WO2016049720A1 - Microfluidic devices and use thereof - Google Patents

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Publication number
WO2016049720A1
WO2016049720A1 PCT/BR2015/000102 BR2015000102W WO2016049720A1 WO 2016049720 A1 WO2016049720 A1 WO 2016049720A1 BR 2015000102 W BR2015000102 W BR 2015000102W WO 2016049720 A1 WO2016049720 A1 WO 2016049720A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pdms
glass
holes
glass slide
chambers
Prior art date
Application number
PCT/BR2015/000102
Other languages
French (fr)
Portuguese (pt)
Inventor
Lucimara Gaziola DE LA TORRE
Aline Furtado OLIVEIRA
Reinaldo Gaspar BASTOS
Original Assignee
Universidade Estadual De Campinas- Unicamp
Fundação Universidade Federal De São Carlos - Ufscar
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidade Estadual De Campinas- Unicamp, Fundação Universidade Federal De São Carlos - Ufscar filed Critical Universidade Estadual De Campinas- Unicamp
Publication of WO2016049720A1 publication Critical patent/WO2016049720A1/en

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/14Apparatus for enzymology or microbiology with means providing thin layers or with multi-level trays
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material

Definitions

  • the present invention fits into the field of microbiology and microfluidics to optimize the steps for selecting optimal conditions for microbial cell growth and thus improving the performance of the early stages in bioprocesses. More specifically, the invention relates to structured microfluidic devices for generating a diffusive concentration gradient in easily assembled and reusable biocompatible materials for general use in microbiology to assess cellular behavior.
  • microfluidics is a science that applies these principles and expands study alternatives in various areas of knowledge.
  • microfluidics are involved in the development of systems capable of determining the optimal reaction conditions and assisting in the optimization of bioprocesses.
  • Microfluidics developed from other sciences they sought. new techniques with fast and reliable results. The analytical was the most influential area, when the microfluidic potential was used in order to optimize the analytical methods. Microelectronics, in turn, collaborated in the development of the microfluidic platform, applying the photolithography technique in the construction of microfluidic devices.
  • microfluidic devices allow separation and manipulation of samples, generating mixing systems and concentration gradients.
  • microfluidics are used to determine kinetic parameters in order to increase process productivity.
  • microfluidic devices are used to provide a promising environment for efficient cell growth.
  • Microfluidic devices have the advantage of evaluating the biological behavior and kinetics of real-time reactions and simulating macroscale operations, which enables process optimization with greater efficiency in vitro than traditional techniques.
  • microfluidics is an important tool for various biotechnology research, with emphasis on bioprocesses and the development of new technologies.
  • the devices currently used in microfluidics have high versatility and concentration gradient formation capabilities that can contribute to studies in industrial microbiology, allowing the use of microfluidics to perform tests and analysis of early stages in bioprocesses, generating faster results. than current techniques.
  • these devices have some critical points / technical problems / limitations, among which are: they are not fully reusable, they are not versatile regarding the use of aerobic or anaerobic system, greater difficulty in mounting the device, use of materials that may affect the reaction kinetics of cells and not so much consist of systems that [16]
  • US 8,216,526 B2 relates to a microfluidic device capable of generating multiple spatial chemical gradients simultaneously within a circular microfluidic chamber containing three inputs through which solutions of different concentrations are inserted. In this chamber a diffusive, non-convective concentration gradient is generated and applied to evaluate the bacterial chemotaxis process.
  • the present invention describes a reusable device which has a diffusive concentration gradient in a two-level system. and using easily assembled materials that do not affect cellular performance.
  • US 2004211054 describes microfluidic systems molded from polymeric material.
  • the device presented in this document is composed of porous PDMS and a membrane with electrode assembly and is intended to generate electrical energy from fuel cells. In this case, it is an application of microfluidics in the electroanalytical area.
  • the present invention consists of a diffusive gradient generation system for evaluating cellular behavior.
  • the proposed devices are easy to assemble and have reversible sealing. Due to the properties of the materials used (hydrophilic and hydrophobic), they can be used to evaluate the behavior of different materials.
  • Canadian patent document CA2830533 refers to a microfluidic device for conducting biological assays, which features irreversible sealing of PDMS in glass base, thus preventing complete sanitation of the system, containing micro tubes and pneumatic chamber in the microchannels.
  • the proposed invention differs from the Canadian document mainly in that the sealing is reversible, which allows the reuse of said device. Additionally, the geometry of the proposed device allows, in addition to cell cultivation, to evaluate cell behavior against different concentrations of a given substrate, determine kinetic parameters and evaluate cell performance under the imposed conditions.
  • the constructive arrangement of the device comprises two levels in order to generate diffusive concentration gradient, which allows to evaluate free cells within the microchannel.
  • the construction methodology differs in the materials and structures used.
  • the present invention provides three microfluidic devices which have been structured to generate a diffusive concentration gradient in biocompatible materials.
  • the invention describes the use of microfluidic devices to optimize the steps for selecting optimal conditions for microbial cell growth and thereby improving bioprocess production performance.
  • the invention describes microfluidic devices. diffusive in biocompatible materials.
  • the invention refers to two devices which differ in the composition of materials, the three of which have a linear profile in the formation of diffusive concentration gradient.
  • chamber indicates where cells are placed for diffuse concentration gradient analysis and is at the lower level of the devices.
  • microcamera refers to chamber divisions (ranges) made virtually to perform cell counting.
  • channel refers to the place from which solutions of different concentrations flow and has the shape of "y”.
  • reversible sealing refers to the fact that the device may be closed by any non-permanent means of attachment.
  • the devices differ in the amount of layers at both the lower and upper levels and in the treatment of unlaminated PDMS to make it less hydrophobic.
  • the invention relates to a microfluidic device ( Figure 1A), called a glass-to-glass microfluidic device, comprising:
  • the cutout of the laminated PDMS (2) surrounds the walls of the microchannels and the smooth glass blade (1) defines the bottom of the microchannels (chambers);
  • the holes in the laminate (3) are preferably drilled by chemical corrosion and fit into the ends of the chambers;
  • the holes in the glass slide (5) may optionally contain fittings for solution inlet hoses (9);
  • the materials have transparency, which allows to view the biological material present in the chambers through an inverted microscope, preferably glass and laminated PDMS;
  • the device is reusable.
  • the microfluidic device (FIGS. 1B and 1C), referred to as the glass-PMDS microfluidic device (or Glass ⁇ -mPMDS when the chemically modified PDMS) comprises:
  • the channel is in low relief, in Y shape, on the upper surface of the PDMS (7) and allows the flow of solutions of different concentrations;
  • the holes in the PDMS (7) are within the channel region and fit the ends of the microchannels (chambers) of the glass slide (6);
  • PDMS (2) may be chemically modified, for example with polyethylene glycol divinyl ether (DEV-PEG), to make it less hydrophobic, and is referred to as mPDMS (8) after modification;
  • DEV-PEG polyethylene glycol divinyl ether
  • sealing is by any movable fastening means, preferably by pressing metal clips;
  • the materials have transparency, which allows to view the biological material present in the chambers through an inverted microscope, preferably glass and the PDMS-the device is reusable.
  • the invention describes the use of the device for any process that needs to know optimal substrate conditions or ideal conditions for cellular performance, estimation of kinetic parameters and evaluating chemical responses such as chemotaxis.
  • the invention describes the use of microfluidic devices to optimize the steps for selecting optimal conditions for microbial cell growth and thereby improving bioprocess production performance.
  • Microbial cells can be selected. or aerobic and cells that do or do not undergo chemotaxis.
  • the proposed invention optionally features fixed connectors for inlet and outlet streams on the upper blade.
  • Figures 1A-C schematically represent the proposed microfluidic devices, wherein (a) is the glass-glass device, (b) is the glass-PDMS device and (c) is the glass-mPDMS device. of the laminated PDMS glass-to-glass microfluidic adhesion sealing device, wherein (a) is the laminated PDMS smooth glass laminate and the apertured glass laminate, (b) is the inoculation of the cell suspension within the cultivation, (c) is the adhesion of the Y-channel laminated PDMS on the upper blade, (d) is the upper and lower adhesion of the device and (e) is the assembled glass-glass microfluidic device.
  • Figures 3A-C show the linear gradient profile along the glass-to-glass microfluidic microchannel (chamber), where (a) is the linear gradient formation with rhodamine B and mosaic image captured after 30 min with magnification. 20x, (b) is the linear profile by fluorescence intensity and (c) is the nearly linear gradient profile by color intensity in the glass-glass device.
  • Figures 4A-C show the linear profile of the gradient along the PDMS microfluidic microchannel, where (a) is the formation of the linear dye gradient as a function of contact with the upper level currents, (b) is the color intensity gradient profile along the microchannel and (c) is the nearly linear gradient profile in the lower microchannels of the glass-PMDS device.
  • Figure 5 schematically depicts the chamber in which the diffusive concentration gradient is generated in microfluidic device.
  • Figures 6A and 6B correspond to the image of growth of Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 along the microchannel (chamber) and time, at times 0 and 1 hour, with initial concentration of 1.02 x 10 3 cel / pL. microfluidic root canal, where (a) are the growth profiles of the Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 yeast along the chambers (position) and time and (b) is the schematic diagram of the chamber and the cell count divisions, called the microchamber. .
  • Figures 8A and 8B correspond to the growth curves of S. cerevisiae ATCC 7754 in (a) microfluidic device and (b) conventional batch cultivation.
  • Figure 9 graphs the estimated kinetic parameters for cell growth kinetics for S. cerev ⁇ seae described by Monod.
  • the invention describes structured microfluidic devices for generating a diffusive concentration gradient in easy-to-assemble, reusable, biocompatible materials for cellular behavior assessment.
  • microfluidic devices are configured at two levels (lower and upper) and their geometries were based on the study by Atenda et al., 2012 already available in the state of the art.
  • the new microfluidic devices described differ in the composition of materials used, are reusable and easy to assemble, use effective and simple sealing methods and connections and do not affect microbial cells by magnetism.
  • microfluidic devices of the present invention are:
  • Table 1 briefly shows the materials that make up each of the devices of this invention. Their structure is shown in Figures 1A-C.
  • the lower level has microchannels suitable for the cultivation of microbial cells.
  • microchannels are called chambers and in them the formation of the diffusive concentration gradient occurs.
  • the glass-to-glass device is a fully transparent hydrophilic system that allows the evaluation and visualization of free cell behavior under an optical microscope.
  • glass is a tough material and does not allow gas to pass through, making studies with anaerobic or facultative cells possible.
  • the lower level (i) is formed of plain glass slide (or coverslip) (l). Above this slide, laminated PDMS (2) is placed, which bypasses the walls of the microchannels and promotes adhesion between the glass base and the upper layer.
  • the geometries made in the laminated PDMS were created by ablation in a CO 2 laser machine of the glass-glass device and made by glass coverslip (3) with 0.5 mm holes, which perfectly fit the lower microchannels (chambers) and that give [59]
  • the upper level is formed by laminated PDMS in Y-channel geometry (4), through which solutions flow. The holes are made by wet corrosion process and the PDMS by soft lithography. And to close the device, a glass slide (5) containing two inlets and one outlet is used, further comprising the fitting of the hoses (9) through which the syringe pump solutions will be pumped.
  • the sealing of the glass-glass device is performed by adhering the laminated PDMS, which gives good adhesion and no leakage throughout the test time even at higher flow rates.
  • the device is reversible sealing and step mounted which are shown in Figure 2A-E.
  • the reusable glass-PDMS and glass-rnPDMS devices are more easily constructed and offer many possibilities for applications with free cells, adherent cells, chemotaxis and non-chemotaxis cells, as well as anaerobic or aerobic systems.
  • the lower level (i) of these devices is formed by glass slide containing microchannels (6) for cell culture (chambers), which were made by wet corrosion, which gives durability, strength and larger hydrophilic area characteristics. ; and a PDMS part configuring the Y-shaped channel and containing 0.5 mm holes (7 ) which as input to the lower level.
  • the PDMS part was made by soft lithography.
  • PDMS can also be chemically modified (mPDMS) with polyethylene glycol divinyl ether (DEV-PEG) and other methods available in the scientific literature to provide a less hydrophobic surface, hereinafter modified PMDS ( 8).
  • mPDMS chemically modified
  • DEV-PEG polyethylene glycol divinyl ether
  • a glass slide (5) containing two inlets and one outlet is provided, including the fitting of the hoses (9) through which the pumping will be pumped. solutions by syringe pump.
  • the glass-PDMS or mPDMS device was sealed with metal clamp pressure, which provided efficient sealing, allowing stable flow of upper level currents and lower level gradient generation capability.
  • the device was able to form a linear and purely diffusive concentration gradient in the lower chambers, proving to be applicable for cell studies.
  • the present invention further provides the use of microfluidic devices to optimize the steps of microbial and thus improve production performance in bioprocesses.
  • flow determination was defined as a function of constant flow generation at the upper level and thus forming the diffusive concentration gradient at the lower level.
  • liquid and hydrophilic food coloring was used in the lower chambers of each device and, in the inlet streams, 40 and 0 g / L glucose solution, with water as solvent.
  • the region with the lowest dye color is the region where the glucose concentration flows at 40 g / L.
  • a qualitative analysis indicates that the dye diffusivity in this region will be lower, as greater resistance to mass transfer is imposed by the presence of glucose.
  • concentration of S. cerevisiae used was 0.5x10 2 cel / pL.
  • the microfluidic system was mounted in laminar flow and the cell suspension was placed in the culture chambers. To impose the difference in glucose concentration, two degassed solutions of YPD medium were used, varying only the glucose concentration, being one medium absent from glucose.
  • Microbial growth was observed using confocal microscope with temperature control system at 30 ° C. Microchannel images were captured hourly, 10h and anaerobically.
  • Microchannel endpoints have been excluded because there is no gradient generation in these regions, as they are the gateway to the different-glucose solution streams to the microchannel (see Figure 5).
  • the glass-to-glass microfluidic device was suitable for the cultivation of Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754, as it observed an increase in cell number over time, allowing investigation of kinetic parameters and comparison with conventional culture cultivation assays. batch and literature data.
  • yeast cells showed the same behavior as expected in a conventional fermentation system, proving the feasibility of evaluating microbial growth in this glucose concentration range and consequently determining the kinetic parameters in microfluidic system.
  • Table 7 Comparison between S. cerev ⁇ siae ATCC 7754 specific growth rate in microfluidic system with concentration gradient and batch fermentation.
  • the three devices showed linear and purely diffusive concentration gradient formation in the chambers (lower microchannels) and were applicable.
  • the glass-glass device as it has hydrophilic surfaces and is absent from gas exchange, was chosen for free cell studies under anaerobic conditions and is applicable for microbial cultivation, having similar kinetic parameters to conventional cultivation, which may contribute in bioprocesses.

Abstract

The invention relates to structured microfluidic devices for generating a diffusive concentration gradient in biocompatible materials, which are easy to assemble and reusable. The invention describes the use of the device in any process requiring the ideal conditions of the substrate to be known, or the ideal conditions for cell performance, estimation of kinetic parameters and chemical response evaluation, such as chemotaxis.

Description

DISPOSITIVOS MICROFLUIDICOS E SEU USO MICROFLUIDIC DEVICES AND THEIR USE
Campo da invenção: Field of the invention:
[1] A presente invenção se insere no campo da microbiologia e microfluídica para otimizar as etapas de seleção das condições ótimas para o crescimento celular microbiano e, assim, melhorar o desempenho das etapas iniciais de em bioprocessos . Mais especificamente, a invenção refere-se a dispositivos microfluídicos estruturados para a geração de um gradiente de concentração difusivo em materiais biocompatíveis, de fácil montagem e reutilizáveis, para uso geral em microbiologia para avaliar comportamento celular.  [1] The present invention fits into the field of microbiology and microfluidics to optimize the steps for selecting optimal conditions for microbial cell growth and thus improving the performance of the early stages in bioprocesses. More specifically, the invention relates to structured microfluidic devices for generating a diffusive concentration gradient in easily assembled and reusable biocompatible materials for general use in microbiology to assess cellular behavior.
Fundamentos da invenção:  Background of the invention:
[2] Atualraente, as ciências buscam por tecnologias inovadoras, as quais estejam aliadas à alta produtividade, menores custos e tempo operacional.  [2] Currently, the sciences are looking for innovative technologies, allied to high productivity, lower costs and uptime.
[3] Dentro desse contexto, a microflu dica é uma ciência que aplica, esses princípios e amplia alternativas de estudos em diversas áreas do conhecimento.  [3] Within this context, microfluidics is a science that applies these principles and expands study alternatives in various areas of knowledge.
[4] Na biotecnologia, por exemplo, a microfluídica a a no desenvolvimento de sistemas capazes de determinar as condições ideais de uma reação e auxiliar na otimizaçáo de bioprocessos.  [4] In biotechnology, for example, microfluidics are involved in the development of systems capable of determining the optimal reaction conditions and assisting in the optimization of bioprocesses.
[5] Essa ciência opera em dispositivos microf luídicos com dimensões na escala de mícrômetros, sendo necessário um pequeno volume (IO-6' a 10""1S L) de amostras e reagentes. [5] This science operates on microfluoric devices with micrometer scale dimensions, requiring a small volume (10 -6 ' to 10 "" 1S L) of samples and reagents.
[6] Assim, os processos são rápidos em termos de transferência cie massa e calor e as reações acontecem em regime de escoamento laminar, mimetizando o icro-ambiente no espaço de forma precisa, viabilizando as avaliações de células em situações reais. [6] Thus, processes are fast in terms of mass and heat transfer and reactions take place under laminar flow regime, mimicking the icro-environment. in space precisely, enabling cell evaluations in real situations.
[7] A microfluídica desenvolveu-se a partir de outras ciências que buscavam . novas técnicas com resultados rápidos e confiáveis. A analítica foi a área mais influente, quando o potencial microfluídico foi utilizado a fim de otimizar os métodos analíticos. A microeletrônica, por sua vez, colaborou no desenvolvimento da plataforma microfluídica, com a aplicação da técnica de fotolitografia na construção de dispositivos microfluídicos .  [7] Microfluidics developed from other sciences they sought. new techniques with fast and reliable results. The analytical was the most influential area, when the microfluidic potential was used in order to optimize the analytical methods. Microelectronics, in turn, collaborated in the development of the microfluidic platform, applying the photolithography technique in the construction of microfluidic devices.
[8] Posteriormente, outros suportes e métodos de construção foram: testados e as técnicas de microfabricaçao impulsionaram a produção de dispositivos microfluídicos em diversas geometrias e tipos de materiais, configurados de acordo com a finalidade de cada pesquisa.  [8] Subsequently, other supports and construction methods were: tested and microfabrication techniques boosted the production of microfluidic devices in various geometries and material types, configured according to the purpose of each research.
[9] Aind com relação à geometria, os dispositivos microfluídicos permitem a separação e a manipulação de amostras, gerando sistemas de mistura e gradientes de concentrações .  [9] Regarding geometry, microfluidic devices allow separation and manipulation of samples, generating mixing systems and concentration gradients.
[10] A. formação de gradiente possibilita a observação do comportamento celular frente a diferentes concentrações de determinada substância, característica importante para compreender o comportamento celular e determinar parâmetros envolvidos em bioprocessos .  [10] A. Gradient formation allows the observation of cellular behavior against different concentrations of a given substance, an important feature to understand cellular behavior and to determine parameters involved in bioprocesses.
[11] Dentre as várias aplicações da microfluídica, destacam-se os estudos com células animais, em que é possível monitorar o desenvolvimento celular em situações ideais, sequenciar o DNA em eletroforese microchip, analisar a expressão gênica com um desempenho maior do que as técnicas células animais. [11] Among the many applications of microfluidics, animal cell studies stand out, where it is possible to monitor cell development in optimal situations, sequence DNA in microchip electrophoresis, and analyze gene expression with greater performance than techniques. animal cells.
[12] Em bioprocessos, a microfluidica é usada para determinar os parâmetros cinéticos a fim de aumentar a produtividade dos processos. Nestes estudos, são usados dispositivos microfluidicos, com o objetivo de fornecer um ambiente promissor para o crescimento eficiente de células.  [12] In bioprocesses, microfluidics are used to determine kinetic parameters in order to increase process productivity. In these studies, microfluidic devices are used to provide a promising environment for efficient cell growth.
[13] Os dispositivos microfluidicos apresentam a vantagem de avaliar o comportamento biológico e a cinética de reações em tempo real e simula operações de macro escala, que possibilita a otimização de processos com maior eficácia in vitro do que as técnicas tradicionais.  [13] Microfluidic devices have the advantage of evaluating the biological behavior and kinetics of real-time reactions and simulating macroscale operations, which enables process optimization with greater efficiency in vitro than traditional techniques.
[14] Sendo assim, a microfluidica mostra-se uma ferramenta importante para diversas pesquisas em biotecnologia, com destaque para bioprocessos e no desenvolvimento de novas tecnologias.  [14] Thus, microfluidics is an important tool for various biotechnology research, with emphasis on bioprocesses and the development of new technologies.
[15] Os dispositivos atualmente utilizados na microfluidica possuem alta versatilidade e capacidade de formação de gradientes de concentração que podem contribuir para os estudos em microbiologia industrial, permitindo o aproveitamento da microfluidica para realizar ensaios e análises de etapas iniciais em bioprocessos, gerando resultados mais rápidos do que as técnicas atuais. Contudo, tais dispositivos apresentam alguns pontos críticos/problemas técnicos/limitações, dentre as quais destacam-se: não são totalmente reutilizáveis, não são versáteis quanto a utilização de sistema aeróbio ou anaeróbio, maior dificuldade na montagem do dispositivo, utilização de materiais que podem afetar a cinética de reação das células e nem tanto não consistem em sistemas que [16] Alguns dos problemas/limitações/pontos críticos mencionados acima estão apresentados de forma detalhada nos documentos descritos a seguir. [15] The devices currently used in microfluidics have high versatility and concentration gradient formation capabilities that can contribute to studies in industrial microbiology, allowing the use of microfluidics to perform tests and analysis of early stages in bioprocesses, generating faster results. than current techniques. However, these devices have some critical points / technical problems / limitations, among which are: they are not fully reusable, they are not versatile regarding the use of aerobic or anaerobic system, greater difficulty in mounting the device, use of materials that may affect the reaction kinetics of cells and not so much consist of systems that [16] Some of the problems / limitations / critical points mentioned above are detailed in the documents described below.
[17] O documento US 8,216,526 B2 refere-se a um dispositivo microfluídico, capaz de gerar múltiplos gradientes químicos espaciais simultaneamente dentro de uma câmara microfluidica em formato circular, contendo três entradas por onde são inseridas as soluções de diferentes concentrações. Nesta câmara é gerado o gradiente de concentração difusivo, sem convecção, sendo aplicado para avaliar o processo de quimiotaxia bacteriana Diferentemente do documento de patente americano, a presente invenção descreve um dispositivo reutilizável, o qual apresenta um gradiente de concentração difusivo em sistema de dois níveis e usando materiais de fácil montagem e que não afetam o desempenho celular.  [17] US 8,216,526 B2 relates to a microfluidic device capable of generating multiple spatial chemical gradients simultaneously within a circular microfluidic chamber containing three inputs through which solutions of different concentrations are inserted. In this chamber a diffusive, non-convective concentration gradient is generated and applied to evaluate the bacterial chemotaxis process. Unlike the US patent document, the present invention describes a reusable device which has a diffusive concentration gradient in a two-level system. and using easily assembled materials that do not affect cellular performance.
[18] O US 2004211054 descreve sistemas microfluídicos moldados em material polimérico.0 dispositivo apresentado neste documento é composto por PDMS poroso e uma membrana com conjunto de eletrodos e tem o objetivo de gerar energia elétrica a partir de células de combustível. Neste caso, trata-se de uma aplicação da microfluidica na área de eletroanalítica . Diferentemente do documento americano, a presente invenção consiste em um sistema com geração de gradiente difusivo para avaliação de comportamento celular. Os dispositivos ora propostos apresentam fácil montagem e possuem selagem reversível. Pelas propriedades dos materiais usados (hidrofílico e hidrofóbico) , os mesmos podem ser empregados para avaliar o comportamento de diferentes Já o documento de patente canadense CA2830533, este refere- se a um dispositivo microfluidico para conduzir ensaios biológicos, o qual apresenta selagem irreversível de PDMS em base de vidro, impedindo assim a higienização completa do sistema, contendo micro tubos e câmara pneumática nos microcanais. Por outro lado, a invenção proposta difere do documento canadense principalmente pelo fato da selagem ser reversível, o que permite a reutilização do dito dispositivo. Adicionalmente, a geometria do dispositivo proposto permite, além do cultivo de células, avaliar o comportamento celular frente a diferentes concentrações de um determinado substrato, determinar parâmetros cinéticos e avaliar o desempenho celular nas condições impostas. [18] US 2004211054 describes microfluidic systems molded from polymeric material. The device presented in this document is composed of porous PDMS and a membrane with electrode assembly and is intended to generate electrical energy from fuel cells. In this case, it is an application of microfluidics in the electroanalytical area. Unlike the US document, the present invention consists of a diffusive gradient generation system for evaluating cellular behavior. The proposed devices are easy to assemble and have reversible sealing. Due to the properties of the materials used (hydrophilic and hydrophobic), they can be used to evaluate the behavior of different materials. Canadian patent document CA2830533, on the other hand, refers to a microfluidic device for conducting biological assays, which features irreversible sealing of PDMS in glass base, thus preventing complete sanitation of the system, containing micro tubes and pneumatic chamber in the microchannels. On the other hand, the proposed invention differs from the Canadian document mainly in that the sealing is reversible, which allows the reuse of said device. Additionally, the geometry of the proposed device allows, in addition to cell cultivation, to evaluate cell behavior against different concentrations of a given substrate, determine kinetic parameters and evaluate cell performance under the imposed conditions.
[19] No documento "A robust diffusíon-based gradient generator for dynamic cell assays" , de Atencia et al., os autores descrevem um dispositivo para estudar processos biológicos que envolvem gradientes químicos estáticos ou dinâmicos, tal como a químiotaxia. O dispositivo descrito nesse artigo utiliza ímãs para sua selagem, o que pode afetar o desempenho celular microbiano. Diferentemente, os dispositivos microfluídicos proporcionados pela invenção são vedados com a pressão de presilhas de metal e apresentam entradas feitas no próprio vidro, de forma a não afetar a cinética das células.  [19] In the paper "A robust diffusion-based gradient generator for dynamic cell assays" by Atencia et al., The authors describe a device for studying biological processes involving static or dynamic chemical gradients, such as chemotaxis. The device described in this article uses magnets for sealing, which can affect microbial cell performance. In contrast, the microfluidic devices provided by the invention are sealed under metal clamp pressure and have inlets made in the glass itself so as not to affect cell kinetics.
[20] No artigo nA simple and cost-effective method for fabrication of integrated electronic-microfluidic devices usíng a laser-patterned PDMS layer" foi apresentada a viabilidade da utilização de sistemas microfluídicos formados em vidro-PDMS como um sistema reversível. Este microfluídicos para a geração de gradiente de concentração e apenas analisa a pressão suportada pelo sistema. A metodologia utilizada para construção dos microcanais mostra uma estrutura feita em vidro-PDMS-vidro, sendo os microcanais construídos no PDMS (por fotolitografia) . [20] In article no A simple and cost-effective method for fabricating integrated electronic-microfluidic devices PDMS layer laser-patterned "the feasibility of using PDMS glass-formed microfluidic systems as a reversible system was presented. microfluidics for the generation of concentration gradient and only analyzes the pressure supported by the system. The methodology used to construct the microchannels shows a structure made of glass-PDMS-glass, and the microchannels are built in PDMS (by photolithography).
[21] Na invenção proposta, a disposição construtiva do dispositivo compreende dois níveis, a fim de gerar gradiente de concentração difusivo, o qual permite avaliar células livres dentro do microcanal. Além disso, a metodologia de construção se difere quanto aos materiais e estruturas utilizadas .  [21] In the proposed invention, the constructive arrangement of the device comprises two levels in order to generate diffusive concentration gradient, which allows to evaluate free cells within the microchannel. In addition, the construction methodology differs in the materials and structures used.
[22] Diante do exposto acima, não foi encontrado nenhum documento no estado da técnica compreendendo dispositivos microfluídicos capazes de gerar gradiente difusivo, tendo com materiais biocompatíveis que não afete a cinética de reação das células, com facilidade no processo de montagem e higienização, sendo um dispositivo totalmente reutilizável e versátil quanto à sua utilização e ainda que permite realizar ensaios em paralelo.  [22] In view of the above, no prior art document containing microfluidic devices capable of generating diffusive gradient has been found, having biocompatible materials that do not affect the reaction kinetics of the cells, with ease in the assembly and cleaning process. a fully reusable device that is versatile in its use and yet allows for parallel testing.
[23] Em vista disso, a presente invenção provê três dispositivos microfluídicos, os quais foram estruturados para gerar um gradiente de concentração difusivo em materiais biocompatíveis .  [23] In view of this, the present invention provides three microfluidic devices which have been structured to generate a diffusive concentration gradient in biocompatible materials.
[24] Ainda, a invenção descreve o uso dos dispositivos microfluídicos para otimizar as etapas de seleção das condições ótimas para o crescimento celular microbiano e, assim, melhorar o desempenho da produção em bioprocessos.  [24] Further, the invention describes the use of microfluidic devices to optimize the steps for selecting optimal conditions for microbial cell growth and thereby improving bioprocess production performance.
Breve descrição da invenção:  Brief Description of the Invention:
[25] A invenção descreve dispositivos microfluídicos difusivo em materiais biocompativeis . [25] The invention describes microfluidic devices. diffusive in biocompatible materials.
[26] Mais especificamente, a invenção faz referência a dois dispositivos que se diferenciam na composição dos materiais, em que os três apresentam perfil linear na formação de gradiente de concentração difusivo.  [26] More specifically, the invention refers to two devices which differ in the composition of materials, the three of which have a linear profile in the formation of diffusive concentration gradient.
[27] 0 termo "câmara" aqui usado indica o local onde as células são colocadas para serem submetidas a analise em gradiente de concentração difuso e se encontra no nível inferior dos dispositivos. O termo "microcâmara" refere-se às divisões (intervalos) da câmara, feitas virtualmente para realizar a contagem celular. 0 termo "canal" refere-se o lugar por onde escoa as soluções de diferentes concentrações e tem o formato de "y" . O termo "selagem reversível" refere- se ao fato do dispositivo poder ser fechado por qualquer meio de fixação que não seja permanente.  [27] The term "chamber" as used herein indicates where cells are placed for diffuse concentration gradient analysis and is at the lower level of the devices. The term "microcamera" refers to chamber divisions (ranges) made virtually to perform cell counting. The term "channel" refers to the place from which solutions of different concentrations flow and has the shape of "y". The term "reversible sealing" refers to the fact that the device may be closed by any non-permanent means of attachment.
[28] Os dispositivos se diferem entre si pela quantidade de camadas tanto no nível inferior quanto no superior e no tratamento do PDMS não laminado para que este fique menos hidrofóbico.  [28] The devices differ in the amount of layers at both the lower and upper levels and in the treatment of unlaminated PDMS to make it less hydrophobic.
[29] Em um primeiro aspecto, a invenção refere-se a um dispositivo microfluídico (figura IA) , denominado dispositivo microfluídico vidro-vidro, que compreende:  [29] In a first aspect, the invention relates to a microfluidic device (Figure 1A), called a glass-to-glass microfluidic device, comprising:
- um nível inferior (i) contendo as camadas: lâmina de vidro lisa(l); PDMS laminado, recortado e vazado contendo pelo menos uma câmara (2), mas preferencialmente três câmaras em que cada câmara trata-se de um ensaio, tendo assim uma triplicata em um único sistema; e lamínula com furos (3) ;  - a lower level (i) containing the layers: smooth glass slide (l); Rolled, cut and cast PDMS containing at least one chamber (2), but preferably three chambers in which each chamber is a test, thus having a triplicate in a single system; and cover slip with holes (3);
- um nível superior (ii) contendo as camadas: PDMS vidro com furos (5) . - a higher level (ii) containing the layers: PDMS glass with holes (5).
[30] Sendo que:  [30] Where:
- o recorte do PDMS laminado (2) contorna as paredes dos microcanais e lamina de vidro lisa(l) define o fundo dos microcanais (câmaras) ;  - the cutout of the laminated PDMS (2) surrounds the walls of the microchannels and the smooth glass blade (1) defines the bottom of the microchannels (chambers);
- os furos da laminula(3) foram feitos preferencialmente por corrosão química e se ajustam às extremidades das câmaras;  the holes in the laminate (3) are preferably drilled by chemical corrosion and fit into the ends of the chambers;
- o PDMS laminado com canal vazado (4) permite o escoamento das soluções de diferentes concentrações;  - Laminated channel PDMS (4) allows the flow of solutions of different concentrations;
- a selagem é realizada pela aderência do PDMS laminado ao vidro;  - sealing is performed by adhering the laminated PDMS to the glass;
- os furos na lâmina de vidro (5) podem opcionalmente conter conexões para mangueiras de entrada de solução (9);  - the holes in the glass slide (5) may optionally contain fittings for solution inlet hoses (9);
Os materiais possuem transparência, que permite visualizar o material biológico presente nas câmaras por meio de microscópio invertido, preferencialmente vidro e o PDMS laminado;  The materials have transparency, which allows to view the biological material present in the chambers through an inverted microscope, preferably glass and laminated PDMS;
- O dispositivo é reutilizável.  - The device is reusable.
[31] Em um segundo aspecto, o dispositivo microfluidico (figura 1B e 1C) , denominado dispositivo microfluidico vidro-PMDS (ou Vidro^-mPMDS quando o PDMS é modificado quimicamente), que compreende:  [31] In a second aspect, the microfluidic device (FIGS. 1B and 1C), referred to as the glass-PMDS microfluidic device (or Glass ^ -mPMDS when the chemically modified PDMS) comprises:
- um nível inferior (i) contendo as camadas: lâmina de vidro com microcanais (câmaras) (6); e PDMS com o canal em formato de Y e furos vazados (7) ;  - a lower level (i) containing the layers: microchannel glass slide (chambers) (6); and PDMS with Y-shaped channel and hollow holes (7);
- Um nível superior (ii) contendo a camada de lâmina de vidro com furos (5) e podem compreender conexões para mangueiras de entrada de solução (9) . - as câmaras estão presentes na lamina de vidro (6) em baixo relevo e foram feitos preferencialmente por corrosão química; - An upper level (ii) containing the glass sheet layer with holes (5) and may comprise fittings for solution inlet hoses (9). - the chambers are present in the low relief glass sheet (6) and were preferably made by chemical corrosion;
- o canal é em baixo relevo, em formato de Y, na superfície superior do PDMS (7) e permite o escoamento das soluções de diferentes concentrações;  - the channel is in low relief, in Y shape, on the upper surface of the PDMS (7) and allows the flow of solutions of different concentrations;
- os furos no PDMS (7) estão dentro da região do canal e se ajustam às extremidades dos microcanais (câmaras) da lamina de vidro (6);  the holes in the PDMS (7) are within the channel region and fit the ends of the microchannels (chambers) of the glass slide (6);
-Opcionalmente o PDMS (2) pode ser modificado quimicamente, como por exemplo com divinil éter com polietilenoglicol (DEV-PEG) , para que se torne menos hidrofóbico, sendo denominada, após modificação, de mPDMS (8);  Optionally PDMS (2) may be chemically modified, for example with polyethylene glycol divinyl ether (DEV-PEG), to make it less hydrophobic, and is referred to as mPDMS (8) after modification;
- a selagem é realizada por qualquer meio de fixação móvel, preferencialmente por pressão de presilhas de metal;  sealing is by any movable fastening means, preferably by pressing metal clips;
Os materiais possuem transparência, que permite visualizar o material biológico presente nas câmaras por meio de microscópio invertido, preferencialmente vidro e o PDMS-o dispositivo é reutilizável.  The materials have transparency, which allows to view the biological material present in the chambers through an inverted microscope, preferably glass and the PDMS-the device is reusable.
[33] A invenção descreve o uso do dispositivo para qualquer processo que seja necessário conhecer as condições ideais de substrato ou as condições ideais para o desempenho celular, estimativa de parâmetros cinéticos e avaliar respostas químicas, como quimiotaxia.  [33] The invention describes the use of the device for any process that needs to know optimal substrate conditions or ideal conditions for cellular performance, estimation of kinetic parameters and evaluating chemical responses such as chemotaxis.
[34] Ainda, mais especificamente, a invenção descreve o uso dos dispositivos microfluídicos para otimizar as etapas de seleção das condições ótimas para o crescimento celular microbiano e, assim, melhorar o desempenho da produção em bioprocessos . As células microbianas podem ser selecionadas ou aeróbias e células que sofrem ou não quimiotaxia. [34] Still more specifically, the invention describes the use of microfluidic devices to optimize the steps for selecting optimal conditions for microbial cell growth and thereby improving bioprocess production performance. Microbial cells can be selected. or aerobic and cells that do or do not undergo chemotaxis.
[35] No modelo de dispositivo vidro-vidro (Figura IA) foi usado um PDMS laminado para formar os microcanais (do nível superior e inferior) e ainda promover a aderência entre as bases de vidro. Nos modelos vidro-PDMS (Figura 1B) e vidro-mPDMS (Figura 1C) (mPDMS é PDMS modificado quimicamente para tornar a superfície hidrofílica ou menos hidrofóbica) , os microcanais inferiores (onde há o gradiente difusivo e a presença de células) foram construídos por corrosão úmida no vidro (pelo método convencional) e o microcanais superiores (onde escoam as soluções de concentrações diferentes) foram feitos pelo PDMS que forma o canal .  [35] In the glass-glass device model (Figure IA) a laminated PDMS was used to form the microchannels (upper and lower level) and further promote adhesion between the glass bases. In the glass-PDMS (Figure 1B) and glass-mPDMS (Figure 1C) models (mPDMS is chemically modified PDMS to make the surface hydrophilic or less hydrophobic), the lower microchannels (where there is diffusive gradient and cell presence) were constructed. by wet corrosion on the glass (by the conventional method) and the upper microchannels (where the solutions of different concentrations flow) were made by the PDMS that forms the channel.
[36] Para selar os modelos vidro-PDMS e vidro-mPDMS foi utilizado uma presilha de metal, em ambos os lados, para não gerar diferença de pressão interna no dispositivo. E, como o microcanal onde há a geração de gradiente é construído no vidro, isso garante que não haja qualquer deformação do mesmo. Além disso, a invenção proposta apresenta, opcionalmente, conectores fixos para entrada e saída de fluxos, na lâmina superior.  [36] To seal the glass-PDMS and glass-mPDMS models, a metal clip was used on both sides to avoid internal pressure difference in the device. And since the microchannel where the gradient is generated is built into the glass, this ensures that there is no deformation of it. Furthermore, the proposed invention optionally features fixed connectors for inlet and outlet streams on the upper blade.
Breve descrição das figuras:  Brief description of the figures:
[37] Para obter um total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue.  [37] For a complete and complete view of the object of this invention, reference figures are given as follows.
[38] As Figuras 1A-C representam esquematicamente os dispositivos microfluídicos ora propostos, em que (a) é o dispositivo vidro-vidro, (b) é o dispositivo vidro-PDMS e (c) é o dispositivo vidro-mPDMS. do dispositivo microfluidico vidro-vidro com selagem por aderência do PDMS laminado, em que (a) é a laminula de vidro lisa com PDMS laminado e a laminula de vidro com orifícios, (b) é a inoculação da suspensão de células dentro das câmaras de cultivo, (c) é a adesão do PDMS laminado em canal Y na lâmina superior, (d) é a adesão da parte superior com a inferior do dispositivo e (e) é o dispositivo microfluidico vidro-vidro montado. [38] Figures 1A-C schematically represent the proposed microfluidic devices, wherein (a) is the glass-glass device, (b) is the glass-PDMS device and (c) is the glass-mPDMS device. of the laminated PDMS glass-to-glass microfluidic adhesion sealing device, wherein (a) is the laminated PDMS smooth glass laminate and the apertured glass laminate, (b) is the inoculation of the cell suspension within the cultivation, (c) is the adhesion of the Y-channel laminated PDMS on the upper blade, (d) is the upper and lower adhesion of the device and (e) is the assembled glass-glass microfluidic device.
[40] As Figuras 3A-C mostram o perfil linear do gradiente ao longo do microcanal (câmara) microfluidico vidro-vidro, em que (a) é a formação do gradiente linear com rodamina B e imagem em mosaico capturada após 30 min com aumento de 20x, (b) é o perfil linear pela intensidade de fluorescência e (c) é o perfil de gradiente praticamente linear pela intensidade de cor no dispositivo vidro-vidro.  [40] Figures 3A-C show the linear gradient profile along the glass-to-glass microfluidic microchannel (chamber), where (a) is the linear gradient formation with rhodamine B and mosaic image captured after 30 min with magnification. 20x, (b) is the linear profile by fluorescence intensity and (c) is the nearly linear gradient profile by color intensity in the glass-glass device.
[41] As Figuras 4A-C mostram o perfil linear do gradiente ao longo do microcanal microfluidico vidro- PDMS, em que (a) é a formação do gradiente linear de corante em função do contato com as correntes do nível superior, (b) é o perfil de gradiente de intensidade de cor ao longo do microcanal e (c) é o perfil de gradiente praticamente linear nos microcanais inferiores do dispositivo vidro-PMDS .  [41] Figures 4A-C show the linear profile of the gradient along the PDMS microfluidic microchannel, where (a) is the formation of the linear dye gradient as a function of contact with the upper level currents, (b) is the color intensity gradient profile along the microchannel and (c) is the nearly linear gradient profile in the lower microchannels of the glass-PMDS device.
[42] A Figura 5 representa esquematicamente a câmara na qual o gradiente de concentração difusivo é gerado em dispositivo microfluidico .  [42] Figure 5 schematically depicts the chamber in which the diffusive concentration gradient is generated in microfluidic device.
[43] As Figuras 6A e 6B correspondem à imagem do crescimento de Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 ao longo do microcanal (câmara) e do tempo, nos tempos 0 e 1 hora, com concentração inicial de 1,02 x IO3 cel/pL. raícrocanal microfluídico, em que (a) são os perfis de crescimento da levedura Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 ao longo das câmaras (posição) e do tempo e (b) é o diagrama esquemático da câmara e as divisões de contagem de células, denominadas de microcâmaras . [43] Figures 6A and 6B correspond to the image of growth of Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 along the microchannel (chamber) and time, at times 0 and 1 hour, with initial concentration of 1.02 x 10 3 cel / pL. microfluidic root canal, where (a) are the growth profiles of the Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 yeast along the chambers (position) and time and (b) is the schematic diagram of the chamber and the cell count divisions, called the microchamber. .
[45] As Figuras 8A e 8B correspondem às curvas de crescimento da S. cerevisiae ATCC 7754 em (a) dispositivo microfluidico e (b) cultivo convencional em batelada.  [45] Figures 8A and 8B correspond to the growth curves of S. cerevisiae ATCC 7754 in (a) microfluidic device and (b) conventional batch cultivation.
[46] A Figura 9 representa graficamente os parâmetros cinéticos estimados para a cinética de crescimento celular para S. cerevíseae, descrito por Monod.  [46] Figure 9 graphs the estimated kinetic parameters for cell growth kinetics for S. cerevíseae described by Monod.
Descrição detalhada da invenção:  Detailed Description of the Invention:
[47] A invenção descreve dispositivos microfluidicos estruturados para a geração de um gradiente de concentração difusivo em materiais biocompativeis , de fácil montagem e reutilizáveis, para avaliação de comportamento celular.  [47] The invention describes structured microfluidic devices for generating a diffusive concentration gradient in easy-to-assemble, reusable, biocompatible materials for cellular behavior assessment.
[48] Os dispositivos microfluidicos ora propostos são configurados em dois níveis (inferior e superior) e as suas geometrias foram baseadas no estudo realizado por Atenda et ai., 2012 já disponível no estado da técnica.  [48] The proposed microfluidic devices are configured at two levels (lower and upper) and their geometries were based on the study by Atenda et al., 2012 already available in the state of the art.
[49] No entanto, os novos dispositivos microfluidicos descritos se diferem na composição dos materiais usados, sendo reutilizáveis e apresentando fácil montagem, uso de conexões e métodos de vedação eficazes e simples e que não afetam as células microbianas por magnetismo.  [49] However, the new microfluidic devices described differ in the composition of materials used, are reusable and easy to assemble, use effective and simple sealing methods and connections and do not affect microbial cells by magnetism.
[50] Os dispositivos microfluidicos da presente invenção são:  [50] The microfluidic devices of the present invention are:
(i) vidro-vidro (Figura IA),  (i) glass-glass (Figure IA),
(ii) vidro-PMDS (polidimetilsiloxano) (Figura 1B) , e (Figura 1C), em que o mPDMS corresponde a um PDMS modificado quimicamente para impedir a adesão das células, pela característica intrínseca da hidrofobicidade celular, ao polímero, também hidrofóbico. ( ii ) glass-PMDS (polydimethylsiloxane) (Figure 1B), and (Figure 1C), wherein mPDMS corresponds to a chemically modified PDMS to prevent cell adhesion by the intrinsic characteristic of cellular hydrophobicity to the also hydrophobic polymer.
[51] Os materiais utilizados, vidro e PDMS, são ambos reutilizáveis sem perdas na configuração e eficácia dos sistemas, desde que não seja empregado solvente orgânico que pode deformar o PDMS.  [51] The materials used, glass and PDMS, are both reusable without loss in system configuration and effectiveness, provided no organic solvent that can deform the PDMS is employed.
[52] A Tabela 1 mostra, resumidamente, os materiais que constituem cada um dos dispositivos desta invenção. A estrutura dos mesmos é mostrada nas Figuras 1A-C.  [52] Table 1 briefly shows the materials that make up each of the devices of this invention. Their structure is shown in Figures 1A-C.
Tabela 1: Resumo dos três modelos de dispositivos  Table 1: Summary of the Three Device Models
microfluídicos propostos .  proposed microfluidics.
Materiais dos dispositivos microfluídicos propostos  Proposed microfluidic device materials
Vidro-vidro Vidro-PMDS Vidro-mPMDS  Glass-glass Glass-PMDS Glass-mPMDS
Lâmina de Lâmina de Blade of
Lâmina de vidro lisa (1) vidro com vidro com Flat Glass Blade (1) Glass with Glass with
câmaras (6) câmaras (6) i  cameras (6) cameras (6) i
mPDMS com mPDMS with
PDMS com PDMS with
furos e holes and
PDMS laminado (2) furos e canal Laminated PDMS (2) Holes and Channel
canal em Y em Y (7)  Y-channel in Y (7)
(8)  (8)
Lâmina de Lâmina de Blade of
Lamínula de vidro com vidro com vidro com Glass coverslip with glass with
furos (3) entradas e entradas e saída (5) saída (5) ii  holes (3) inputs and inputs and outputs (5) outputs (5) ii
PDMS laminado em formato  Laminated format PDMS
de canal em Y ( )  Y-channel ()
Lâmina de vidro com [53] Nos dispositivos microfluidicos ora propostos, o nível inferior apresenta microcanais, apropriados para o cultivo das células microbianas. Taís microcanais são denominados câmaras e neles ocorre a formação do gradiente de concentração difusivo. Glass slide with [53] In the proposed microfluidic devices, the lower level has microchannels suitable for the cultivation of microbial cells. Such microchannels are called chambers and in them the formation of the diffusive concentration gradient occurs.
(54] No nível superior dos mesmos, ocorre o fluxo de duas soluções de diferentes concentrações, em regime laminar, que acessam o nível inferior por meio de orifícios localizados nas extremidades das câmaras, gerando, desta forma, o gradiente difusivo no nível inferior.  (54] At the upper level there are two solutions of different concentrations, in laminar regime, which access the lower level through holes located at the ends of the chambers, thus generating the diffusive gradient at the lower level.
[55] Os dispositivos microfluidicos ora propostos são mais bem descritos a seguir.  [55] The microfluidic devices proposed here are best described below.
Dispositivo vídro-vidro (Figura IA) :  Glass-glazing device (Figure IA):
[56] O dispositivo vidro-vidro trata-se de um sistema hidrofílico, totalmente transparente, que permite avaliar e visualizar o comportamento de células livres em microscópio óptico .  [56] The glass-to-glass device is a fully transparent hydrophilic system that allows the evaluation and visualization of free cell behavior under an optical microscope.
[57] Além disso, o vidro é um material resistente e não permite a passagem de gases, o que viabiliza os estudos com células anaeróbias ou facultativas.  [57] In addition, glass is a tough material and does not allow gas to pass through, making studies with anaerobic or facultative cells possible.
[58] No dispositivo vidro-vidro, o nível inferior (i) é formado por lâmina (ou lamínula) de vidro liso(l). Acima desta lâmina, é colocado o PDMS laminado (2), que contorna as paredes dos microcanais e promove a aderência entre a base de vidro e a camada superior. As geometrias feitas no PDMS laminado foram criadas por ablação em máquina de laser de CO2 do dispositivo vidro-vidro é feito por lamínula de vidro (3) com orifícios de 0,5 mm, que se ajustam perfeitamente aos microcanais inferiores (câmaras) e que dão [59] O nível superior é formado por PDMS laminado na geometria de canal em Y(4), por onde escoam as soluções. Os orifícios são feitos por processo de corrosão úmida e, o PDMS, por litografia macia. E para fechar o dispositivo, utiliza-se uma lâmina de vidro (5) contendo duas entradas e uma saída, compreendendo, ainda, o encaixe das mangueiras ( 9) por onde serão bombeadas as soluções por bomba seringa. [58] In the glass-glass device, the lower level (i) is formed of plain glass slide (or coverslip) (l). Above this slide, laminated PDMS (2) is placed, which bypasses the walls of the microchannels and promotes adhesion between the glass base and the upper layer. The geometries made in the laminated PDMS were created by ablation in a CO 2 laser machine of the glass-glass device and made by glass coverslip (3) with 0.5 mm holes, which perfectly fit the lower microchannels (chambers) and that give [59] The upper level is formed by laminated PDMS in Y-channel geometry (4), through which solutions flow. The holes are made by wet corrosion process and the PDMS by soft lithography. And to close the device, a glass slide (5) containing two inlets and one outlet is used, further comprising the fitting of the hoses (9) through which the syringe pump solutions will be pumped.
[60] A selagem do dispositivo vidro-vidro é realizada pela aderência do PDMS laminado, que confere uma boa adesão e ausência de vazamentos por todo o tempo de ensaio, mesmo em vazões mais altas. O dispositivo é de selagem reversível e montado por etapas, as quais estão mostradas na Figura 2A- E.  [60] The sealing of the glass-glass device is performed by adhering the laminated PDMS, which gives good adhesion and no leakage throughout the test time even at higher flow rates. The device is reversible sealing and step mounted which are shown in Figure 2A-E.
Dispositivos vidro-PDMS (Figura 1B) e vidro-mPDMS (Figura Glass-PDMS (Figure 1B) and Glass-mPDMS (Figure 1)
1C) : 1C):
[61] Os dispositivos vidro-PDMS e vidro-rnPDMS, além de reutilizáveis, são mais facilmente construídos e apresentam diversas possibilidades de aplicações com células livres, células aderentes, células que sofrem ou não quimiotaxia, bem como sistemas anaeróbios ou aeróbios.  [61] The reusable glass-PDMS and glass-rnPDMS devices are more easily constructed and offer many possibilities for applications with free cells, adherent cells, chemotaxis and non-chemotaxis cells, as well as anaerobic or aerobic systems.
[62] Os dois modelos são configurados da mesma maneira e também apresentam geometria baseada no trabalho de Atencia et al.,2012.  [62] Both models are configured in the same way and also feature geometry based on the work of Atencia et al., 2012.
[63] O nível inferior (i) destes dispositivos é formado por lâmina de vidro contendo os microcanais ( 6) para cultivo celular (câmaras), os quais foram feitos por corrosão úmida, o que confere características de durabilidade, resistência e maior área hidrofílica; e uma peça em PDMS configurando o canal em formato de Y e contendo orifícios de 0,5 mm (7) que servirem de entrada para o nível inferior. A peça em PDMS foi feita por litografia macia. [63] The lower level (i) of these devices is formed by glass slide containing microchannels (6) for cell culture (chambers), which were made by wet corrosion, which gives durability, strength and larger hydrophilic area characteristics. ; and a PDMS part configuring the Y-shaped channel and containing 0.5 mm holes (7 ) which as input to the lower level. The PDMS part was made by soft lithography.
[64] No dispositivo vidro-PDMS, usou-se o PDMS nativo, isto é, sem modificação química. Devido à hidrofobicidídade do PDMS, as células, também hidrofóbicas, podem aderidir ao polímero, e como alternativa para este comportamento, o uso de um tensoativo à suspensão celular pode ser utilizado para impedir a adesão.  [64] In the glass-PDMS device, native PDMS was used, ie without chemical modification. Due to the hydrophobicidity of PDMS, cells, also hydrophobic, may adhere to the polymer, and as an alternative to this behavior, the use of a cell suspension surfactant may be used to prevent adhesion.
[65] O PDMS pode, ainda, ser modificado quimicamente (mPDMS) com divinil éter com polietilenoglicol (DEV-PEG) , além de outros métodos disponíveis na literatura científica, a fim de se obter uma superfície menos hidrofóbica, aqui denominado PMDS modificado ( 8 ) .  [65] PDMS can also be chemically modified (mPDMS) with polyethylene glycol divinyl ether (DEV-PEG) and other methods available in the scientific literature to provide a less hydrophobic surface, hereinafter modified PMDS ( 8).
[66] Para compor o nível superior {ii) e fechar ambos os dispositivos, coloca-se uma lâmina de vidro (5) contendo duas entradas e uma saída, compreendendo, ainda, o encaixe das mangueiras ( 9) por onde serão bombeadas as soluções por bomba seringa .  [66] In order to compose the upper level (ii) and close both devices, a glass slide (5) containing two inlets and one outlet is provided, including the fitting of the hoses (9) through which the pumping will be pumped. solutions by syringe pump.
[67] O dispositivo vidro-PDMS ou mPDMS foi vedado com a pressão de presilhas de metal, que conferiu uma selagem eficiente, permitindo um escoamento estável das correntes do nível superior e capacidade de geração de gradiente no nível inferior .  [67] The glass-PDMS or mPDMS device was sealed with metal clamp pressure, which provided efficient sealing, allowing stable flow of upper level currents and lower level gradient generation capability.
[68] Sendo assim, o dispositivo foi capaz de formar gradiente de concentração linear e puramente difusivo nas câmaras inferiores, mostrando-se aplicável para estudos com células .  [68] Therefore, the device was able to form a linear and purely diffusive concentration gradient in the lower chambers, proving to be applicable for cell studies.
[69] Logo, a presente invenção ainda provê o uso dos dispositivos microfluídicos para otimizar as etapas de microbiano e, assim, melhorar o desempenho da produção em bioprocessos . [69] Therefore, the present invention further provides the use of microfluidic devices to optimize the steps of microbial and thus improve production performance in bioprocesses.
Caracterizações operacionais dos dispositivos:  Operational Characterizations of Devices:
- Limites de vazões para geração de fluxos constantes :  - Flow limits for constant flow generation:
[70] Após a montagem dos dispositivos, a determinação das vazões foi definida em função da geração de fluxos constantes no nível superior e, assim, formar o gradiente de concentração difusivo no nível inferior.  [70] After assembly of the devices, flow determination was defined as a function of constant flow generation at the upper level and thus forming the diffusive concentration gradient at the lower level.
[71] Desta forma, foram determinados os limites de vazões a partir da observação da formação de oscilações dos fluxos na interface do microcanal superior, por onde escoam as correntes de diferentes concentrações.  [71] Thus, flow limits were determined by observing the formation of flow oscillations at the upper microchannel interface, through which currents of different concentrations flow.
- Formação do gradiente de concentração difusivo :  - Formation of diffusive concentration gradient:
[12] A fim de avaliar a capacidade de geração do gradiente de concentração difusivo de moléculas para o dispositivo vidro-vidro, utilizou-se solução de rodamina B em uma das correntes e, na outra, água destilada. A câmara de cultivo de células foi preenchida com água destilada e avaliado a capacidade e o tempo de geração de gradiente linear.  [12] In order to evaluate the generation capacity of the diffusive concentration gradient of molecules for the glass-glass device, rhodamine B solution was used in one stream and distilled water in the other. The cell culture chamber was filled with distilled water and the linear gradient generation capacity and time were evaluated.
[73] Nos dispositivos Vidro-PDMS e Vidro-mPDMS, foi utilizado corante alimentício líquido e hidrofílico nas câmaras inferiores de cada dispositivo e, nas correntes de entrada, solução de 40 e 0 g/L de glicose, tendo água como solvente .  [73] In the Glass-PDMS and Glass-mPDMS devices, liquid and hydrophilic food coloring was used in the lower chambers of each device and, in the inlet streams, 40 and 0 g / L glucose solution, with water as solvent.
[74] O perfil de gradiente de concentração por difusão foi avaliado em função da intensidade de cor dentro do microcanal inferior (câmara para cultivo de células) .  [74] The diffusion concentration gradient profile was assessed for color intensity within the lower microchannel (cell culture chamber).
- Resultados obtidos: [75] O fluxo de escoamento é constante no nível superior, porém as concentrações das duas correntes de entrada são distintas. Este procedimento é imposto no nível superior para garantir a formação de um gradiente de concentração difusivo nas câmaras inferiores. - Results obtained: [75] The flow rate is constant at the upper level, but the concentrations of the two input streams are distinct. This procedure is imposed at the upper level to ensure the formation of a diffusive concentration gradient in the lower chambers.
[76] Desta forma, determinou-se experimentalmente os limites de vazão que geram um fluxo de escoamento laminar e estável, pois a oscilação das correntes (no canal superior) interfere na formação de gradiente de concentração linear (gerado na câmara inferior) .  [76] Thus, the flow limits that generate a stable laminar flow flow were experimentally determined because the oscillation of currents (in the upper channel) interferes with the formation of linear concentration gradient (generated in the lower chamber).
[77] Assim, analisou-se o comportamento do fluxo em função das vazões das soluções, variando de 5 a 60 pL/min, observando se o perfil das correntes era oscilatório ou estável .  [77] Thus, flow behavior as a function of solution flow rates was analyzed, ranging from 5 to 60 pL / min, observing whether the current profile was oscillatory or stable.
[78] O fluxo se manteve estável, macroscopicamente, (sem oscilações) numa vazão de 15 a 25 pL/mim.  [78] Flow remained macroscopically stable (without oscillations) at a flow rate of 15 to 25 pL / min.
- Formação do gradiente de concentração difusivo:  - Formation of diffusive concentration gradient:
[79] A partir das determinações dos parâmetros operacionais, analisou-se a capacidade de formação de gradiente de concentração difusivo nos três dispositivos microfluídicos propostos.  [79] From the determinations of the operating parameters, the diffusive concentration gradient formation capacity of the three proposed microfluidic devices was analyzed.
[80] A fim de avaliar a capacidade de geração do gradiente de concentração difusivo no dispositivo vidro- vidro, ao medir a intensidade de fluorescência de rodamina (Figura 3A) , observou-se a formação de gradiente linear e estável após aproximadamente 30 minutos (vide Figura 3B) .  [80] In order to evaluate the diffusive concentration gradient generation capacity in the glass-glass device, when measuring the rhodamine fluorescence intensity (Figure 3A), stable and linear gradient formation was observed after approximately 30 minutes ( see Figure 3B).
[81] Ainda, a formação do gradiente foi observada também utilizando corante no microcanal inferior e impondo diferentes concentrações de glicose nas correntes (0 e 40 microcanaís foi linear tanto pela avaliação da intensidade de fluorescência quanto pela utilização de corante {Figura 3C) . [81] Also, gradient formation was also observed using lower microchannel dye and imposing different glucose concentrations in the currents (0 and 40 The microchannel was linear for both fluorescence intensity assessment and dye use (Figure 3C).
[82] O perfil linear do gradiente indicou a ausência de convecção dentro dos microcanaís, confirmando o gradiente de concentração difusivo. Ainda, o gradiente de concentração, indicado pela intensidade de fluorescência, se manteve estável após a geração do gradiente linear.  [82] The linear gradient profile indicated the absence of convection within the microchannels, confirming the diffusive concentration gradient. Moreover, the concentration gradient, indicated by fluorescence intensity, remained stable after the generation of the linear gradient.
[83] Para os modelos de dispositivos vidro-PDMS . e vidro-mPDMS, observou-se, após determinado tempo, a formação de gradiente de concentração do corante em função da variação da coloração na câmara inferior (vide Figura 4A) . Este gradiente de cor é resultado do fluxo de matéria de glicose e corante na câmara inferior, uma vez que houve um fluxo mássico de glicose da região de maior concentração para a região de menor concentração.  [83] For glass-PDMS device models. and glass-mPDMS, dye concentration gradient formation was observed after a time as a function of color variation in the lower chamber (see Figure 4A). This color gradient is a result of the flow of glucose matter and dye in the lower chamber, since there was a glucose mass flow from the highest concentration to the lowest concentration region.
[84] A região de menor coloração de corante é a região onde há o escoamento da concentração de glicose em 40 g/L. Neste caso, uma análise qualitativa indica que a difusividade do corante nesta região será menor, pois uma maior resistência a transferência de massa é imposta pela presença da glicose.  [84] The region with the lowest dye color is the region where the glucose concentration flows at 40 g / L. In this case, a qualitative analysis indicates that the dye diffusivity in this region will be lower, as greater resistance to mass transfer is imposed by the presence of glucose.
[85] No outro extremo da câmara, onde a coloração é mais intensa, indicando maior concentração do corante, é a região onde não há glicose. Neste caso, a difusividade do corante no meio será maior, criando um fluxo líquido do corante ao longo da câmara.  [85] At the other end of the chamber, where coloration is most intense, indicating higher dye concentration, is the region where there is no glucose. In this case, the dye diffusivity in the medium will be higher, creating a liquid dye flow throughout the chamber.
[86] Desta forma, a resultante ' do fluxo total de corante (NA) ocorre no sentido da maior para a menor concentração de que a resistência ao transporte de matéria é menor na menor concentração imposta (Figura 4B) . O gradiente de cor começou a se formar após 5 min, ficando estável e linear em aproximadamente 35 min (enquanto há a presença do corante) (Figura 4C) . [86] Thus, the resulting ' total dye flow (NA) occurs from highest to lowest concentration of that the transport resistance of matter is lower at the lowest concentration imposed (Figure 4B). The color gradient began to form after 5 min, becoming stable and linear at approximately 35 min (while dye is present) (Figure 4C).
Aplicação do dispositivo vidro-vidro para avaliar o comportamento celular microbiano:  Application of the glass-glass device to evaluate microbial cellular behavior:
[87] Testes com células da levedura Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 para analisar o comportamento celular microbiano. Em vista da escala micrométrica do sistema microfluidico, a concentração de S. cerevisiae utilizada foi de 0,5xl02 cel/pL. [87] Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 yeast cell tests to analyze microbial cellular behavior. In view of the micrometer scale of the microfluidic system, the concentration of S. cerevisiae used was 0.5x10 2 cel / pL.
[88] 0 sistema microfluidico foi montado em fluxo laminar e a suspensão celular foi colocada nas câmaras de cultivo. Para impor a diferença de concentração de glicose, utilizaram-se duas soluções desgaseifiçadas de meio YPD variando apenas a concentração de glicose, sendo um meio ausente de glicose.  [88] The microfluidic system was mounted in laminar flow and the cell suspension was placed in the culture chambers. To impose the difference in glucose concentration, two degassed solutions of YPD medium were used, varying only the glucose concentration, being one medium absent from glucose.
[89] O crescimento microbiano foi observado usando microscópio confocal com sistema de controle de temperatura a 30 °C. As imagens dos microcanais foram capturadas a cada hora, num periodo de lOh e em condição anaeróbia.  [89] Microbial growth was observed using confocal microscope with temperature control system at 30 ° C. Microchannel images were captured hourly, 10h and anaerobically.
[90] - Avaliação das células de S. cerevisiae;  [90] - Evaluation of S. cerevisiae cells;
[91] A partir das imagens adquiridas do sistema microfluidico ao longo do tempo, realizou-se a contagem direta das células utilizando o software ImageJ, tanto para realizar as contagens quanto para desenhar as microcâmaras  [91] From the images acquired from the microfluidic system over time, direct cell counting was performed using ImageJ software for both counting and drawing the microcameras.
[92] Para as contagens diretas, determinou-se intervalos de 0,5 mm (para o gradiente de 0 a 40 g/L de microcâmaras {Figura 30) . [92] For direct counts, 0.5 mm intervals were determined (for the 0 to 40 g / l gradient of microcameras (Figure 30).
[93] Foram excluídos os pontos extremos dos mícrocanais, porque nâo há geração de gradiente nestas regiões, uma vez que são as portas de acesso das correntes das soluções de concentrações diferentes de glicose ao microcanal (vide Figura 5) .  [93] Microchannel endpoints have been excluded because there is no gradient generation in these regions, as they are the gateway to the different-glucose solution streams to the microchannel (see Figure 5).
- Cultivo em batelada :  - Batch cultivation:
[94] Para o cultivo em batelada, foram realizados ensaios usando meio YPD,num volume de 100 mL em frascos de Erlemmeyer agitados, variando apenas a concentração de glicose de 0 (controle) a 40 g/L de glicose.  [94] For batch cultivation, assays were performed using YPD medium in a volume of 100 mL in shaken Erlemmeyer flasks, varying only the glucose concentration from 0 (control) to 40 g / l glucose.
[95] A concentração celular foi determinada através da leitura de absorbância (600 nm) a cada 1 h, com o auxílio de curva de calibração obtida por contagem em câmara de Neubauer .  [95] Cell concentration was determined by absorbance reading (600 nm) every 1 h with the aid of a calibration curve obtained by counting in a Neubauer chamber.
Determinação dos parâmetros cinéticos :  Determination of kinetic parameters:
[96] Para determinar a velocidade específica de crescimento (μχ) da Sacchoromyces cerevisiae ATCC 7754, foi considerada a inclinação da região linear da curva de crescimento semi-logaritma através da Equação 1: [96] To determine Sacchoromyces cerevisiae ATCC 7754 specific growth rate (μ χ ), the slope of the linear region of the semi-logarithmic growth curve was considered using Equation 1:
i d  i d
μ X X dt (Equação 1) μ X X dt (Equation 1)
[97] Considerando cinética de crescimento conforme Equação de Monod, a velocidade específica de crescimento máxima (pmáx ) e a constante de saturação ( Ks ) , a qual indica afinidade do micro-organismo pelo . substrato (S) , podem ser determinadas de acordo com a Equação 2: [97] whereas growth kinetics as Monod equation, the maximum specific growth rate (p m ax) and saturation constant (K s), which indicates affinity of the microorganism. substrate (S) can be determined according to Equation 2:
t*máx-S  t * max-S
μ s+S (Equação 2) em ambiente de gradiente de concentração difusivo : μ s + S (Equation 2) in diffusive concentration gradient environment:
[98] O dispositivo microfluidico vidro-vidro mostrou- se adequado para o cultivo de Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754, uma vez que observou um aumento no número de células durante o tempo, permitindo a investigação dos parâmetros cinéticos e comparação com ensaios convencionais de cultivo em batelada e dados da literatura.  [98] The glass-to-glass microfluidic device was suitable for the cultivation of Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754, as it observed an increase in cell number over time, allowing investigation of kinetic parameters and comparison with conventional culture cultivation assays. batch and literature data.
[99] Além disso, avaliou-se o funcionamento do dispositivo para distintos intervalos de concentração, bem como a utilização de subdivisões do microcanal com dimensões diferentes para contagens de células.  [99] In addition, the operation of the device was evaluated for different concentration ranges as well as the use of microchannel subdivisions of different sizes for cell counts.
Perfil de crescimento celular em dispositivo microfluidico com gradiente de concentração difusivo :  Cell growth profile in a diffusive concentration gradient microfluidic device:
[100] A levedura S. cerevisiae ATCC 7754 foi inoculada no dispositivo. Na câmara superior, manteve-se o escoamento de meio YPD nas duas entradas, sendo que apresentava meio YPD sem glicose e outra o meio YPD com 40 g/L de glicose.  [100] S. cerevisiae ATCC 7754 yeast was inoculated into the device. In the upper chamber, the flow of YPD medium was maintained in both entries, with YPD medium without glucose and another YPD medium with 40 g / L glucose.
[101] O comportamento celular foi monitorado por 10 h e observou-se o crescimento da levedura no gradiente de substrato imposto (Figura 6A e B) .  [101] Cell behavior was monitored for 10 h and yeast growth was observed on the imposed substrate gradient (Figure 6A and B).
[102] Em ensaio usando menor concentração celular, foi possível obter, em microscópio automatizado, as imagens das células ao longo da câmara de gradiente de concentração. A partir destas imagens, realizou-se a contagem direta das células (Figura 7A) , correlacionando com a posição no microcanal e consequentemente com a concentração de glicose (Figura 7B) .  [102] In an assay using lower cell concentration, images of cells along the concentration gradient chamber could be obtained under an automated microscope. From these images, the direct cell count (Figure 7A) was performed, correlating with the position in the microchannel and consequently with the glucose concentration (Figure 7B).
[103] Pode-se observar, na Figura 7B, que após 3 h de acompanhamento do crescimento celular, houve maior número de comportamento se manteve até 10 h, o período avaliado (Figura 7A) . [103] It can be seen from Figure 7B that after 3 h of cell growth follow-up, there was a higher number of This behavior was maintained until 10 h, the evaluated period (Figure 7A).
[104] Nesta faixa de concentração, o resultado observado foi correspondente ao esperado, uma vez que a concentração ótima de glicose para o crescimento celular não deve ser maior do que 25% (p/v) , pois na fase inicial de crescimento a levedura utiliza a glicose para o seu metabolismo e um elevado teor deste açúcar eleva a pressão osmótica do meio.  [104] In this concentration range, the observed result was as expected, as the optimal glucose concentration for cell growth should not be greater than 25% (w / v), as in the early growth phase yeast It uses glucose for its metabolism and a high content of this sugar raises the osmotic pressure of the medium.
[105] Desta forma, pode-se notar que as células da levedura apresentaram o mesmo comportamento esperado em um sistema de fermentação convencional, comprovando-se a viabilidade da avaliação do crescimento microbiano nesta faixa de concentração de glicose e consequente determinação dos parâmetros cinéticos em sistema microfluídico .  [105] Thus, it can be noted that yeast cells showed the same behavior as expected in a conventional fermentation system, proving the feasibility of evaluating microbial growth in this glucose concentration range and consequently determining the kinetic parameters in microfluidic system.
- Cinética de crescimento e comparação com cultivo convencional em batelada :  - Growth kinetics and comparison with conventional batch cultivation:
[106] Uma vez observado o crescimento celular no dispositivo microfluídico e tendo o número de células para cada microcâmara de gradiente ao longo de 10 h, pode-se construir as curvas de crescimento microbiano para cada faixa de concentração de glicose obtidas e determinar a velocidade específica de crescimento da levedura nestas condições (Figura 8A) .  [106] Once cell growth is observed in the microfluidic device and taking the number of cells for each gradient microchamber over 10 h, microbial growth curves can be constructed for each glucose concentration range obtained and the velocity determined. specific growth rate under these conditions (Figure 8A).
[107] Para comparar os resultados obtidos com o dispositivo microfluídico, realizou-se uma série de cultivos em sistema batelada usando as concentrações de 0 (controle) a 40 g/L de glicose, tendo as mesmas condições usadas no dispositivo microfluídico e concentração celular de micro¬ organismo. Desta forma, pode-se construir as curvas de batelada (Figura 8B) . [107] To compare the results obtained with the microfluidic device, a series of batch cultures were performed using concentrations from 0 (control) to 40 g / L glucose, having the same conditions as those used in the microfluidic device and cell concentration. of micro ¬ organism. In this way, one can construct the curves of batch (Figure 8B).
[108] No sistema microfluídico foi observado um perfil de crescimento com maior número de células nas condições de 23 a 30 g/L de glicose, tendo comportamento similar ao cultivo em batelada.  [108] In the microfluidic system, a growth profile with higher cell numbers was observed under conditions of 23 to 30 g / L glucose, with behavior similar to batch cultivation.
[109] No entanto, a concentração de glicose é constante na microfluídica e por isso foi utilizado um volume de 100 rtiL meio YPD para o cultivo em batelada, com a mesma concentração inicial de células empregada na microfluídica, a fim de tentar reproduzir a mesma condição. Sendo assim, no cultivo em batelada, foi observado um menor número de células com maiores oscilações ao longo do tempo.  [109] However, the glucose concentration is constant in microfluidics and therefore a volume of 100 rTIL YPD medium was used for batch cultivation, with the same initial cell concentration employed in microfluidics in order to try to reproduce the same. condition. Thus, in batch cultivation, a smaller number of cells with larger oscillations was observed over time.
[110] Ainda assim, após obter as curvas de crescimento microbiano em ambos os sistemas, foram determinadas as velocidades especificas de crescimento máximas da levedura em sistema microfluídico e em batelada convencional, conforme observado Tabela 2 abaixo.  [110] Nevertheless, after obtaining the microbial growth curves in both systems, the maximum specific growth rates of yeast in the conventional batch and microfluidic system were determined, as noted in Table 2 below.
Tabela 7: Comparação entre a velocidade especifica de crescimento da S. cerevísiae ATCC 7754 em sistema microfluídico com gradiente de concentração e fermentação batelada .  Table 7: Comparison between S. cerevísiae ATCC 7754 specific growth rate in microfluidic system with concentration gradient and batch fermentation.
Cultivo em sistema Cultivo convencional em microfluídico batelada  System cultivation Conventional batch microfluidic cultivation
μΧ(Μ) (h"1) V>x(B) (h"1)μ Χ (Μ) (h "1 ) V> x (B) (h " 1 )
Glicose (g/L) Glicose (g/L) Glucose (g / L) Glucose (g / L)
(Ux ± DP ) (Ux ± DP ) (Ux ± SD) (Ux ± SD)
3 0, 17 ± 0, 12 10 0,21 ± 0,2330 0.17 ± 0.12 10 0.21 ± 0.23
10 0,20 ± 0,17 20 0,24 ± 0,1610 0.20 ± 0.17 20 0.24 ± 0.16
16 0,24 ± 0,19 30 0,21 ± 0,0116 0.24 ± 0.19 30 0.21 ± 0.01
23 0,24 ± 0, 1 40 0,19 ± 0,05 36 0,20 ± 0, 07 23 0.24 ± 0.1, 40 0.19 ± 0.05 36 0.20 ± 0.07
[111] A partir da Tabela 2, observa-se que não houve diferença estatisticamente significativa entre as médias das velocidades especificas de crescimento, uma vez que os experimentos em microfluidica e na batelada convencional foram conduzidos a concentrações celulares baixas e qualquer valor dentro da faixa de concentração de glicose estudada correspondia a uma quantidade suficiente para sustentar o crescimento microbiano.  [111] From Table 2, it is observed that there was no statistically significant difference between the averages of specific growth rates, since experiments on microfluidics and conventional batching were conducted at low cell concentrations and any value within the range. The glucose concentration studied corresponded to an amount sufficient to support microbial growth.
- Cinética de Monod na microfluidica :  - Monod kinetics in microfluidics:
[112] As condições da microfluidica e a obtenção das velocidades especificas de crescimento celular neste sistema permitem ampliar as investigações de cinética de crescimento, com isso pode-se investigar os parâmetros da cinética de crescimento celular descrita pela equação de Monod.  [112] Microfluidic conditions and the achievement of specific cell growth rates in this system allow the expansion of growth kinetics investigations, thereby investigating the parameters of cell growth kinetics described by the Monod equation.
[113] Ainda, é possivel a avaliação do funcionamento do dispositivo em menores concentrações do substrato limitante e com intervalos menores de microcâmaras para contagens a fim de comparar o efeito do próprio gradiente dentro da microcâmara .  [113] In addition, it is possible to evaluate device operation at lower limiting substrate concentrations and at smaller microcamera intervals for counts to compare the effect of the gradient itself within the microcamera.
[114] Sabendo que a concentração de glicose é constante no microcanal, isso possibilita a determinação dos parâmetros cinéticos de crescimento de Monod, não apenas nos tempos iniciais, como são feitos nos sistemas convencionais, uma vez que a variação do substrato influência nos resultados .  [114] Knowing that glucose concentration is constant in the microchannel, this allows the determination of Monod kinetic growth parameters, not only in the early times, as in conventional systems, since substrate variation influences the results.
[115] Desta forma, em um gradiente de 0 a 3 g/L de glicose e com microcâmaras de contagem com intervalos função do substrato limitante (S) (glicose) (Figura 9) . [115] Thus, at a 0 to 3 g / L glucose gradient and with interval counting microcameras limiting substrate (S) function (glucose) (Figure 9).
[116] A partir da obtenção dos dados experimentais, a constante de saturação (Ks) , e a velocidade especifica máxima de crescimento ( ,τώχ ) , descritos pela Equação de Monod (Equação 2), podem ser estimados. [116] From the experimental data, the saturation constant (K s ) and the maximum specific growth velocity (τώχ), described by the Monod equation (Equation 2), can be estimated.
[117] Através do ajuste não linear por mínimos quadrados, obteve-se os valores de 0,32 ± 0,01 h_i e 0,27 ± 0, 04 g/L, respectivamente, para má e Ks (Figura 9) . [117] Nonlinear least-squares fit yielded 0.32 ± 0.01 h _i and 0.27 ± 0.04 g / L, respectively, for m á and K s (Figure 9 ).
[118] Através desta curva de crescimento e os resultados para os parâmetros cinéticos, descritos pela equação de Monod (Equação 2), observa-se que os dados cinéticos obtidos na microfluídica estão coerentes com os dados da literatura determinados pela fermentação convencional.  [118] Through this growth curve and the results for the kinetic parameters, described by the Monod equation (Equation 2), it is observed that the kinetic data obtained in microfluidics are consistent with literature data determined by conventional fermentation.
[119] Desta forma, nota-se a viabilidade deste dispositivo microfluídico com formação de gradiente difusivo para investigar os parâmetros cinéticos do microrganismo e com isso aumentar a produtividade de uma reação em bioprocessos .  [119] Thus, the feasibility of this diffusive gradient-forming microfluidic device is noted for investigating the kinetic parameters of the microorganism and thereby increasing the productivity of a bioprocess reaction.
[120] Diante dos testes realizados e dos resultados obtidos, os dispositivos microfluídicos aqui propostos foram capazes em gerar um gradiente com perfil linear e estável.  [120] Given the tests and results obtained, the microfluidic devices proposed here were able to generate a gradient with linear and stable profile.
[121] A geometria e as composições dos três dispositivos da presente invenção apresentaram selagem eficiente, permitindo um escoamento estável das correntes do nível superior e capacidade de geração de gradiente no nível inferior .  [121] The geometry and compositions of the three devices of the present invention were efficiently sealed, allowing stable flow of upper level currents and lower level gradient generation capability.
[122] Os três dispositivos apresentaram formação de gradiente de concentração linear e puramente difusivos nas câmaras (microcanais inferiores) , mostrando-se aplicáveis [123] O dispositivo vidro-vidro, por apresentar superfícies hidrofílicas e ausentes de trocas gasosas, foi escolhido para estudos com células livres em condições anaeróbias, mostrando-se aplicável para o cultivo microbiano, tendo parâmetros cinéticos semelhantes ao cultivo convencional o que pode contribuir em bioprocessos . [122] The three devices showed linear and purely diffusive concentration gradient formation in the chambers (lower microchannels) and were applicable. [123] The glass-glass device, as it has hydrophilic surfaces and is absent from gas exchange, was chosen for free cell studies under anaerobic conditions and is applicable for microbial cultivation, having similar kinetic parameters to conventional cultivation, which may contribute in bioprocesses.
[124] Ainda, os dispositivos com geração de gradiente de concentração difusivo permitiram a determinação da cinética de Monod com valores coerentes aos da literatura, sendo que os resultados foram obtidos de forma mais prática quando comparados às técnicas convencionais.  [124] Furthermore, devices with diffusive concentration gradient generation allowed the determination of Monod kinetics with values consistent with those in the literature, and the results were obtained more practically when compared to conventional techniques.
[125] Diante disso, os dispositivos propostos mostraram- se eficientes para a determinação de parâmetros cinéticos e viáveis para a otimização em bioprocessos.  [125] Given this, the proposed devices have been shown to be efficient for determining kinetic and viable parameters for bioprocess optimization.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Dispositivo microfluídico caracterizado por ser estruturado para a geração de um gradiente de concentração difusivo que compreende:  1. Microfluidic device characterized in that it is structured to generate a diffusive concentration gradient comprising:
- um nível inferior (i) contendo as camadas: lâmina de vidro lisa(l); PDMS laminado, recortado e vazado contendo pelo menos uma câmara (2); e Iaminula com furos (3);  - a lower level (i) containing the layers: smooth glass slide (l); Rolled, cut and cast PDMS containing at least one chamber (2); and Hole lamina (3);
um nível superior (ii) contendo as camadas: PDMS laminado com canal vazado em formato Y (4); e lâmina de vidro com furos (5) .  an upper level (ii) containing the layers: Y-shaped hollow channel laminated PDMS (4); and glass slide with holes (5).
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo recorte do PDMS laminado (2) contornar as paredes dos microcanais e a lâmina de vidro lisa(l) define o fundo dos microcanais (câmaras) .  Device according to Claim 1, characterized in that the cut-off of laminated PDMS (2) surrounds the microchannel walls and the smooth glass slide (1) defines the bottom of the microchannels (chambers).
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado elos furos da lamínula(3) serem feitos preferencialmente por corrosão química e se ajustam às extremidades das câmaras.  Device according to Claim 1, characterized in that the holes in the coverslip (3) are preferably drilled by chemical corrosion and fit to the ends of the chambers.
4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo PDMS laminado com canal vazado (4) permitir o escoamento das soluções de diferentes concentrações.  Device according to Claim 1, characterized in that the rolled-channel laminated PDMS (4) allows the flow of solutions of different concentrations.
5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela selagem ser realizada pela aderência do PDMS laminado ao vidro.  Device according to claim 1, characterized in that the sealing is performed by adhering the laminated PDMS to the glass.
6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos furos na lâmina de vidro (5) podem opcionalmente compreender conexões para mangueiras ( 9 ) de entrada de solução.  Device according to claim 1, characterized in that the holes in the glass slide (5) may optionally comprise solution inlet hose connections (9).
7. Dispositivo microfluídico caracterizado por compreender: - um nível inferior (i) contendo as camadas: lâmina de vidro com microcanais (câmaras) (6); e PDMS com o canal em formato de Y e furos vazados (7); 7. Microfluidic device comprising: - a lower level (i) containing the layers: microchannel glass slide (chambers) (6); and PDMS with Y-shaped channel and hollow holes (7);
- Um nível superior (ii) contendo a camada de lâmina de vidro com furos (5) ;  - An upper level (ii) containing the layer of glass slide with holes (5);
8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelas câmaras estarem presentes na lâmina de vidro (6) em baixo relevo e feitas preferencialmente por corrosão química.  Device according to Claim 7, characterized in that the chambers are present on the glass sheet (6) in low relief and preferably made by chemical corrosion.
9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo canal ser em baixo relevo, em formato de Y, na superfície superior do PDMS (7) e permite o escoamento das soluções de diferentes concentrações.  Device according to Claim 7, characterized in that the channel is undercut, Y-shaped, on the upper surface of the PDMS (7) and allows solutions of different concentrations to flow.
10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelos furos no PDMS (7) serem dentro da região do canal e se ajustam às extremidades dos microcanais (câmaras) da lamina de vidro (6).  Device according to Claim 7, characterized in that the holes in the PDMS (7) are within the channel region and fit the ends of the microchannels (chambers) of the glass slide (6).
11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do PDMS (7) poder ser, opcionalmente, modificado quimicamente (8 ) .  Device according to Claim 7, characterized in that the PDMS (7) can be optionally chemically modified (8).
12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela selagem ser realizada por qualquer meio de fixação móvel, preferencialmente por presilhas.  Device according to Claim 7, characterized in that the sealing is carried out by any movable fastening means, preferably by clips.
13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelos furos na lâmina de vidro (9) podem opcionalmente compreender conexões para mangueiras de entrada de solução.  Device according to claim 7, characterized in that the holes in the glass slide (9) may optionally comprise connections for solution inlet hoses.
14. Uso do dispositivo conforme definido nas reivindicações de 1 a 6 caracterizado por ser para qualquer processo que seja necessário conhecer as condições ideais de substrato ou as condições ideais para o desempenho celular, estimativa de parâmetros cinéticos e avaliar respostas químicas, como quimiotaxia. Use of the device as defined in claims 1 to 6, characterized in that for any process it is necessary to know the ideal substrate conditions or ideal conditions for cellular performance, estimation of kinetic parameters and evaluation of chemical responses such as chemotaxis.
15. Uso do dispositivo conforme definido nas reivindicações de 7 a 13 caracterizado por ser para qualquer processo que seja necessário conhecer as condições ideais de substrato ou as condições ideais para o desempenho celular, estimativa de parâmetros cinéticos e avaliar respostas químicas, como quimiotaxia.  Use of the device as defined in claims 7 to 13, characterized in that for any process it is necessary to know the ideal substrate conditions or the ideal conditions for cell performance, estimation of kinetic parameters and to evaluate chemical responses such as chemotaxis.
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