристика прибораTechnical solution
Product Feature
руб.Operating costs for 1 sample,
rub.
Таблица 4Table 4
Claims (6)
, где:
- величина пористости пористой мембраны
n - количество связей микробной клетки и поверхности мембраны на единицу площади поверхности;
F - средняя сила единичной связи Ван-дер-Ваальсова типа между поверхностью микробной клетки и поверхностью мембраны.1. A method of growing colonies of microbial cells on the surface of a porous plate, including supplying a nutrient solution from the bottom up through a porous plate to the growth zones of colonies of microbial cells formed on its upper surface, feeding a suspension of microbial cells to the upper surface of the porous plate, creating controlled conditions for the growth of colonies, observing the growth of the colonies, colonies grown detach the microbial cells from the growth zone and transfer them into the external identification means, characterized in that the pit The solid solution is fed into the growth zones of microbial cell colonies by creating a pressure differential between the inlet and outlet of the holes made in the plate of anodic alumina orthogonally to its large plane and topologically encoded, in which these growth zones are formed in the form of porous membranes, while porous membranes, placed either flush with the upper surface of the plate, or with the formation of a hole, do not let microbial cells pass, then a suspension of microbial cells of a given concentration is fed to the upper surface the plate to their uniform distribution, while a film is formed on the surface of the plate between the growth zones that prevents the attachment of microbial cells, and the growing microcolonies are disconnected from the growth zones by water hammer directed from the inlet side of the cylindrical holes of the plate and propagating along them further through the pores of the porous membranes with a force that does not destroy the microcolony, but sufficient to separate them from the growth zones, while the pressure in the zone of hydroshock
where:
- the porosity of the porous membrane
n is the number of bonds of the microbial cell and the membrane surface per unit surface area;
F is the average strength of a single van der Waals-type bond between the surface of the microbial cell and the surface of the membrane.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011154770/10A RU2522005C2 (en) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | Method of growing colonies of microbial cells and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011154770/10A RU2522005C2 (en) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | Method of growing colonies of microbial cells and device for its realisation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011154770A RU2011154770A (en) | 2013-10-27 |
RU2522005C2 true RU2522005C2 (en) | 2014-07-10 |
Family
ID=49446075
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011154770/10A RU2522005C2 (en) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | Method of growing colonies of microbial cells and device for its realisation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2522005C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020076299A1 (en) * | 2018-10-09 | 2020-04-16 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Flat-form imaging for microscopic objects |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2009138925A (en) * | 2007-03-22 | 2011-04-27 | Нанолоджикс, Инк. (Us) | DEFINITION AND IDENTIFICATION OF MICRO-ORGANISMS ON TRANSPARENT PERMEABLE MEMBRANES |
-
2011
- 2011-12-29 RU RU2011154770/10A patent/RU2522005C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2009138925A (en) * | 2007-03-22 | 2011-04-27 | Нанолоджикс, Инк. (Us) | DEFINITION AND IDENTIFICATION OF MICRO-ORGANISMS ON TRANSPARENT PERMEABLE MEMBRANES |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
INGHAM C.J. ET AL., «The micro-Petri dish, a million-well growth chip for the culture and high-throughput screening of microorganisms», PNAS, November 13, vol.104, no.46, p.18217-18222, (реферат, стр.18218, колонка 2, абзац 2). * |
IVAR MEYVANTSSON, ET AL., «Automated cell culture in high density tubeless microfluidic device arrays», Lab chip, 2008, * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020076299A1 (en) * | 2018-10-09 | 2020-04-16 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Flat-form imaging for microscopic objects |
US11932844B2 (en) | 2018-10-09 | 2024-03-19 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Flat-form imaging for microscopic objects |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011154770A (en) | 2013-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20200264205A1 (en) | Methods and devices for analysis of defined multicellular combinations | |
JP4002720B2 (en) | Single cell long-term culture microscope | |
Salieb-Beugelaar et al. | Latest developments in microfluidic cell biology and analysis systems | |
US11566224B2 (en) | Dendritic cell generator | |
EP2606976A1 (en) | Methods and apparatus for the manipulation of particle suspensions and testing thereof | |
US20170247652A1 (en) | Device and Method for High Throughput Bacterial Isolation | |
US20150076049A1 (en) | Microfilter and apparatus for separating a biological entity from a sample volume | |
US9834747B2 (en) | Methods and apparatus for transplantation of nucleic acid molecules | |
CN109499631A (en) | A kind of micro-fluid chip of integrated anodised aluminium perforated membrane | |
RU2522005C2 (en) | Method of growing colonies of microbial cells and device for its realisation | |
WO2022187684A1 (en) | Systems and methods for generating droplets and performing digital analyses | |
US20220195486A1 (en) | Multiplexable microfluidic culture chamber for imaging monolayer growth of single cells | |
Alcàcer-Almansa et al. | Methods for studying biofilms: Microfluidics and translation in the clinical context | |
EP3839037A1 (en) | Bioprocessing device | |
US20240240126A1 (en) | Microfluidic Barcode-Like Cell Sensor For Microscope-Free Quantitative Detection Of Small Amount Of Cells | |
CN106635796A (en) | Apparatus for cell fixation culture, and fixation culture method | |
US12000842B2 (en) | Systems and methods for generating droplets and performing digital analyses | |
CN103041878A (en) | Novel drug screening microfluidic chip and preparation method thereof | |
Mulansky et al. | Innovative flow chamber for fluorescence microscopic analysis of biofilm formation | |
Geng et al. | Multimodal microchannel and nanowell-based microfluidic platforms for bioimaging | |
Klaczko | Applications of Microporous Nanomembranes for the Detection and Study of Infectious Diseases | |
Grünberger | Single cell analysis of microbial production strains in microfluidic bioreactors | |
McLeod et al. | A standard 96-well based high throughput microfluidic perfusion biofilm reactor for in situ optical analysis | |
TWI285678B (en) | System integrated with micro-fluid stain chips and detecting method for the same | |
Ingham et al. | Can We Improve on the Petri Dish with Porous Culture Supports? |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201230 |