A mems based drug effect analysis system utilizing droplet microfluidics
Damlacık microakışkanlarını kullanan mems tabanlı ilaç etkisi analiz sistemi
- Tez No: 518304
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH, DOÇ. DR. ENDER YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Bu tez, damlacık mikroakışkanlara dayanan ilaç etkisi analizi için tasarlanmış tamamen entegre bir çip-üstü-laboratuar sistemi önermektedir. Esas olarak, otomatik şekilde hücrelerin çoklu ilaç tepkilerini taramak için tasarlanmıştır. İlaç tarama sisteminin ayırt edici özelliği, damlacık bazlı tekil hücre hapsetmesini içermesidir. Sistem, parilen bazlı ve normalde kapalı elektrostatik mikrovalfler ve damlacık üretim sistemi olarak iki ana alt sistemi içerir. Mikrovalflerin damlacık sistemiyle entegrasyonu ile beraber K-562 lösemi hücrelerinde ilaç etkilerini taramak için otomatik bir sistem sağlanmıştır çünkü valfler, ilaçların akışlarının çoklu ilaçları ve bunların kombinasyonlarını eşzamanlı olarak gözlemleyebilmesine izin vermekte veya engellemektedir. İlaç etkisi tarama analizi damlacıklar içinde tek başına hapsedilmiş hücreler üzerinde uygulanmıştır. Akışa odaklanan birleşme noktası, 130 Hz'lik bir frekansta pikolitre hacimli damlacıklarını oluşturmak için kullanılmıştır. Elektrostatik mikrovalfler için, valf operasyonunun teorik analizi, 1-D toplanmış model, sürekli indirgenmiş sıralı model ve sonlu elemanlar analizine dayanılarak tartışılmıştır. Birinci nesil tasarımın detayları, çalışma prensibi ve adım adım üretim prosedürü sağlanmıştır. 300 mikron yarıçaplı ve spiral üst elektrotlu olarak üretilmiş mikrovalf test edilmiştir. Çekme gerilimi 177 V olarak ölçülmüş ve çekilme ise 95 V'de gerçekleşmiştir. Ayrıca, valfin açılma süresi 0.94 s iken valf 1.86 s'de kapatılmıştır. Tasarım detayları ve karakterizasyonun yanı sıra, buradaki bir önemli detay, düzgün bir şekilde çalışan ve sistemde her zaman doğrudan kullanılabilen bir mikrovalf elde etmektir. Ayrıca, amaçlanan uygulama için valflerin performansında gelişme gerekliliği oluşmuştur. Böylece ikinci nesil mikrovalf tasarımı önerilmiştir. İlk önce üretim prosedürünü sağlayarak, 300 mikron yarıçapındaki ve tam üst elektrotlu valfler test edilmiş ve bunlar 76 ± 11.4 V'lik bir çekme geriliminde çalıştırılmış ve daha sonra bu voltaj üst elektrotu spiral ve 410 mikronluk valfler ile 41.5 ± 7.8 V'ye düşürülmüştür. Valfler, açılma sırasında 1 saniyeden daha az sürede voltaj değişimlerine cevap verebilmiş; kapanış süresi ise 1.5 - 2.8 s'den biraz daha fazla olmuştur. Sistem, yüksek frekanslı damlacık oluşumu için -10 kPa çıkış vakum basıncında çalıştırılmıştır. Herhangi bir ilaca maruz kalmayan hücrelerin yaşayabilirliği için bir kontrol grubu deneyi gerçekleştirdikten sonra, farklı ilaç damlacıklarında hapsedilmiş hücrelerin tepkileri, konsepti kanıtlamak için floresan mikroskop altında CTCF yöntemine dayalı floresan yoğunluk değişimi kullanılarak 2 saat boyunca gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis proposes a fully integrated lab-on-a-chip system designed for drug effect analysis based on the droplet microfluidics. It is mainly designed for screening multi-drug responses of cells in an automated operation. The distinguished feature of the drug screening system is that it includes droplet-based single cell encapsulation. The system includes two main subsystems which are parylene-based and normally closed electrostatic microvalves and droplet generation system. The integration of microvalves with droplet system enabled an automated system for screening drug effects on K-562 leukemia cells because the valves allow or block the flows of drugs to be able to simultaneous observe multiple drugs and their combinations. Drug screening analysis was applied on singly encapsulated cells within the droplets. Flow-focusing junction was used to form the picolitre-droplets at a frequency of 130 Hz. For electrostatic microvalves, the theoretical analysis of the valve operation was discussed based-on 1-D lumped model, continuous reduced-order model, and finite element analysis. The details of the first-generation design, its operation principle and step-by-step fabrication procedure were provided. The fabricated microvalve with 300 μm-radius and spiral top electrode were tested. The pull-in voltage was measured to be 177 V and while the pull-out occurred at 95 V. Moreover, the opening duration of the valve was 0.94 s and the valve was closed in 1.86 s. Besides the design details and operational characterization, the important point here is to obtain a microvalve in smooth operation and directly usable in the system all the time. Further, the improvement in the performance of the valves was necessary for the intended application. Thus, the second-generation microvalve design was proposed. By first providing the fabrication procedure, the valves with 300 μm-radius and full top electrode was tested, and they operated at a pull-in voltage of 76 ± 11.4 V, and then this voltage was reduced to 41.5 ± 7.8 V for 410 μm-valve with spiral top electrode. The valves could respond to voltage variation in less than 1 s while opening; yet the closing duration was slightly greater as 1.5- 2.8 s. The system operated at -10 kPa outlet vacuum pressure for high-frequency droplet formation. After performing a control group experiment for the viability of cells without any drug, the responses of encapsulated cells in different drug droplets were observed over 2 hours using the fluorescence intensity change based on CTCF method under fluorescent microscope as the proof-of concept.
Benzer Tezler
- Design and implementation of low leakage MEMS microvalves
Düşük sızdırmalı MEMS mikrokapakların tasarımı ve gerçekleştirilmesi
YILDIRIM ENDER
Doktora
İngilizce
2011
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
PROF. DR. M. A. SAHİR ARIKAN
- Tüberküloz teşhisi için kullanılmak üzere mikro ısıtıcı tasarlanması karakterizasyonu ve üretimi
Microheater design production and characterisation for using in tuberculosis detection
MUHAMMED BEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Detection of imatinib and doxorubicin resistance in K562 leukemia cells by 3D-electrode contactless dielectrophoresis
Imatinib ve doxorubicin direnci geliştirmiş K562 lösemi hücrelerinin 3 boyutlu elektrot kullanılarak temassız dielektroforez ile tespiti
YAĞMUR DEMİRCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
BiyolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
- Piezoelektrik ile tetiklenen valfsiz mikro pompa tasarımı, üretimi ve akışkan debisini etkileyen faktörlerin belirlenmesi
Design, fabrication and defining factors affecting fluid flow rate of valveless piezoelectric-triggered micropump
SEVDA ŞİMŞEK
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Polymeric microneedle arrays for transdermal drug delivery
Deri yoluyla ilaç verilmesi için polimerik mikro iğne dizileri
YUSUF KEMAL DEMİR
Doktora
İngilizce
2012
Eczacılık ve FarmakolojiMarmara ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OYA KERİMOĞLU