Geri Dön

Laser ablation assisted size-based sorting of pure water droplets inside a microfluidic chip and designing a microfluidic chip for studying sprouting angiogenesis

Lazer işleme ile geliştirilen mikroakışkan çip içerisinde su damlalarının boyutlarına bağlı sınıflandırılması ve anjiyojenez çalışmalarına yönelik mikroakışkan çip tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 591513
  2. Yazar: ATEEQ UR REHMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALPER KİRAZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 123

Özet

Tez kapsamında gerçekleştirdiğimiz çalışmalarla farklı boyutlardaki damlaların sınıflandırılmasına olanak sağlayan otonom, yüksek veri hacmine sahip, hassas bir mekanizma geliştirdik ve bunun için lazer işleme yöntemiyle üretilen eğimli (10o), sığ (700 nm) ve dar (22 ve 30 µm)'lik yönlendirme kanallarından faydalandık. Çok farklı boyutlarda ve hızlarda damla üretimi için, birbirinden bağımsız iki adet T-bağlantısı ve sıvı girişi bulunan, yönlendirme kanalının yer aldığı Hele-Shaw bölgesine girmeden hemen önce damlaların füzyonuna olanak sağlayan bir mikroakışkan çip ürettik. İlk olarak, aynı taşıyıcı akışkan koşulları altında üretilen farklı boyutlardaki damlaların kısmı yönlendirilmesi üzerine çalışmalarımızı gerçekleştirdik. Burada bir damla üzerine etki eden üç farklı kuvvet bulunmaktadır. Bunlar, sürükleme kuvveti, sürtünme kuvveti ve yakalama kuvveti şeklindedir. Sürükleme kuvveti damla çapına ikinci dereceden bağlıdır ve büyük bir damla için yakalama kuvvetine baskın gelir. Bu da damlanın eğimli kanalı diğer damlalara kıyasla daha erken terk etmesine, dolayısı ile dikey olarak daha az mesafe kaydetmesine ve kısmı olarak yönlendirilmesine neden olur. İkinci olarak, taşıyıcı kanaldaki akış hızını değiştirerek farklı hızlara sahip aynı boyutlarda damlalar üreterek her bir damla üzerine etki eden sürükleme kuvvetini değiştirdik ve bunun benzer şekilde kısmi yönlendirmeye sebep olduğunu gözledik. Son olarak, kanal ile yönlendirilebilen küçük damlaları ve bu damlaların birleşimi ile oluşan daha büyük yönlendirilemeyen damlaları eş zamanlı olarak barındıran mikroakışkan çipte damla sınıflandırmasını gösterdik. Tüm deneylerde iki farklı kanal genişliğine sahip (22 µm ve 30 µm) mikroakışkan çip tasarımı kullandık ve daha geniş kanala sahip çipte yüksek yakalama kuvveti nedeni ile daha güçlü bir yönlendirmenin söz konusu olduğunu gözledik. Deneysel çalışmalarımızdan elde ettiğimiz tüm sonuçlar, damla boyutunu ve hızını, arayüz gerilimini, temas açısını ve gerçekçi dalma şeklini esas alan analitik modelden elde ettiğimiz sonuçlarla uyumludur. Doku mühendisliği ile birleşen mikroakışkan teknolojisi, hücre biyolojisi alanındaki gelişmeleri hızlandırmış ve fizyolojik ve patofizyolojik geçişlerin anlaşılmasında yardımcı olmuştur. Polydimethylsiloxane (PDMS), biyouyumlu, şeffaf ve elastik olması sebebi ile 3 boyutlu fizyolojik mikroçevrelerin anlaşılmasına yönelik mikroakışkan cihazların hızlı şekilde üretilmesinde yaygın olarak kullanılır. Yaptığımız çalışmalarda, 3B hücre büyümesine olanak sağlayan kolajen yapı içeren ve kontrollü olarak ortam difüzyonu sağlayan özgün bir mikroakışan çip tasarımı gerçekleştirdik. Bu, hücresel mikroçevreyi taklit eden hidrojel için uygun bir tasarımdır. Geliştirdiğimiz çipte, birbiri ile geniş etkileşim yüzeylerine sahip üç paralel kanal bulunmaktadır. Bu üç kanalın sahip olduğu farklı yükseklikler sayesinde hidrojel çözeltisi belirlenen bölgede kalmakta ve kapiler etki, yüzey enerjisi gibi etkiler sayesinde merkezdeki kolajen kanalının şeklini tamamen almaktadır. Anjiyojenez, endotel hücreleri tarafından yeni kapilerlerin mevcut olanları üzerinden üretilmesi olarak tanımlanır. Hidrojel, mikroakışkan çip içerisine yerleştirilen hücrelere, O2 ve besin erişimi için gözenekli 3B bir yapı sağlar. Yaptığımız çalışmalarda endotel hücrelerinin, 3B hidrojel yapının içine yayılan damar endotel büyüme faktörüne (vascular endothelial growth factor - VEGF) olan tepkilerini inceledik. Özgün tasarımımız kolajen kanalı ve yan kanallar arasındaki geniş etkileşim alanı ile endotel hücrelerinin uyarıcı altında filizlenmesi için elverişli bir mikroçevre sağlamaktadır. Tasarımımızın filizlenen anjiyojenez çalışmalarıda ve 3B mikroçevrelerin taklit edilmesinde kullanılabileceğini gösterdik. Ayrıca, tümörün anjiyojenik potansiyelinin araştırılmasında kullanılabilecek başka bir mikroakışkan çip tasarımı gerçekleştirdik. Bu çipin yan kanallarından birinde, hücrelerin içinde büyümesine ve tümör sferoid oluşumuna olanak sağlayan kuyular yer almaktadır. Bu yan kanal, çipe enjekte edilen tümör hücrelerinden sferoid oluşumunu mümkün kılmaktadır. Bu tasarımda, doğrudan uyarıcının çipe verilmesi yerine çip içerisinde büyüyen tümör sferoidlerin ortama salacağı büyüme faktörlerine ve moleküllere tepki veren endotel filizlenmeleri incelenmektedir ve bu yönüyle önceki tasarımdan ayrılmaktadır. Farklı tipteki tümörler farklı büyüme faktörleri ve moleküller üretmektedir. Geliştirdiğimiz mikroakışkan çip kullanılarak, farklı tümör sferoidlerin anjiyojenik eilimleri çalışılabilir.

Özet (Çeviri)

We demonstrate an autonomous, high throughput and rigorous mechanism for sorting of droplets with different dimensions over inclined (10 degree), shallow (700 nm) and narrow (22 and 30 µm) guiding tracks defined by laser micromachining. We fabricated a microfluidic device containing two independent T-junctions and inlets for droplet generation allowing broad range of size and speed tuning as well as droplet merging before entering the Hele-Shaw channel hosting the guiding track. In the first part, we investigate partial guiding of different sizes of droplets under same host liquid flow conditions based on the three forces acting on the droplets namely drag force, frictional force and confinement force. For a bigger droplet, drag force being a quadratic function of droplet diameter dominates the confinement force causing the droplets leaving the inclined track earlier covering less vertical distance and guided partially. Secondly, as the speed of the droplet is increased by increasing the channel flow rate while keeping its size constant, higher drag force is exerted on the droplet once again causing partial guiding. Finally, we demonstrate sorting of smaller guided droplets coflowing with bigger unguided droplets as a result of merging from two inlets in the common tapered region just before entering the Hele-Shaw channel. For all the experiments, we have considered two chip designs with different guiding track widths (22 µm and 30 µm) and found that the droplets undergo stronger guiding for the case of wider track because of the higher confinement force. All experimental results are correlated with analytical model results incorporating droplet size, speed, interfacial tension, contact angle and realistic droplet shape by finite volume method. Microfluidic technology combined with tissue engineering has significantly increased the progress in cell biology and helped in understanding the physiological and pathophysiological transitions. PDMS due to its bio-compatibility, optical transparency and elasticity is widely used in fabrication of microfluidic devices for rapid prototyping to understand the 3D physiological microenvironment. We designed a novel microfluidic chip that incorporates a collagen hydrogel scaffold for 3D cell growth and enables controlled diffusion of medium through it. Thus, it is a convenient design that incorporates a hydrogel that mimicks the cellular microenvironment. Our design consists three parallel microchannels in contact with each other. By the unique height design, the hydrogel solution stays in the defined region and takes the shape of the collagen loading channel due to capillary action and surface tension effect. Angiogenesis; the formation of new capillaries from existing ones is mediated by endothelial cells. The hydrogel provides a porous 3D support which mediates the exchange of O2 and nutrients. We studied the response of endothelial cells by stimulating them with vascular endothelial growth factor (VEGF) that diffuses through the 3D hydrogel scaffold from biochemical channel to the cell channel inside a microfluidic chip. Our novel design provides a favorable microenvironment for Endothelial cells to grow sprouts under the influence of stimuli by having a wide contact area between the collagen loading channel and the side channels. We found that our design works for studying sprouting angiogenesis and can be used for mimicking 3D microenvironments. We also designed another microfluidic chip that will be used as an indicator of the angiogenic potential of a tumor. It incorporates cells trapping wells in one of the side channels for trapping tumor cells and can be grown to become tumor spheroids in a chip. The side channel enables the formation of spheroids from injected tumor cells on the chip. This design is different from the previous design in a sense that no stimulus in introduced directly in the chip rather the growth factors and molecules secreted by tumor spheroids in its microenvironment will trigger endothelial sprouts. Different type of tumors secrete different growth factors and molecules. By using our designed microfluidic chip the angiogenic tendency of different tumors spheroids can be studied.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75620

    TİN kaplama parametrelerinin aşınma davranışı üzerindeki etkisi

    The Effect of coating parameters on the wear behaviour of TİN

    OĞUZ AKKAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. E. SABRİ KAYALI

  2. Tez No

    625898

    Hayvan modelinde infrahyoid kas kesilmesinin hyoid kemik pozisyonu ve orofarengeal hava sütunu hacmi üzerine etkisi

    The effect of infrahyoid muscles sectioning on hyoid bone position and oropharyngeal air column volume in an animal model

    OSMAN TUĞRUL GÜZELDİR

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Kulak Burun ve BoğazGazi Üniversitesi

    Kulak Burun Boğaz ve Baş-Boyun Cerrahisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UTKU AYDİL

    PROF. DR. AHMET KÖYBAŞIOĞLU

  3. Tez No

    444659

    Novel approaches to ultrafast fiber laser design for ablation cooled material removal

    Soğuk ablasyonlu malzeme kaldırma uygulamaları için ultra hızlı fiber lazer tasarımına yeni yaklaşımlar

    SANİYE SİNEM YILMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATİH ÖMER İLDAY

  4. Tez No

    520258

    Fabrication of surface assisted liquid manipulation systems

    Yüzey destekli akışkan kontrol sistemlerinin geliştirilmesi

    MUHAMMAD ZEESHAN RASHID

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER KİRAZ

  5. Tez No

    905975

    Nanotel tabanlı nanosensörlerin biyomedikal uygulamaları

    Biomedical applications of nanowire-based nanosensors

    ALPTEKİN CİNBAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FERHAT DEMİRAY

Geri Dön