TY - JOUR A1 - Wen, Keqing A1 - Gorbushina, Anna A1 - Schwibbert, Karin A1 - Bell, Jérémy T1 - Microfluidic platform with precisely controlled hydrodynamic parameters and integrated features for generation of microvortices to accurately form and monitor biofilms in flow N2 - Microorganisms often live in habitats characterized by fluid flow, and their adhesion to surfaces in industrial systems or clinical settings may lead to pipe clogging, microbially influenced corrosion, material deterioration, food spoilage, infections, and human illness. Here, a novel microfluidic platform was developed to investigate biofilm formation under precisely controlled (i) cell concentration, (ii) temperature, and (iii) flow conditions. The developed platform central unit is a single-channel microfluidic flow cell designed to ensure ultrahomogeneous flow and condition in its central area, where features, e.g., with trapping properties, can be incorporated. In comparison to static and macroflow chamber assays for biofilm studies, microfluidic chips allow in situ monitoring of biofilm formation under various flow regimes and have better environment control and smaller sample requirements. Flow simulations and experiments with fluorescent particles were used to simulate bacteria flow in the platform cell for calculating flow velocity and direction at the microscale level. The combination of flow analysis and fluorescent strain injection in the cell showed that microtraps placed at the center of the channel were efficient in capturing bacteria at determined positions and to study how flow conditions, especially microvortices, can affect biofilm formation. The microfluidic platform exhibited improved performances in terms of homogeneity and robustness for in vitro biofilm formation. We anticipate the presented platform to be suitable for broad, versatile, and high-throughput biofilm studies at the microscale level. KW - Topographical pattern KW - E. coli KW - Fluorescence KW - Bacteria trapping KW - Particle velocimetry PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-610450 DO - https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.4c00101 SN - 2373-9878 VL - 10 IS - 7 SP - 4626 EP - 4634 PB - ACS Publ. CY - Washington, DC AN - OPUS4-61045 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wen, Keqing A1 - Gorbushina, Anna A1 - Schwibbert, Karin A1 - Bell, Jérémy T1 - A microfluidic platform for monitoring biofilm formation in flow under defined hydrodynamic conditions N2 - Bacterial adhesion on surfaces of medical, water and food applications may lead to infections, water or food spoilage and human illness. In comparison to traditional static and macro flow chamber assays for biofilm formation studies, microfluidic chips allow in situ monitoring of biofilm formation under various flow regimes, have better environment control and smaller sample requirements. In this work, a novel microfluidic platform is developed to investigate biofilm adhesion under precisely controlled bacteria concentration, temperature, and flow conditions. This platform central unit is a single-inlet microfluidic flow cell with a 5 mm wide chamber designed and tested to achieve ultra-homogenous flow in the central area of chamber. Within this area, defined microstructures are integrated that will disturb the homogeneity of the flow, thus changing bacterial adhesion pattern. Here we present the monitoring of bacterial biofilm formation in a microfluidic chip equipped with a microstructure known as micro-trap. This feature is based on a 3D bacteria trap designed by Di Giacomo et al. and successfully used to sequester motile bacteria. At first, fluorescent particles similar in size to Escherichia coli (E. coli) are used to simulate bacteria flow inside the flow cell and at the micro-trap. The turbulences induced by the trap are analyzed by imaging and particle tracking velocimetry (PTV). Secondly, the model strain E. coli TG1, ideal and well described for biofilm studies, is used to analyze biofilm formation in the micro-trap. Therefore, a stable fluorescent strain E. coli TG1-MRE-Tn7-141 is constructed by using Tn7 transposon mutagenesis according to the method described by Schlechter et al. Sequestering of E. coli cells within the micro-trap was followed using epifluorescence microscopy. The novel microfluidic platform shows great potential for assessment of bacterial adhesion under various flow regimes. The performance of structural feature with respect to the generation of turbulences that promote or reduce bacterial adhesion can be systematically examined. The combination of flow analysis and fluorescent strain injection into the microfluidic chip shows that the micro-trap is useful for capturing bacteria at defined positions and to study how flow conditions, especially micro-turbulences, can affect biofilm formation. It represents a powerful and versatile tool for studying the relation between topography and bacteria adhesion. T2 - International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences CY - Katowice, Poland DA - 15.10.2023 KW - Biofilm KW - E. coli KW - Microfluidics KW - Velocimetry KW - Fluorescence PY - 2023 AN - OPUS4-59593 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Geburtig, Anja A1 - Gorbushina, Anna A1 - Plarre, Rüdiger A1 - Stephan, Ina T1 - Umweltsimulation an der BAM – Grundlegende Ansätze mit Beispielen aus der natürlichen Umwelt N2 - Drei grundlegend verschiedene Ansätze für Umweltsimulation werden an Beispielen illustriert: (i) Ganzheitlicher Ansatz - Nachstellen von Umweltmilieus im Labor Ziel ist hier das Nachstellen von (kombinierten) Umweltbedingungen im Labor; die Umweltparameter werden mit all ihren Wechselwirkungen aufgebracht. Hauptnutzen ist eine gegenüber der natürlichen Beanspruchung erhöhte Reproduzierbarkeit der Umweltbedingungen. Hat man sein Laborsetup entwickelt, ist es auf verschiedene Materialien anwendbar. Unter solchen Laborbedingungen ermittelte Lebensdauern sind dabei nicht auf die typischerweise sehr variablen Real-Umweltbedingungen übertragbar. (ii) Parametrisierter Ansatz - Ermittlung einzelner Materialempfindlichkeiten Hierbei werden im Labor die Wirkungen separater Umweltparameter auf Materialien nachgestellt. Für eine solche Separation der Einflussfaktoren ist insbesondere die Aufschlüsselung möglicher Wechselwirkungen der Umwelt-parameter (z.B. Mikroklima an bestrahlten Oberflächen) erforderlich. Einzelne (meist Alterungs-) Empfindlichkeiten können qualitativ nachgewiesen werden oder sogar – als Beanspruchungs-Wirkungs-Funktionen – quantifiziert werden, was einen wesentlichen Schritt in Richtung der Digitalisierung der Material¬prüfung darstellt. Insbesondere ist dann auch eine Lebensdauer-vorhersage für vorgegebene Zeitreihen der Beanspruchungs¬parameter umsetzbar. (iii) Rückwirkungen auf die Umwelt Umweltbeanspruchungen können zur Freisetzung von Schadstoffen in die Umwelt führen. Durch die Nachstellung kritischer, aber realitätsnaher Einsatzszenarien kann die Menge an freigesetzten Substanzen abgeschätzt werden. Egal, welcher Ansatz verfolgt wird – ein Vergleich mit der oder einer Real-beanspruchung ist unerlässlich, ebenso wie die Messdatenaufzeichnung (data logging) aller potenziell relevanten Beanspruchungsparameter während dieser Realbeanspruchung. Obwohl die naturnahe Umwelt – sowohl in der BAM als auch bei der GUS – gegenüber der technischen Umwelt eher untergeordnet auftritt, werden zur Illustration Beispiele aus der naturnahen Umwelt verwendet. T2 - 50. Jahrestagung der GUS CY - Online meeting DA - 23.03.2022 KW - Umweltsimulation PY - 2022 SN - 978-3-9818507-7-2 SP - 79 EP - 89 AN - OPUS4-55015 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -