Tentamen i Mikrosystem och Nanobiologi, TFTB 33 Teknisk Biologi, ht 2010 Tentamensdatum: 101019 Tentamen kommer att distribueras via E-post till den adress du angivit vid registrering. Tentamensanvisningar: Tentamen är en individuell hemtentamen. Den består av 3 uppgifter, med eventuella delfrågor. Uppgifterna har olika huvudområden. Det centrala i varje uppgift är att ett system ska konstrueras; alternativt att bedöma förtjänster och brister i ett föreslaget system. Du ska enskilt beskriva hur du väljer att göra denna konstruktion/bedömning. Observera att det finns många likvärdiga lösningar på uppgifterna, det viktiga är att lösningen bygger på rimliga och realistiska antaganden. Tänk på att följande punkter kommer att vara viktiga för bedömningen av dina lösningar: Beskriv de ingående stegen i processen som krävs för att konstruera ditt system. Illustrera med tydliga figurer (kan vara handritade) Redovisa och motivera materialval Kommentera kritiska steg, tex. var kan fel uppstå och varför Stöd där det är lämplig ditt resonemang på fysikaliska formler och effekten av att systemen används på mikroskala Kreativa och tillverkningsvänliga lösningar premieras, men de ska vara realistiska Rent felaktiga resonemang eller svar kommer att bidra negativt till bedömningen Examinatorn, Olle Inganäs, kommer i samråd med kursansvarig, Anders Elfwing, att följa ovanstående kriterier för rättningen, bedöma ditt svar samt sätta betyg. Det är helheten i svaren som bedöms, därför finns inga delpoäng utsatta på varje delfråga. Observera att det är viktigt att motivera ställningstaganden, och att felaktiga motiveringar kan ge minuspoäng. För full poäng i uppgift 2 krävs även förslag till ändringar. Frågorna ger maximalt 32 poäng. Betygsgränser: 16 poäng = betyg 3, 21 poäng = betyg 4 och 26 poäng = betyg 5. Svara maximalt 3 sidor (stl 12, ca 3 cm marginal) per fråga, skriv svar på ordbehandlare. Tentan ska lämnas in senast kl 14:00 den 20/10 antingen i fysisk form eller via e-post till Anders Elfwing (aelf@ifm.liu.se). Du kommer då att få en bekräftelse på att vi mottaget dina svar. Får du ingen bekräftelse innan kl 14:30 så måste du omedelbart kontakta Anders på telefon 0702-157641. Lycka Till! Anders, Niclas och Olle
Fråga 1. (12 p) Att kunna odla nervceller tredimensionellt är ytterst intressant. En metod kanske kan vara att placera enskilda neuronala stamceller i en matris. Genom kanaler i matrisen kan man dels påverka utvecklingen av stamcellerna genom att tillföra olika signal substanser, dels ge näring men också möjliggöra kontakt mellan enskilda celler via deras utskott. 1. Föreslå en konstruktion av systemet med traditionell litografi metoder dimensionerat på mikroskala med åtminstone tre nivåer. Det är tillåtet att bygga varje nivå för sig och sedan sammanfoga dem Det är naturligtvis tillåtet och nödvändigt att göra vissa strukturer större än de 100 µm som vanligen sätter övre gränsen för mikroskala. Hur bör systemet konstrueras för att det ska vara möjligt att testa hur >5 signalsubstansers påverkar de enskilda cellerna? Du behöver ej redovisa hur eventuella pump mekanismer skall konstrueras. 2. Resonera samt beskriv hur nedskalning av cell odlingen från bulkmodellen till mikroskalan påverkas ur en fysikalisk synvinkel så som flöden, volymer, värme etc. Hur stor volym av testsubstanserna kräver ditt system? 3. Vad ställs det för specifika krav på ditt mikrosystems utformning och egenskaper med tanke på att såpass komplexa biologiska prover används (celler, odlingsmedia, etc.). Redovisa problem, samt förslag till lösningar på dessa. 4. Hur kan du mekaniskt stimulera cellerna i ditt system.
Fråga 2. (12p) I din framtida roll som specialist på mikrosystem är det en av dina uppgifter att granska projektförslag. I projektet Ultimate Sorter of Cells from Horses har du fått in ett förslag till ett litet flödes-system av en nyanställd medarbetare Sredna Svensson. Granska det föreslagna systemet med en kritisk blick och ange om det finns behov av förbättringar. Viktigt att komma ihåg är att du inte ska re-designa systemet från grunden utan endast kommentera enskilda steg eftersom det är viktigt att medarbetaren lär sig. Syftet med systemet är att skapa en flödeschip för helblod (tillsätts vid Inlopp på Figur 1), Vätskan dras via kapillärkrafter (Figur 2 Pelarskog a la Åmic)genom huvudkanalen. Via ett utsug som kan man applicera vakuum och suga ut enskilda celler från huvudkanalen via sidokanalen. Sidokanalen är vidare utrustad med två guld-elektroder som mäter konduktiviteten på vätskan och som troligen kommer kunna känna av när en cell passerar. Kanalsystemet ska placeras i ett vanligt ljusmikroskop där man kan följa processen och på så vis välja när man vill aktivera utsugen och suga upp celler av intresse. Elektroder Utsug Sidokanal Inlopp Huvudkanal Figur 1
Dimensioner Huvudkanal: 200µm djup, 10 mm bred, 60 mm lång Sidokanal: 200 µm djup, 10 µm bred, 10 mm lång Pelare: 200µm höga, 100 µm diameter Guldkontakter: 5 mm breda, 5 mm långa, 1000 Å höga Guldledningar: 100 µm breda, 1000 Å höga Figur 2 Förstoring av huvudkanal med pelarskog Figur 3a Mask till flödeskanal Figur 3b Mask till elektroder
Flödeskanal: a. Tvätta och förbered en kisel-wafer för fotoliografi b. Spin på 200µm SU-8 och förbaka c. Fotolitografi med mask 3a och framkalla mönstret d. Gör ytan hydrofob genom att behandla ytan med 1% alkylthiol i xylen och tvätta ytan 3 ggr i xylen 2. PDMS a. Blanda Sylgard 184 1:10 enligt tillverkarens instruktioner och avlufta i vakuum b. Häll på polymeren på templatet och härda i ugn c. Lossa polymeren från templatet och skär ut bit runt kanalsystemet d. Slå hål i polymeren med en 0,75 mm hålstans vid inloppet och utsuget 3. Lock: a. Tvätta och förbered en kisel-wafer för fotoliografi b. Spin på 10µm SU-8 och förbaka c. Fotolitografi med mask 3b och framkalla d. Evaporera på 10 Å Krom och 1000 Å guld (kromet krävs för att guldet ska fästa bra) e. Strippa resisten 4. Sammanläggning a. Lägg på ett tunt lager färdigblandad Sylgard 184 på sidorna av kanalstrukturen b. Passa ihop lock och Kanalsystem c. Tryck ihop och härda i ugn
Fråga 3. (8p) För att utröna biomolekylär identitet och variation på molekylär skala önskar vi ofta nå detektion på enmolekylnivå, gärna i mikrosystem. A) Varför? Motivera! B) Vilka experimentella tekniker tillåter detta? Hur? Vilken slags information kan man erhålla? Hur kan vi veta om det är en enskild molekyl som ger signal?? Kan vi inte identifiera enskilda biomakromolekyler kanske vi måste använda en molekyl som monster/templat för att tillverka flera kopior av molekylen, som kan bli tillräckligt många för att registreras. Alternativt kan vi tänka oss att på något sätt förstärka signalen från den enskilda molekylen. C) Beskriv alternativa metoder för molekylreplikering och deras användning för detektion. Beskriv också hur signalförstärkning kan åstadkommas på andra sätt.