Ứng dụng In phun để nuôi cấy vi khuẩn trên giấy
Nghiên cứu này cố gắng tạo ra một hệ thống ổn định cho việc nuôi cấy vi khuẩn (có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi) bằng cách sử dụng công nghệ in phun trên giấy để thay thế cho hệ thống nuôi cấy vi khuẩn thông thường vẫn được thực hiện bằng cách thủ công nên khó kiểm soát chất lượng. Việc sử dụng giấy như là một vật liệu hỗ trợ cho việc nuôi cấy vi khuẩn. Tính kỵ nước/ưa nước được tạo ra trên các ô/ hoa văn theo cách: nhúng giấy vào dung dịch polystyrene trong toluen để tạo cho toàn bộ tờ giấy tính kỵ nước. Sau đó, in toluene được in lên trên các ô để tạo tính ưa nước. Ngoài ra, khi Agar (thạch rau câu) khi được thủy phân bằng acid sulfuric (H2SO4) thì phân tử lượng của nó sẽ bị ngắn lại do vậy sẽ duy trì được trạng thái lỏng và sẽ phù hợp cho việc in phun. Sau đó, khuẩn Escherichia coli được in trên các vùng ưa nước và có thể quan sát được bằng kính hiển vi. Bằng cách này ta có thể đảm bảo các vi khuẩn sẽ được sắp xếp ổn định và từ đó có thể tiếp tục phát triển tốt.
Từ khóa: inkjet, bacterial culture system, hydrophobic, hydrophilic, E. coli cells …
GIỚI THIỆU
Giấy là vật liệu phổ biến, rẻ tiền, dễ tái chế và thân thiện với môi trường cũng như nó rất dễ dàng lưu trữ, vận chuyển, thao tác, và sắp đặt. Rất nhiều thiết bị kỳ lạ dựa trên vật liệu giấy đã được trình bày bởi nhiều nhà nghiên cứu. Một mặt, các thiết bị cảm biến dùng trong y tế dựa trên vật liệu giấy đã cố gắng để được chế tạo nhằm phân tích các thành phầm liên quan đến cơ thể như máu và urê [1, 2]. Mặt khác, cơ chế xâm nhập của vi giọt nước lên giấy đã được kiểm tra về mặt lý thuyết để làm nền tảng cho việc chế tạo các thiết bị điện tử giấy [3]. Nghiên cứu này cũng sử dụng nguyên liệu giấy và công nghệ in phun để chế tạo một thiết bị mới cho việc nuôi cấy vi khuẩn. Việc nuôi cấy vi khuẩn trong keo agar trên những đĩa petri (dạng đĩa nông có nắp) thường dùng những phương pháp truyền thống để theo dõi sự phát triển vi khuẩn và những người nghiên cứu cũng phải thao tác việc nuôi cấy theo cách thủ công trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các thao tác được thực hiện bởi con người luôn luôn đi kèm với những lỗi, đặc biệt là liên quan đến việc thao tác bằng tay bởi vì vi khuẩn thường rất nhỏ và rất dễ bị tổn thương. Thay vì sử dụng các đĩa petri để nuôi vi khuẩn thì có thể xem xét đến việc dùng giấy như là một vật liệu thay thế vì nó có được cấu trúc dạng mạng lưới phù hợp. Ngoài ra, công nghệ in phun có thể được sử dụng để in vi khuẩn vào chính xác vị trí và đảm bảo cung cấp số lượng chính xác số vi khuẩn trên từng giọt được phun ra. Thông qua việc quan sát vi khuẩn phát triển trong những điều kiện khác nhau bằng phương pháp này có thể vận hành dễ dàng và cũng tránh được các lỗi thực nghiệm do con người gây ra.
THỰC NGHIỆM
Chúng tôi lựa chọn giấy như là một vật liệu tiềm năng để cung cấp điều kiện quan sát hiệu quả việc phát triển của vi khuẩn dưới những điều kiện khác nhau. Nghiên cứu trước đây [2] trình bày một phương pháp biến đổi giấy để tạo thành các vùng kỵ nước và ưa nước trên cùng một vật liệu bằng cách sử dụng polystyrene (PS) và toluen. Cũng tương tự như trong nghiên cứu này, PS tác động như một rào cản kỵ nước ngăn không cho lan rộng của các chất gốc nước khi được in trên các vùng ưa nước. Trước tiên, giấy lọc được ngâm trong dung dịch 3.0% PS trong toluene trong 1 giờ và và sau đó để khô ở nhiệt độ phòng trong 15 phút để làm cho toàn bộ diện tích giấy lọc trở thành kỵ nước. Những hình vuông với diện tích 10×10 mm mỗi hình được làm cho ưa nước bằng cách cách in toluen với dung môi xanh 35 nồng độ 0.015% khối lượng để hiển thị (gọi tắt là “màu xanh toluene” sau đây) với điều kiện: sử dụng đầu phun 3 vòi và in đè lên hai lần (overprinting)để các ô/hoa văn sẽ được hình thành tốt.
Hơn nữa, chúng tôi cũng đã cố gắng để in một vật liệu chọn lọc dựa trên agar bằng cách sử dụng máy in phun để phân bố những thành phần nhỏ của vật liệu đó trên những vùng ưa nước của giấy lọc. Tuy nhiên, các vật liệu dựa trên agar thường nhanh chóng bị kết đông ở nhiệt độ phòng. Đây là một vấn đề nghiêm trọng cho việc in ấn. Vì vậy, chúng tôi sửa đổi vật liệu dựa trên agar bằng cách sử dụng axit như axit sulfuric (H2SO4) nhằm cắt ngắn chuỗi polysaccharide. Mức độ tối ưu của quá trình thủy phân cho việc in ấn được tìm ra.
Đầu tiên, 0.5 g bột agar được hòa tan trong 20 ml các dung dịch 0.05%, 0.1% và 0.02% H2SO4 . Sau đó, các bình chứa chúng được đun nóng trên một tấm nhiệt trong 10, 15, 20, 25, 30 , 40, 45, và 50 phút. Để làm dừng quá trình thủy phân bằng axit, các dung dịch Agar được làm lạnh trong nước đá trong 5 phút. Sau đó, trung hòa bằng xút (NaOH) nhằm làm cho chúng phù hợp cho việc nuôi cấy vi khuẩn. Các muối Na2SO4 được sinh ra trong quá trình trung hòa được loại bỏ bằng cách lọc điện (bằng thiết bị Microacilyzer S1 với một lớp màng AC110-10, ASTOM, Nhật Bản). Độ nhớt của dung dịch Agar đã thủy phân được đo bằng thiết bị đo độ nhớt động Cannon-Fenske. Cuối cùng, các dung dịch Agar đã thủy phân được nạp vào bình đựng mực được bao bọc bởi lớp màng chịu nhiệt và được in phun trên những vùng ưa nước có kích thước 5x5mm. Tốc độ khô của dung dịch Agar đã thủy phân khi in trên giấy được quan sát để đánh giá khả năng giữ nước. Các tế bào của vi khuẩn sống được sau khi in ấn đã được khẳng định khi thử nghiệm với vi khuẩn E. coli. Vi khuẩn E. coli được in với máy in phun (Dimatix DMP-2800, Fujifilm, Nhật Bản) trên 1 hình vuông là môi trường nuôi cấy có độ dày 5mm. Các ô có kích thước 5×10 dots được sắp xếp trên hình vuông có độ dày 5mm. Sau khi in trên vật liệu, vi khuẩn E. coli được giữ trong tủ với nhiệt độ 37°C trong 24 giờ. Và kết quả là vi khuẩn sinh sôi trên các vùng lân cận.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Sau khi giấy lọc đã được ngâm trong dung dịch PS trong toluene và sấy khô, giấy lọc đã được thay đổi để trở thành kỵ nước. Sau đó, những phần ưa nước sẽ được tạo ra bằng cách in màu xanh toluen trên giấy lọc kỵ nước. Ba đầu phun được sử dụng và in phủ lên 2 lần (overprinting) được chọn thử nghiệm và phải mất 40 phút để hoàn thành việc in.
Dung dịch agar đã thủy phân được phân loại thành 3 nhóm theo trạng thái: gel, kem và chất lỏng. Bột agar 0.05% hòa tan trong H2SO4 thành dạng lỏng được đun nóng trong 30 phút để đạt được mức độ tối ưu của quá trình thủy phân. Nghĩa là độ nhớt phù hợp cho in phun. Thêm vào đó, đầu gia nhiệt có màng bọc phía ngoài (của máy in phun) đảm bảo cho việc chuyển đổi agar đã thủy phân từ trạng kem trở thành lỏng. Agar đã thủy phân có thể in dễ dàng vì nó không làm tắc nghẽn đầu phun. Kết quả là, đầu gia nhiệt này đảm bảo cho việc phun đều đặn bằng cách giữ Agar đã thủy phân ở trạng thái lỏng. Tuy nhiên50 m L Agar đã thủy phân sẽ khô nhanh chóng vì độ ẩm môi trường của Agar chỉ có thể giữ lâu nhất là 16 giờ.
Sau khi các giá thể của các tế bào vi khuẩn E. coli đã được in, các tờ chứa Agar đã thủy phân được quan sát ngay lập tức bằng kính hiển vi. Những vùng lân cận của E. coli trưởng thành xuất hiện như những đốm trắng sau khi được nuôi cấy 30 giờ và được chụp ảnh (Hình 1). Từ kết quả này có thể cho thấy rằng các tế bào vi khuẩn E. coli được phun qua vòi phun đã sống sót tốt mặc dù phải chịu ứng suất cao từ vòi phun. Vấn đề về tỷ lệ sống thấp đôi khi xảy ra khi sử dụng dung dịch phun từ các hệ thống sinh học pha chế [4, 5].
Sự sắp xếp của vi khuẩn E. coli được in trên tờ đã phủ Agar đã thủy phân
Tuy nhiên, tỷ lệ sống đạt được sử dụng hệ thống in phun này không có vẻ quá thấp vì thấy rằng vi khuẩn sinh sôi trên tất cả các dots (phần in ra). Kết quả cũng cho thấy rằng phương pháp in phun này có khả năng sắp xếp tương đối ổn định của các tế bào vi khuẩn E. Coli. Mặc dù vẫn xuất hiện một số điểm nhỏ không mong muốn có thể nhìn thấy bên cạnh các điểm chính trong bức ảnh. Độ lệch này trong sự sắp xếp do sự phân chia các giọt từ đầu phun, xảy ra ngay lập tức khi các giọt ra khỏi vòi phun. Hạn chế này được giải quyết qua việc kiểm soát độ nhớt và kiểm soát sức căng bề mặt bằng cách thêm một lượng nhỏ glycerol (glyxerin)
Chúng tôi đã phát triển vật liệu phù hợp in phun trên cơ sở giấy như một phần của một hệ thống thử nghiệm sinh học. Kết quả đạt được là môi trường agar thủy phân phù hợp cho in phun in trên giấy. Và cuối cùng, chúng tôi khẳng định rằng vi khuẩn sống sót sau khi in ra.
Nguồn: Graduate school of Life and Environmental Science, University of Tsukuba, Japan
Biên dịch: ww.prima.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. W. Martinez, S. T. Phillips, E. Carrilho, S. W. Thomas, H. Sindi, and G. M. Whitesides, 2008. Simple Telemedicine for Developing Regions: Camera Phones and Paper-Based Microfluidic Devices for Real-Time, Off-Site Diagnosis. Anal. Chem. 80 (10): 3699-3707.
[2] K. Abe, K. Suzuki, and D. Citterio, 2008. Inkjet-Printed Microfluidic Multianalyte Chemical Sensing Paper, Anal. Chem. 80 (18): 6928-6934.
[3] T. Enomae, K. Dogome, and A. Isogai, 2012. Evaluation of Absorption of Micro-Droplets on Paper for Creation of Paper-Based Microstructures. Journal of Materials Science 47 (8): 3554-3563.
[4]R. E. Saunders, J. E. Gough, and B. Derby: Biomaterials, 2008. (29): 193.
[5] T. Xua, C. A. Gregorya, P. Molnara, X. Cuia, S. Jalotab, S. B. Bhadurib, and T. Boland: Biomaterials, 2006.(27): 3580.
