基于微流控芯片的几何微结构与流体速率对细菌黏附的影响

论文摘要

细菌黏附是一种常见的现象,多发生于水相流体环境诸如河床、轮船底部、输水管等。细菌黏附常常会引起细菌感染、细菌诱导性腐蚀、细菌被膜等,带来极大的危害。因此,细菌黏附是医学、微生物学上的重要课题,其研究一直是细菌学上的热点领域。通常,细菌黏附研究所采用的工具是平行板流体腔。但随着研究的发展,它的许多缺陷如难以控制通道结构渐渐暴露出来。而近年来发展起来的一种微流控流体腔芯片则能弥补这些不足。作为微流控技术的一个分支,微流控流体腔芯片具试剂需求量微、检测精度高、操作自动化等优点;而且它易于控制通道结构,能完成一些传统手段所不能完成的研究。本实验设计了一种单层的微流控芯片。芯片含有16条完全对称的管道和4种不同几何形状(圆、四角形、六角形、八角形)的微室,来研究细菌黏附的各种影响因素:培养时间,流速、流体几何结构。其中流体几何结构对细菌黏附的影响是本文研究的重点和主要创新:因为在传统的细菌黏附研究中,由于设备的限制而不能完成此方面的研究;本文利用微流控技术突破了这个限制。实现中利用自制含GFP基因的大肠杆菌工程菌株HB101来进行细菌的黏附测试,并统计了细菌在不同微室、不同区域的黏附密度。通过数据分析与数字模拟来研究细菌黏附的影响因素。本实验主要的内容和结果如下:(1)制备了可稳定产生荧光的大肠杆菌工程菌株和一种微流控流体腔芯片,并用软件模拟了芯片内的流体分布。(2)阐明了细菌黏附随时间的变化规律:细菌黏附最先开始于流体腔的两侧区域,随着时间的进行,渐渐覆盖到整个腔室;在这个过程中,流体腔内各种的细菌黏附密度均随着时间增长。(3)研究了细菌黏附的排列与液流之间的关系:黏附的细菌在低流速下排列混乱;随着流速的增加,细菌的排列方向变得很有规律,呈一种规则的方向性;这个方向受到微室形状控制。(4)发现了细菌黏附在流体中不同位置的差异:离流体腔的侧壁越近,黏附程度越高。(5)研究了细菌黏附受流体几何结构的影响:在结构更复杂的测试腔中,黏附程度要大大高于结构更简单的腔室。本实验的发现给了细菌防治一个重要的提示:简单的流体结构更有利于减少细菌的黏附。所采用的流体腔芯片也为研究几何结构对细菌生理行为的影响提供了一个可用的实验平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 微流控芯片技术
• 1.1.1 概况
• 1.1.2 微流控技术在生物学中的应用
• 1.2 细菌黏附研究
• 1.2.1 概况
• 1.2.2 研究意义
• 1.2.3 以传统平行板流体腔为平台的细菌黏附研究
• 1.3 文献总结与选题依据
• 第二章 含GFP 基因的大肠杆菌HB101 的制备
• 2.1 仪器与材料
• 2.1.1 仪器
• 2.1.2 材料
• 2.2 方法
• 2.2.1 大肠杆菌工程菌株的转化
• 2.2.2 菌株的培养与保存
• 2.2.3 生长曲线的测定
• 2.3 实验结果
• 2.3.1 目标工程菌中GFP 基因的表达
• 2.3.2 生长曲线
• 2.4 讨论
• 2.4.1 菌株与质粒的选择
• 2.4.2 大肠杆菌培养条件优化
• 2.5 总结
• 第三章 微流控芯片的设计与制备
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 仪器与材料
• 3.1.2 芯片制备
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 芯片结构
• 3.2.2 讨论
• 3.3 总结
• 第四章 芯片内流体的数字模拟
• 4.1 材料和方法
• 4.1.1 软件与芯片
• 4.1.2 方法流程
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 实验结果
• 4.2.2 讨论
• 4.3 总结
• 第五章 细菌黏附研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 材料与仪器
• 5.1.2 方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 细菌黏附与时间的关系
• 5.2.2 细菌黏附的方向性
• 5.2.3 细菌黏附与流体环境几何结构的关系
• 5.3 总结
• 结论
• 参考文献
• 缩写词汇
• 致谢
• 作者简介