Early detection of biofilms using low-cost polymeric optical Lab-on-a-chip

Abstract

In surface colonization, microorganisms tend to form complex biological structures containing cells and adhesion molecules, called biofilms, which provide them with high stability and resistance to biocide compounds. These biofilms are dynamic structures in which bacteria, individually or in layers, are continuously recruited and released with time. This dynamism makes biofilms a source of microorganism, sometimes pathogens, becoming elements of risk for public health. Up to now, most widespread detection methods for biofilm formation are based on conductimetric, capacitive or potentiometric analyses. These methods are simple, easy to implement and sensitive but prone to false positives for their low selectivity, interference of environmental factors (e.g. temperature or medium conductivity) and ageing/corrosion of the transducer. The aim of this master thesis was to develop a low-cost polymeric optical Lab-on-a-chip for sensitive and selective detection of biofilms in early stages of formation. Lab on a chip consisted of two poly(methyl methacrylate) layers containing two SU-8 waveguides confronted one to the other with a microfluidic channel in between. The region between waveguides was etched with suitable patterns to promote bacterial adhesion and biofilm growth, thus enhancing sensor sensitivity to initial stages of biofilm formation. Sensing principle was based on the changes produced in the spectral response of the system (by absorbing components present in the biofilm) and the amount of light reaching the detector when a biofilm was growing between both waveguides. Optical measurements provided the system with high selectivity allowing to differentiate between water-based elements (such as biofilms), which may confine the light, and salt incrustations (the major interference in electrical analysis systems) which should disperse light. This structure represent a step forward in early detection of biofilm formation, very relevant in several areas such as water distribution, food and beverage industries and even medicine.

En la colonización de superficies, los microorganismos tienden a formar estructuras biológicas complejas que contienen células y compuestos de adhesión llamadas biofilms, que les proporcionan gran estabilidad y resistencia a los biocidas. Los biofilms pueden actuar como fuente de patógenos que son liberados esporádicamente en altas concentraciones, lo cual puede suponer un riesgo para la salud pública. Los métodos actuales de detección están basados en análisis conductimétricos, potenciométricos o capacitivos. Estos métodos son simples, fáciles de implementar y sensibles, pero son proclives a obtener falsos positivos debido a su falta de selectividad, a sufrir interferencias del entorno (por ejemplo temperatura o conductividad) y a el deterioro del transductor. El objetivo de este trabajo de máster ha sido el desarrollo de un dispositivo Lab-on-a-chip polimérico de bajo coste para la detección óptica de biofilms en las primeras etapas de formación. El dispositivo consiste en dos láminas de polimetilmetacrilato con dos guías de ondas de SU-8 confrontadas entre ellas y con un canal microfluídico en medio. Se ha aplicado un grabado en la zona entre guías para mejorar la adhesión bacteriana y el crecimiento de biofilms, permitiendo una detección temprana. El principio de detección se centra en los cambios producidos en la respuesta espectral del sistema (debido a componentes absorbentes presentes en el biofilm) y en la cantidad de luz recogida por el detector mientras el biofilm crece entre las dos guías. Las medidas ópticas proporcionan al sistema una gran selectividad, permitiendo la diferenciación entre biofilms, que podrían confinar luz, e incrustaciones salinas (principal problema en los sistemas de análisis eléctrico) que la dispersan. Esta estructura representa un paso adelante en la detección temprana de formación de biofilms, lo cual es muy relevante en áreas como la distribución de agua, la industria alimentaria e incluso en medicina.

En la colonització de superfícies, els microorganismes tendeixen a formar estructures biològiques complexes que contenen cèl·lules i compostos d’adhesió anomenades biofilms., que els proporcionen gran estabilitat i resistència als biocides. Els biofilms poden actuar com a font de patògens que son alliberats esporàdicament en altes concentracions, el qual pot suposar un risc per a la salut pública. Els mètode actuals de detecció estan basats en anàlisis conductimètrics, potenciomètrics o capacitius. Aquests mètodes són simples, fàcils d’implementar i sensibles, però són proclius a obtenir falsos positius degut a la seva falta de selectivitat i al deteriorament del transductor. L’objectiu d’aquest treball de màster ha sigut el desenvolupament d’un dispositiu Lab-on-a-chip polimèric de baix cost per a la detecció òptica de biofilms en les primeres etapes de formació. El dispositiu consisteix en dues làmines de polimetilmetacrilat amb dues guies d’ones de SU-8 confrontades entre elles i amb un canal microfluídic enmig. S’ha aplicat un gravat a la zona entre guies per millorar l’adhesió bacteriana i el creixement de biofilms permetent una detecció precoç. El principi de detecció es centra en els canvis produïts en la resposta espectral del sistema (degut a components absorbents presents al biofilm) i en la quantitat de llum recollida pel detector mentre el biofilm creix entre les dues guies. Les mesures òptiques proporcionen al sistema una gran selectivitat, permetent la diferenciació entre biofilms, que podrien confinar la llum, i incrustacions salines (principal problema en els sistemes d’anàlisi elèctrica) que la dispersen. Aquesta estructura representa un pas endavant en la detecció precoç de formació de biofilms, el qual és molt rellevant en àrees com la distribució d’aigua, la indústria alimentària i inclús la medicina.