Nanomechanical sensing of bacterial pathogen using soft pillars

Abstract

표면에 부착된 세균은 바이오필름 형성과 감염에 관여한다. 인체의 조직의 기계적 특성과 비슷한 물질인 PDMS(polydimethylsiloxane)는 합성 고무 실리콘 소재로, 주로 미세 유체역학 기기와 의료 분야에 사용되어진다.일반적으로 황색 포도상 구균과 같은 병원성 세균은 PDMS 표면과 강한 부착력을 보이며 인간에게 유해한 영향을 준다. 따라서, 황색포도상 구균과 PDMS 표면 사이의 부착력 측정은 상당한 중요성을 가지고 있다. 이 논문에서는, PDMS 소재의 나노구조체 연성필라 (직경: 900 nm, 길이: 2 ㎛, 강성: 24.14 nN / μm의) 의 휨을 이용하여 세균이 연성필라 위에 부착하였을 경우 연성필라 사이의 간격을 측정하여 세균을 감별하는 민감한 나노 기계적 센서로 작용하는 측면을 보여주고자 했다. 제 1장에서는 소프트리소그래피로 제작된 나노구조체 연성필라와 다양한 강성을 가짐으로써 세포에 어떤 영향을 주게 되는가를 살펴보았다. 세균이 표면에 붙어 생기는 현상과 표면과의 부착력을 측정하기 위해 연성필라를 이용하며, 병원성 세균 감별에 상당한 중요성을 가지고 있는 연성필라와 같은 나노기계적 센서에 대해 알아보았다. 제 2장에서는 세균과 표면간의 부착의 영향과 이러한 부착력을 측정하기 위한 일반적인 방법들에 대해 조사하였다. 정확한 세균과 표면간의 부착력을 측정할 수 있는 방법이 존재하지 않았다. 이 실험에서 나노기계적 센서의 프랜스듀서로 사용된 나노구조체 연성필라의 제작과 세균의 특이적 결합으로 인한연성필라위 컨택프린팅 방법으로 고정화된 항체와 결합하게 되었다. 흥미롭게도, 황색포도상 구균은 연성필라의 윗 부분에 부착되어 두개의 연성필라가 휘어지게 되고, 이때의 연성필라 사이 간격을 측정함으로써 황색포도상 구균과 표면간의 부착력이 0.96 ± 0.1 nN 임을 알게 되었다. 이것은 연성필라가 각종 세균 검출에 이용될 수 있고, 적은 나노뉴턴 정도의 힘을 측정할 수 있는 나노 기계적 센서의 트랜스듀서로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 제 3장에서는 다양한 스트레칭 장치와 진동수와 세기를 조절함으로써 세포의 신장과 세포 분열에 미치는 영향을 조사하였다. 이 실험은 한방향으로만 스트레칭을 줄 수 있는 마이크로 공정 전자석 스트레칭 장치를 설명하고 이 장치를 통해 나노구조체 연성 필라를 스트레칭 함으로써 세균감별에 이용될 수 있다. 전자석을 이용하여 4% 스트레칭을 함으로써, 연성필라 위에 부착된 세균을 25% 이상 고감도로 검출을 할 수 있다. 전체적으로, 연성 필라가 있는 한방향으로만 스트레칭을 줄 수 있는 전자석 스트레칭 장치는 정량적으로 측정할 수 있고, 감별 신호를 증폭할 수 있는 나노 기계적 센서의 트랜스듀서로 이용될 수 있다.;Bacteria adhered to the surface are implicated with biofilm formation and infection. In similar with mechanical properties of human tissue, PDMS (polydimethylsiloxane) is a synthetic rubber silicon material mainly used in the microfluidic devices and medical applications. Generally pathogenic bacteria like Staphylococcus aureus, have strong attachment towards PDMS surface and causes harm to humans. Inhibiting the bacterial adhesion to surface provides a promising way to solve this issue. Therefore, measurement of adhesion force between S. aureus and PDMS surface has gained significant importance. In this study, soft pillars (diameter: 900 nm, height: 2 µm, stiffness: 24.14 nN/µm) made of PDMS were used to measure the adhesion force to act like a nanomechanical sensor. The deflection of soft pillars upon S. aureus binding serves as a means for force estimation and is measured by change of the center to center (c-t-c) distance between pillars. In Chapter I, I provided an overview of nanomechanical sensors and biofilm. Nanomechanical sensors can be defined as sensors for measuring mechanical changes of transducer upon binding of bacteria, virus, biomolecules such as DNA, etc. Biofilms are communities of bacteria and their own products, such as exopolysaccharide and DNA, etc. In the chapter, I tried to address key issues related to bacterial adhesion as a control point for inhibiting biofilm formation as well as how to measure adhesion force of bacteria using nanomechanical sensors. In Chapter II, I described a nanomechanical sensor in which deflectable soft pillars worked as a transducer and antibody specific to S. aureus is immobilized on the top of each pillar. Upon binding of S. aureus to antibody-immobilized pillars, pillars are physically deflected by the binding and the deflection can be observed by an optical microscope. The deflection degree is related to adhesion force as well as physical size of bacteria. Interestingly, the average adhesion force of S. aureus adhered to neighbouring pillars was calculated as 0.96 ± 0.1 nN. This suggests that the soft pillars as a nanomechanical sensor can be used for detecting various bacteria and could be a tool for sensing bacterial adhesion force in nano-newton range. In Chapter III, I described a method for amplifying nanomechanical signal of soft pillars using a microfabricated uniaxial stretching device. When the membrane with soft pillars was 4% stretched using the device, higher degrees of deflection occurred on soft pillars immobilized with antibody. As a result, the sensitivity of the nanomechanical sensor increased more than 25%. These results suggest that a uniaxial magnetic stretching device with soft pillars can be utilized for nanomechanical transducer to amplify nanomechanical signals and measure the signal quantitatively.