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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Projeto e construção de dispositivo microfluídico baseado em gradiente de concentração convectivo para determinação do crescimento de células bacterianas = Design of microfluidic device based on convective concentration gradient for determination bacterial cell growth
Title Alternative: Design of microfluidic device based on convective concentration gradient for determination bacterial cell growth
Author: Vit, Franciele Flores, 1985-
Advisor: Torre, Lucimara Gaziola de la, 1971-
Abstract: Resumo: A microfluídica pode ser definida como a ciência que utiliza pequenos volumes de soluções que escoam em canais de dimensões na ordem de micrometros e tem sido amplamente difundida em várias áreas de pesquisa. Dentre suas possíveis aplicações, a microfluídica pode contribuir para avanços na área da biotecnologia industrial para o monitoramento do comportamento microbiano em diferentes condições de cultivo de forma simultânea, gerando as replicatas em um único experimento. Nesse contexto, este trabalho teve o objetivo de desenvolver um dispositivo microfluídico para monitorar o crescimento celular bacteriano e determinar os parâmetros cinéticos em condições similares a um biorreator. O dispositivo microfluídico foi projetado com a capacidade de gerar gradiente convectivo para criar diferentes condições simultâneas de cultivo. Assim, foi possível variar a concentração de substrato em três distintas câmaras de cultivo celular, construídas em paralelo, juntamente com suas respectivas triplicatas. Para isso, o sistema foi construído em dois níveis: inferior, onde estão localizadas as câmaras de cultivo fechadas com um sistema de membranas (que permite a difusão do meio de cultura e isola as bactérias) e o nível superior que foi composto por uma rede de microcanais, responsáveis pela geração do gradiente de concentração convectivo alimentando as câmaras de cultivo por meio das membranas. Diferentes materiais foram explorados a fim de estabelecer as melhores condições para o cultivo de células microbianas. Foram propostos quatro dispositivos construídos em vidro e polidimetilsiloxano nas formas natural (PDMS) e laminado (PDMSLAM), resultando nos protótipos: (i) PDMS-PDMS; (ii) PDMSLAM-Vidro; (iii) PDMSLAM-PDMSLAM; (iv) Vidro-Vidro. Estes dispositivos foram avaliados quanto à capacidade de geração de gradientes e a afinidade do micro-organismo com o material. Desta forma, a configuração considerada ideal foi empregada para cultivo e determinação de parâmetros cinéticos microbianos, sendo utilizado como prova de conceito a bactéria Escherichia coli JM109, que possui o plasmídeo pLAN-GFPHind codificante para proteína verde fluorescente (GFP). A fluorescência emitida pela bactéria permitiu investigar o crescimento celular por meio da correlação do número de células com a intensidade de fluorescência e, a partir disso, foram determinados o perfil de crescimento e os parâmetros cinéticos da bactéria. Os resultados apontaram a viabilidade do dispositivo projetado quanto ao cultivo microbiano frente a um gradiente de concentração de antibiótico, mostrando ainda que é possível definir uma sistemática de várias condições de cultivo em uma única etapa

Abstract: Microfluidics is the science that utilizes small volumes of solutions that flow through channels of micrometric dimensions and has been widely applied in many areas of research. It can contribute to industrial biotechnology, especially in monitoring microbial behavior in different conditions simultaneously. This work aimed to develop a microfluidic device to assess bacterial cell growth and determine the kinetic parameters in conditions similar to those found in a bioreactor. The proposed microfluidic device was designed having the ability to generate convective gradients to simultaneously create different cultivation conditions. These varying conditions allowed to alter the substrate concentration in three different cell culture chambers arranged in parallel, along with its respective triplicates. The device was built on a two-tier mode: the inferior tier, where is located a cultivation chamber topped with a membrane system to allow the diffusion of culture medium and to isolate the cells from the second tier; and an upper tier composed of a network of microchannels arranged in such a way to induce the formation of a convective concentration gradient. This convective stream fed the culture chambers with fresh medium by flowing through the selective membranes. Different construction materials have been explored in order to provide the optimum conditions for cell growth. Four different devices were proposed and constructed using a combination of glass and polydimethylsiloxane, in both its natural (PDMS) and laminate forms (PDMSLAM), resulting in the prototypes: (i) PDMS-PDMS, (ii) PDMSLAM-Glass, (iii) PDMSLAM-PDMSLAM, (iv) Glass-glass. These devices were evaluated for their ability to generate concentration gradients and with regard to the affinity of the microorganism with the material. The ideal configuration was then used for cultivation of bacterial cells and for the estimation of kinetic parameters. Escherichia coli (JM109) was used as proof of concept, which have been modified to have a plan-GFPHind plasmid coding for Green Fluorescent Protein (GFP). The fluorescence emitted by the bacteria enabled the investigation of cell growth by correlating the number of cells with the intensity of fluorescence and, as a result, we determined the growth profile and the kinetic parameters for this bacteria. The results showed the feasibility of the designed device relative to cell cultivation in an antibiotic concentration gradient, presenting the capability of defining a system of several growth conditions in only one step
Subject: Microfluidica
Bactérias
Biotecnologia
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEQ - Tese e Dissertação

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