Geri Dön

Development of viscoelastic particle migration for microfluidic flow cytometry applications

Mikroakışkan akış sitometrisi uygulamarında viskoelastik parçacık hizalama tekniğinin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 629152
  2. Yazar: MURAT SERHATLIOĞLU
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇAĞLAR ELBÜKEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyofizik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Biophysics, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 150

Özet

Hücre biyolojisi, hücre sayımı ve hücre tespiti gibi alanlarda meydana gelen gelişmeler; hastalık teşhisi, biyoteknoloji, ilaç endüstrisi ve malzeme biliminde kullanılacak yeni parçacık karakterizasyon yöntem ve araçlarının geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Akış sitometri teknolojisi bu alandaki ihtiyacı neredeyse bir asırdır karşılayan öncü teknolojidir. Günümüzde hızlı, hassas, doğru ve düşük maliyetli hasta-başı teşhis cihazlarına ve hücre sayma teknolojilerine olan yoğun bir talep artışı söz konusudur. En gelişmiş ticari akış sitometri cihazları dahi teknolojik açıdan bu talebe cevap vermekte yetersiz kalabilmektedir. Bu talep, yenilikçi ve hassas parçacık hizalama teknikleri, çoklu algılama yöntemleri ve birbirine entegre akışkan, optik ve elektronik üniteler kullanılarak geliştirilen yenilikçi sitometri teknolojileri ile karşılanabilir. Bu tip özellikler konusunda tartışmasız derecede avantajlara sahip olan mikroakışkan akış sitometri platformları, yeni nesil akış sitometri teknolojilerinin geleceği adına ilgi çekici ve umut vericidir. Bu tez çalışmasında, optik, empedans ve görüntü tabanlı mikroakışkan sitometri ölçüm yöntemleriyle uyumlu olan viskoelastik parçacık hizalama tekniği geliştirildi. Viskoelastik akışkanların elastik doğası, süspansiyon haldeki parçacıkların kanal akış eksenine dik düzlemde pozisyon değiştirerek, tek bir akış çizgisi boyunca hizalanmasını sağlar. Bu sayede akış sitometri cihazlarındaki ölçüm hassasiyetini artırmak için gerekli olan merkezi parçacık hizalanma sağlanmış olur. Viskoelastik parçacık hizalama tekniği pasif bir yöntemdir ve kılıf akışına veya herhangi bir aktif parçacık hizalama mekanizmasına olan ihtiyacı ortadan kaldırır. İlk olarak, avuç içi büyüklüğünde bir cam mikrokılcal cihazda optik mikroakışkan akış sitometrisi için viskoelastik odaklama tekniği geliştirildi. Optik ölçüm ve algılama işlemleri fiber kuplajlı lazer kaynağı ve fotodedektör yardımıyla yapıldı. Polietilen oksit (PEO), Hyalüronik asit (HA) ve Polivinilpirolidon (PVP) tabanlı üç farklı viskoelastik solüsyonda süspansiyon halindeki polistren sitometri kalibrasyon parçacıklarının tespiti gösterildi. İkinci olarak, empedans tabanlı mikroakışkan akış sitometrilerinde kullanımlarını göstermek için PEO tabanlı viskoelastik solüsyonların farklı iyonik konsantrasyonlardaki viskoelastik parçacık hizalama etkinliği araştırıldı. Ardından, polistren ve kırmızı kan hücreleri kullanarak empedans sitometri ölçümleri gerçekleştirildi. Yüksek verimli akış sitometri uygulamaları için ataletsel ve viskoelastik etkilerin kombinasyonu kullanılarak küresel polistren parçacıklarının yüksek akış hızlarında merkezi hizalanmasının mümkün olduğu gösterildi. Buna ek olarak küresel olmayan kırmızı kan hücrelerinin tamamının kanal merkez çizgisi boyunca paraşüt şeklinde hizalanması ve bu sayede empedans sitometri cihazlarında gözlenen küresel olmayan parçacık kaynaklı ölçüm varyasyonlarının azaltılarak tutarlı empedans sinyalleri elde edilmesi sağlandı. Elde edilen sonuçlar, önerilen akış sitometri cihazlarının, verimlilik ve ölçüm hassasiyeti açısından en gelişmiş sitometri cihazlarıyla kıyaslanabilir performans değerleri elde ettiğini gösterdi. Optik ve empedans tabanlı akış sitometri uygulamaları, yalnızca basınçlı hidrodinamik akış kullanılarak geliştirildi. Basınçlı hidrodinamik akış ve elektrik alan kaynaklı elektroforez eşzamanlı olarak uygulandığında, mikroakışkan kanalların içindeki süspanse parçacıklar karmaşık hizalanma davranışları ve birbirinden farklı nihai denge konumları sergilediği bilinmektedir. Mevcut deneysel ve analitik çalışmalar parçacıkların nihai denge konumlarının neden farklı olduğuna dair ayrıntılı bir açıklama sunmakta yetersiz kalmaktadır. Ayrıca, şimdiye kadar yapılan çalışmalar yalnızca Newtonsal ve yüksüz viskoelastik sıvılarla sınırlıdır. Bu tez çalışmasında üçüncü olarak, elektroforez, akış ve viskoelastik sıvı kaynaklı kaldırma kuvvetlerinin birbiri ile etkileşimini ayrıntılı olarak açıklamak için bütüncül bir yaklaşım benimsenmiştir. Parçacık hizalanmasının kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlamak için Newton, yüksüz viskoelastik ve polielektrolit viskoelastik ortamlarda sıvı akış yönüne dik parçacık hareketleri deneysel olarak incelendi. Viskoelastik ortam ile yapılan deneyler neticesinde, şimdiye kadar yapılmış olan mevcut çalışmalardan daha farklı sonuçlar elde edildi. Sonrasında hem Newton hem de yüklü ve yüksüz viskoelastik sıvılarda gözlemlenen farklı parçacık hizalanma davranışlarına bütüncül bir yaklaşım ile açıklık getiren Elektro-Viskoelastik Hizalanma (EVH) teorisi geliştirildi. Buna ek olarak, EVH tekniğinde gözlenen farklı parçacık hizalanma davranışlarının altında yatan sebepleri keşfetmek için floresan etiketli viskoelastik polimer çözeltisi oldukça şaşırtıcı olarak sıvı akışına dik kanal kesitinde homojen olmayan viskoelastik çözelti oluşumu gözlemlendi. EVH tekniği ile elde edilen bu bulguların mikroakışkan camiasında şimdiye kadar keşfedilmemiş homojen olmayan viskoelastik akış gibi eşsiz uygulamalara kapı açacağı düşünülmektedir. Özet olarak, sunulan sistemler tek bir düz mikrokılcal ya da mikrokanal üzerinde basit fabrikasyon teknikleri kullanılarak geliştirilmiştir. Akışkan düzeneği, optik, ve empedans tabanlı algılama üniteleri aynı akış sistemi üzerinde birbirine kolayca entegre edilebilir ve viskoelastik hizalama tekniği kullanılarak başarılı sitometri uygulamaları gerçekleştirilebilir. Mikroakışkan akış sitometri uygulamalarındaki yenilikçi yaklaşımımız viskoelastik sıvıların, gelişmekte olan ülkeler ve düşük gelir kaynaklı ortamlar için entegre, taşınabilir ve düşük maliyetli yeni nesil sitometri platformlarının geliştirilebilmesi adına iyi bir aday olduğunu göstermektedir. Buna ek olarak, EVH tekniği, jel elektroforez veya kromatografi uygulamalarının yerine geçebilecek seviyede, polyelektrolitlerin DNA fraksiyonlarının ve proteinlerin elektriksel yüklerine ve boyutlarına göre bir mikrokanal boyunca hassas bir şekilde hizalanmasını ve ayrıştırılmasını sağlayabilecek güçlü bir potansiyele sahiptir.tileri hazırlanarak konfokal mikroskop altında floresan boyalı polimerlerin hareketi incelendi

Özet (Çeviri)

Advances in cell biology, quantification, and identification procedures are essential to develop novel particle characterization tools on the diagnostics, biotechnology, pharmaceutical industry, and material science. Flow cytometry is a pivotal technology and meets the need for almost a century. An increase in today's demand for fast, precise, accurate, and low-cost point-of-care diagnostic tools and cell counting technologies necessitate further improvements for state-of-the-art flow cytometry platforms. These improvements are achievable using novel and precise particle focusing techniques, multiple detection methods, integrated fluidic, optical, and electronic units in the same workflow. Thanks to its indisputable advantages in such integrities, microfluidic flow cytometry platforms are attractive and promising tool for the future of next-generation flow cytometry technologies. In this thesis, we developed viscoelastic focusing technique compatible with optical, impedimetric, and imaging-based microfluidic flow cytometry methods. Elastic nature of the viscoelastic fluids induces lateral migration for suspended particles into a single streamline and meets the requirement for central particle focusing on flow cytometry devices. Viscoelastic focusing is a passive particle manipulation technique and eliminates the need for sheath flow or any other active actuation mechanism. Firstly, we developed viscoelastic focusing technique for optical microfluidic flow cytometry in a palm-sized glass capillary device. Optical detection was performed by fiber-coupled laser source and photodetectors. We demonstrated the detection of polystyrene (PS) cytometry calibration beads suspended in three viscoelastic solutions: Polyethylene oxide (PEO), Hyaluronic acid (HA), and Polyvinylpyrrolidone (PVP). Secondly, we investigated the viscoelastic focusing efficiency of PEO-based viscoelastic solutions at varying ionic concentrations to demonstrate their use in impedance-based microfluidic flow cytometry. We performed cytometry measurements using PS beads and human red blood cells (RBCs). We showed that elasto-inertial focusing of PS beads is possible with the combination of inertial and viscoelastic effects for high-throughput flow cytometry applications. Additionally, non-spherical shape RBCs were aligned along the channel centerline in parachute shape, which yielded to decrease the non-spherical shape-based signal variations in impedance cytometry devices consistent impedimetric signals. Our results showed that proposed flow cytometry devices give similar performance to state-of-the-art systems in terms of throughput and measurement accuracy. Optical- and impedance-based flow cytometry applications were demonstrated using only pressure-driven flow. Under the simultaneous use of pressure-driven flow and DC electric field, particles inside microfluidic channels exhibit intricate migration behavior at different particle equilibrium positions. Available experimental and analytical studies fall short in giving a thorough explanation to particle equilibrium states. Also, the understanding is so far limited to the results based on Newtonian and neutral viscoelastic fluids. Thirdly in this thesis study, a holistic approach is taken to elaborate the interplay of governing electrophoretic and slip-induced/elastic/shear gradient lift forces. Experimental studies were carried on particle migration in Newtonian, neutral viscoelastic, and polyelectrolyte viscoelastic media to provide a comprehensive understanding of particle migration. Our experiments with the viscoelastic media led to contradictory results with the existing explanations. Then, we introduced the Electro-Viscoelastic Migration (EVM) theory to provide a unifying explanation for particle migration in Newtonian and viscoelastic solutions. Additionally, we performed confocal imaging experiments with fluorescent-labeled polymer solutions to explore the underlying migration behavior in the EVM technique. We observed the formation of cross-sectionally non-uniform viscoelastic solution would pave the way for undiscovered unique applications in the microfluidic community. In summary, presented devices were demonstrated with straightforward fabrication techniques on a single straight microcapillary or microchannel. It is possible to couple fluidics, optical, and impedimetric detection units into the same workflow. Our approach in microfluidic flow cytometry applications proved that viscoelastic fluids are good candidates for the development of integrated, portable, and cost-efficient next-generation cytometry platforms and low resource settings. Additionally, the unifying EVM technique has a strong potential to precisely focusing and separating cells, polyelectrolytes, DNA fractions, and proteins according to their charge and size with a comparable resolution and measurement time as a replacement for gel electrophoresis or chromatography applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    710900

    Development of novel thermal conductive polymer nanocomposites

    Yeni nesil termal iletken polimer nanokompozitlerin geliştirilmesi

    ELİFTEN SEMERCİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN

    DOÇ. DR. TUBA ERDOĞAN BEDRİ

  2. Tez No

    824486

    Aluminum nitride and boron nitride based multifunctional micro/nano particles for thermal interface materials

    Termal arayüz malzemeleri için alüminyum nitrür ve bor nitrür esaslı çok fonksiyonlu mikro/nano parçacıklar

    ÖZLEM EVREN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    KimyaKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGE BALCI

  3. Tez No

    520254

    Interaction of Poly(vinyl alcohol) and chitosan coated iron oxide nanoparticles with cell membrane models

    Poli(vinil alkol) ve kitosan kaplı demir oksit nano parçacıklarının hücre zarı modelleri ile etkileşimleri

    ARİFE KUŞBAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK

    DOÇ. DR. SEVİM İŞÇİ TURUTOĞLU

  4. Tez No

    309387

    Modeling die swell of second-order fluids using smoothed particle hydrodynamics

    İkinci dereceden akışkanlarda kalıp şişmesi olayının düzleştirilmiş partikül hidrodinamiği ile modellenmesi

    SAMİR HASSAN SADEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ KOŞAR

    YRD. DOÇ. DR. MEHMET YILDIZ

  5. Tez No

    395637

    Manyetoreolojik sıvılar için yeni bir model geliştirilmesi ve sönümleme özelliklerinin tayini

    Development of a new model for magnetorheological fluids and determination of damping characteristics

    NAFEL DOĞDU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞEFAATDİN YÜKSEL

    PROF. DR. İBRAHİM USLAN

Geri Dön