基于城垛结构的细菌培养芯片及抗生素敏感性分析研究

论文摘要

抗生素的大量生产及不合理使用使得环境污染和抗药性问题变得日益严重。常规的细菌敏感性测试方法费时费力、灵敏度低,采用自动抗生素敏感性分析仪器进行细菌敏感性测试不仅昂贵而且维护成本高,不能实时监测细菌的生长状态。与传统细菌敏感性测试方法相比,微流控技术不但可以精确控制培养条件,实时观察细菌的生长状态,而且可以大大降低培养成本和时间、缩短抗生素最小抑制浓度的测定周期。本文建立了适应研究环境微生物的微流控研究平台,设计出一款具有动态稳定微环境的微流控芯片,实现了细菌的快速培养、细菌原位实时观察和抗生素敏感性分析,测定了细菌的最小抑制浓度。获得了比常规方法更多的形态学信息。首先构建微流控研究平台,包括动力系统、芯片系统和观察系统三部分;设计了5种基于连续流细菌培养芯片,培养微室外围设置间隙,其形态类似于城垛。并利用COMSOL软件对不同结构培养腔内流速分布进行仿真,分析5种结构抵抗外部液体扰动的能力,从中选取培养腔内流速小且分布均匀的结构,发现当外围存在分流结构,且内部设有城垛结构培养腔体内动态变化较为稳定,制备了三种的微流控芯片,建立了微流控芯片的细菌观察和生长曲线绘制方法。在COMSOL仿真模拟的基础上开展了基于芯片的细菌快速培养研究,探究了适合细菌培养的最佳条件。研究表明微流控芯片培养大肠杆菌和铜绿假单胞杆菌的最优结构为结构Ⅳ,最适流速为0.1μL/min、0.5μL/min,最适培养基种类为LB培养基。与常规孔板方法对比,基于微流控芯片的细菌培养的优于常规孔板方法,具有实现细菌的快速培养,减少了试剂消耗,实时观察细菌生长状态等优点。利用微流控芯片研究抗生素对细菌的抑制过程。先采用孔板实验获取3种抗生素对2种细菌的抑制曲线,随后利用微流控芯片快速获取抗生素对大肠杆菌和铜绿假单胞杆菌的抑制特性和形态变化特征。确定了大肠杆菌在盐酸四环素、红霉素下的最小抑制浓度为12mg/L、100mg/L;铜绿假单胞杆菌在盐酸四环素、红霉素、环丙沙星下的最小抑制浓度分别为30mg/L、300mg/L、0.7mg/L。此结果与常规孔板方法所获结果相近,证明了微流控芯片是一种可靠手段,能快速测定细菌的最小抑制浓度值,缩短测试时间,操作简便,可应用于环境新型污染物对细菌生长的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 基于微流控技术的细菌培养研究现状
•     1.2.1 细菌的悬浮培养
•     1.2.2 细菌的固定培养
•   1.3 微流控技术在抗生素敏感分析方面的应用现状
•     1.3.1 浓度梯度发生器
•     1.3.2 细菌抗生素敏感性快速分析
•     1.3.3 微流控芯片细菌生长状态观测
•     1.3.4 单细胞抗生素敏感性检测
•     1.3.5 微流控芯片技术在环境方面的应用
•   1.4 主要研究内容及技术路线
• 第2章 实验材料与方法
•   2.1 实验试剂与实验仪器
•     2.1.1 实验试剂
•     2.1.2 实验仪器
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 菌种的复苏
•     2.2.2 实验试剂的配制
•     2.2.3 菌种的培养方法
•     2.2.4 生长曲线的测定
•     2.2.5 微流控芯片的制作
•     2.2.6 微流控芯片的细菌培养方法
• 第3章 微流控芯片的设计与优化
•   3.1 引言
•   3.2 微流控平台系统的设计与构建
•     3.2.1 微流控平台系统构建
•     3.2.2 微流控芯片的通道结构设计
•   3.3 微流控芯片结构优化
•     3.3.1 简单单通道模型和不同结构模型对比
•     3.3.2 模拟简单直通道和不同结构模型细菌运动情况
•     3.3.3 模拟简单直通道和不同结构模型的动态特性
•     3.3.4 其他改进措施
•   3.4 微流控芯片的细菌观测
•     3.4.1 图像处理及细菌量的表征
•     3.4.2 芯片上微生物的生长曲线
•   3.5 本章小结
• 第4章 基于微流控芯片的细菌培养条件优化
•   4.1 引言
•   4.2 微流控芯片结构对细菌生长的影响
•   4.3 流体流速对细菌生长的影响
•     4.3.1 流速对大肠杆菌生长的影响
•     4.3.2 流速对铜绿假单胞杆菌生长的影响
•   4.4 培养基对细菌生长的影响
•     4.4.1 不同培养基对大肠杆菌生长的影响
•     4.4.2 LB培养基成分变化对大肠杆菌生长的影响
•     4.4.3 不同培养基对铜绿假单胞杆菌生长的影响
•     4.4.4 LB培养基成分变化对铜绿假单胞杆菌生长的影响
•   4.5 本章小结
• 第5章 基于微流控芯片的细菌抗生素敏感性分析
•   5.1 引言
•   5.2 基于常规方法的抗生素对细菌的抑制特性研究
•     5.2.1 抗生素对大肠杆菌生长的抑制特性
•     5.2.2 抗生素对铜绿假单胞杆菌生长的抑制特性
•   5.3 基于芯片的抗生素对大肠杆菌的抑制特性研究
•     5.3.1 盐酸四环素对大肠杆菌生长的抑制特性
•     5.3.2 红霉素对大肠杆菌生长的抑制特性
•   5.4 基于芯片的抗生素对铜绿假单胞杆菌的抑制特性研究
•     5.4.1 盐酸四环素对铜绿假单胞杆菌生长的抑制特性
•     5.4.2 红霉素对铜绿假单胞杆菌生长的抑制特性
•     5.4.3 环丙沙星对铜绿假单胞杆菌生长的抑制特性
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 阿里亚·阿不力米提

导师: 孙凯

关键词: 微流控,城垛,模拟,细菌培养,抗生素,最小抑制浓度

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: X172;X50

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004276

总页数: 82

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