Geri Dön

Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter

Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi

PDF İndir

  1. Tez No: 682251
  2. Yazar: MERVE GÜLLE
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 77

Özet

Hücre sınıflandırma, çeşitli hücre türlerinin bulunduğu biyolojik bir sıvının içerisinden belirli bir hücre tipinin ayrıştırılması işlemidir. Bu işlem temel biyolojik araştırmalar, klinik teşhisler gibi birçok amaçla yaygın olarak kullanılmaktadır. Gelişen mikroakışkan teknolojisi hücre sınıflandırıcıların gelenkesel yöntemlere göre çok daha küçük boyutlarda, az örnek sıvılarıyla daha verimli bir şekilde çalışmalarını olanaklı kılmıştır. Manyetik, optik, akustik v.b. yapılarla entegre olabilen mikroakışkan çipler ile çeşitli fonksiyonları bünyesinde birleştirebilen, tek kullanımlık, düşük maliyetli çipler üretmek mümkündür. PDMS (polydimethylsiloxane) ise biyouyumlu, saydam ve ucuz olması sebebiyle mikroakışkan teknolojisinin gelişmesinde oldukça büyük bir faktör olmuştur. Ayrıca mikroakışkan hücre sınıflandırıcılarında en yaygın kullanılan temel malzemelerden bir haline gelmiştir. Mikroakışkan hücre sınıflandırıcılar pasif ve aktif olmak üzere iki başlıkta incelenebilir. Pasif sınıflandırıcılar hücreleri boyut, yoğunluk gibi sahip oldukları fiziksel özelliklere göre çipin kanal geometrisi ve hidrodinamik yapısından faydalanarak sınıflandırırlar. Yüksek hızda çalışabilirler ve harici bir güç kaynağına ihtiyaç duymazlar fakat benzer fiziksel özelliklere sahip hücreleri ayrıştırmakta başarısızdırlar. Böyle durumlarda hücrelerin etiketlenmesi ve aktif hücre sınıflandırıcıları ile sınıflandırılması gerekmektedir. Aktif hücre sınıflandırıcılar floresanla aktive olan sınıflandırıcılar (FACS), manyetik aktif hücre sınıflandırıcılar (MACS), dielektroforez (DEP) ve akustik mikrosistemler olmak üzere dört ana başlığa ayrılırlar. Floresanlar aktive olan mikroakışkan hücre sınıflandırıcılar (uFACS) yüksek hassasiyeti ve verimi sebebiyle biyomedikal araştırmacılar ve klinisyenler tarafından en çok tercih edilen hücre sınıflandırıcı tipidir. Bir uFACS sistem hücrelerin yaydığı floresanı bir kamera sistemi yardımıyla tespit eder ve hücreleri ilgili olduğu çıkışa yönlendirerek ayrıştırma işlemini uygular. Hücre yönlendrime işlemi ise piezoelektrik aktüatörler, yüzey akustik dalgalar, optik tetikleyicler gibi çeşitli yapılarla yapılabilir. Fakat bu yöntemlerin sırasıyla büyük boyutlara sahip olma, karmaşık üretim aşamaları gerektirme ve düşük verimde çalışmak dezavantajları vardır. Manyetik membranlar yüksek elastisitesi, düşük tepki süresi ve çip üzerinde güç kaynağına ihtiyaç duymaması olması sebebiyle mikroakışkan sistemlerde oldukça yaygın bir kullanıma sahiptir. Yüsek sapma miktarı, üretim kolaylığı, düşük güç tüketimi, küçük boyutlarda olması ve düşük tepki süresi sebebiyle uFACS sistemlerde aktüatör olarak kullanılmak için oldukça iyi adaylardır. Bu çalışma ise hücre yönlendirici aktüatör olarak manyetik membran kullanan bir uFACS sistem önerilmiş, tasarlanmış, benzetimleri yapılmış, matematiksel olarak modellenmiş, üretilmiş ve test edilmiştir. Manyetik membranlar CI (karbonil demir) mikroparçacıkları ile PDMS polimerinin karıştırılması ile elde edilmiştir. Hazırlanan karışım kapton bant üzerine spin kaplama ile yayılmış ve son olarak fırınlanarak sertleşmesi sağlanmıştır. Yanal kesiti mikroskop ile incelenen membranlarda manyetik parçacıkların topaklanması gözlenmemiştir ve 30 um kalınlığında oldukça homojen bir yapı elde edilmiştir. Üretilen membranlar oksijen plasma yapıştırma cihazı ile PDMS gövdelerle birleştirilmiştir. Neodimyum (NdFeB) kalıcı magnetlerle manyatik alan uygulanan membranların sapma miktarları ölçülmüştür. Maksimum sapma 6.83 mm çaplı membran ve 4 mm çaplı magnetten 597 um olarak ölçülmüştür. Ayrıca sapma deneylerinin COMSOL Multiphysics uygulaması ile benzetimleri yapılmıştır. Membranlar göreli manyetik geçirgenliği 1'den büyük olan hiperelastik malzeme olarak tanımlanmıştır. Membranların bilinmeyen parametrelerinden elastik modülü PDMS'inkiyle eşit kabul edilmiş, göreli manyetik geçirgenliği ise yapılan deney sonuçlarının bazıları alınarak ters modelleme ile en uygun değer seçilmiştir. Sonuç olarak kurulan benzetim şeması deney sonuçları ile 0.95'in üzerinde bir R2 değeriyle örtüşmeyi başarmıştır. Mikroakışkan hücre sınıflandırıcı ise cam taban, PDMS gövde ve manyetik membran olmak üzere üç temel kısımdan oluşmaktadır. PDMS gövdenin cam taban ile birleştiği tarafında mikro kanallar bulunmaktadır. Mikro kanalların oluşturulması için kapton bant ile üretilen kalıp kullanılmıştır. 2 boyutlu olarak çizilen kanal deseni elektronik kağıt kesici (Silhouette) ile kapton banda aktarılmıştır ve üzerine sıvı PDMS dökülüp fırında sertleştirilerek mikronkanallar içeren PDMS gövde elde edilmiştir. Literatürde henüz bulunmayan bu teknik ile kalıp üretimi aşaması herhangi bir kimyasal işleme gerek duymayarak oldukça pratikleştirilmiştir. Elektronik kağıt kesici 500 um ve üzeri boyutlar için 10\%'un altında hata ile kapton bandı kesmeyi başarabilmiştir. Fakat keskin köşelerin kesilmesinde yeterince başarılı olamamıştır. Ayrıca kalıplar birkaç kullanımdan sonra deforme oldukları için yenilenmeye ihtiyaçları vardır. Çip üretimi PDMS gövdeye girişler, çıkışlar ve membran hazneleri için delik açılması ile devam eder. Son aşamda ise mikroskop lamı, PDMS gövdeve manyetik membran oksijen plazma yapıştırma cihazı ile birleştirilmiştir. Böylece üretimi 5-6 saat civarı süren, 75 mm x 25 mm x 5 mm boyutlarında hücre sınıflandırıcı çipler elde edilmiştir. Kanal geometrisindeki farklı boyutların etkisini inceleyebilmek için dört farklı boyutlarda kanallara sahip çipler üretilmiştir. Ayrıca manyetik membranları çalıştırmak için kalıcı magnet içeren, elektrik olarak kontrol edilebilen manyetik aktüatörler üretilmiştir. 3 boyutlu yazıcı ile PLA (polilaktik asit) filamenti ile gövde, TPU (termoplastik poliüretan) esnek filamenti ile kalıcı magnetlerin tutturulduğu salınabilen yaylı bir yapı üretilmiştir. Magnetlerin hemen altına gelecek şekilde iki adet indüktör kullanılmıştır. Ve son olarak indüktörler, gövde, yaylı yapı ve magnetler epoksi ile yapıştırılmıştır. İndüktörlere uygulanan gerilim ile magnetlerin üzerinde manyetik alan oluşturularak magnetlerin salınması sağlanmıştır. Manyetik aktüatör, magnetler membranların tam altına gelecek şekilde yerleştirilerek membranlara elektriksel kontrollü manyetik kuvvet uygulayabilen bir yapı sağlanmıştır. Böylece 10 V ve altında çalıştırabilen, kolay üretilebilir, düşük güç tüketen, elektriksel olarak kontrol edilebilen manyetik aktüatörler üretilmişir. Ayrıca optimum çip geometrisini bulabilmek ve çip performansını teorik olarak hesaplayabilmek için hücre sınıflandırıcı çipin matematiksel modellemesi yapılmıştır. Model temel akışkanlar mekaniğine dayandırılarak yapılmıştır. Bu model ile çip performansının iyileştirilebilmesi için çip boyutlarının mümkün olduğunca küçük, sıvı akış hızının ise yüksek olması gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu çalışmada ise kanal genişleiklerinin alt sınırını elektronik kağıt kesicinin çözünürlüğü belirlemiştir ve en dar ana kanal 750 um olarak üretilebilmiştir. Çiplerin COMSOL Multiphysics uygulaması ile benzetimleri de yapılmıştır. Modelin basitliği bakımından çiplerin yalnızca hücre yönlendirme bölümü benzetimle incelenmiştir. Katı Mekaniği modülü ile membranlar, Doğrusal Akış modülü ile biyolojik sıvı, Akışkanlar için Parçacık Takibi modülü ile hücreler modellenmiştir. Benzetim sonuçları matematiksel modelle ve deneylerler uyumlu çıkmıştır. Son olarak çipler test edilmiştir. Testlerde hücre sıvısı gıda boyası ile renklendirilmiş suyla, tampon sıvı ise sade suyla temsil edilmiştir. Farklı kanal boyutlarına sahip çipler ile uygulanan gerilimin genliği, darbe genişliği ve akış hızı değiştirilerek deneyler yapılmıştır. Deney sonuçları teoreik hesaplarla ve benzetim sonuçlarıyla uyumlu çıkmıştır. Fakat deneylar aynı şartlar altında tekrarlandığında birebir aynı sonuçlar alınamamıştır. Bunun kanal boyutlarının büyük olmasından ve membranların başlangıç durumunda tamamen düz olarak ayarlamanın zorluğundan kaynaklandığı düşünülmektedir. Sonuç olarak bu çalışmada 10 hücre/s hızında 8 V gerilim ile çalışabilen bir mikroakışkan hücre sınıflandırıcı üretilmesi başarılmıştır. Çıkışlar elektronik kağıt kesici ile yeterince düzgün kesilemediğinden, çiplerin çıkışları gözlemlenememişir. Yalnızca hücre yönlendirme bölümündeki renki suyun sapması gözlemlenebilmiştir. Bu çalışma ile mikroakışkan hücre sınıflandırıcılarının manyetik membranlarla çalıştırılabileceği gösterilmiştir. Elektronik kağıt kesici, 3B yazıcı gibi pratik ve yenilikçi üretim teknikleri önerilmiş ve uygulanmıştır. Literatürdeki diğer hücre sınıflandırıcılara kıyasla oldukça düşük bir sınıflandırma hızına ulaşılabilinmiştir. Teorik hesaplamalarla ve benzetim sonuçları ile farklı üretim teknikleri ile daha küçük boyutlarla üretilmesi başarıldığında manyetik membranlarla kontrol edilebilen bu hücre sınıflanrıcı ile literatürdekilere rakip olabilecek performansta çiplerin üretilebilineceği gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Cell sorting is the process of isolating a target cell type from a complex biofluid based on its characteristics. This process has become a widely used method for various purposes such as basic biological research, and clinical diagnostics. Developing microfluidic technology has made it possible for cell sorters to work more efficiently with less sample fluids in much smaller sizes compared to conventional methods. Microfluidic lab-on-a-chip platforms enable low-cost, disposable, and lightweight instruments in which various elements, such as magnetic, optics, or acoustics, are strongly integrated on a single plastic chip to operate to develop unique features. PDMS (polydimethylsiloxane), on the other hand, has been a major factor in the development of microfluidic technology, as it is bio-compatible, transparent and low-cost. It has also become one of the most widely used basic materials in microfluidic cell sorters. Microfluidic cell sorters can be examined under two headings as passive and active. Passive sorters classify cells according to their physical properties such as size and density, using the channel geometry and hydrodynamic structure of the chip. They can operate at high speed and do not require an external power source, but fail to separate cells with similar physical properties. In such cases, cells need to be labeled and classified by active cell sorters. Active cell sorters are divided into four main categories: fluorescence-activated cell sorting (FACS), magnetic-activated cell sorting (MACS), dielectrophoresis (DEP) and acoustic microsystems. Fluorescence-activated microfluidic cell sorters (uFACS) are the most preferred cell sorter type by biomedical researchers and clinicians due to their high sensitivity and efficiency. A uFACS systems perform the separation process by detecting the fluorescence emitted by cells with the help of a camera system and then directing the cells to the relevant outlet. Cell manipulation can be done with various structures such as piezoelectric actuators, surface acoustic waves, optical triggers. However, these methods have the disadvantages of having large dimensions, requiring complex production steps and operating at low efficiency, respectively. Magnetic membranes are widely used in microfluidic systems due to their high elasticity, low response time and no need for on-chip power supply. Due to their wide deflection range, ease of fabrication, low power consumption, small size and low response time, they are very good candidates for use as actuators in uFACS systems. In this study, a uFACS system has magnetic membrane actuators was proposed, designed, simulated, mathematically modeled, manufactured and tested. Magnetic membranes were obtained by incorporating CI (carbonyl iron) microparticles into PDMS polymer. The CI-PDMS mixture was spread on the kapton tape with spin coating and cured in oven. After fabrication, the cross-section of the magnetic membranes was examined with a microscope and a quite homogeneous structure without agglomeration with a thickness of 30 um was observed. The fabricated membranes were assembled with PDMS structures with oxygen plasma bonding. The deflection amounts of the membranes applied magnetic field with neodymium (NdFeB) permanent magnets were measured. The maximum deflection was recorded as 597 um from the 6.83 mm diameter membrane and the 4 mm diameter magnet. In addition, the deflection experiments were simulated with COMSOL Multiphysics. Membranes were defined as hyperelastic materials with relative magnetic permeability greater than 1. The elastic modulus of the membrane which is unknown was accepted as equal to that of PDMS, and the relative magnetic permeability was set by inverse modeling by taking some of the experimental results. As a result, the established simulation scheme could manage to show consistency with the experimental results with a value of R2 over 0.95. The microfluidic cell sorter, on the other hand, consists of three basic parts: glass base, PDMS body and magnetic membrane. The PDMS body has a micro channels pattern on its surface. The mold produced with kapton tape was used to create the micro channels. The channel pattern drawn in 2D was transferred to kapton tape with an electronic craft cutter (Silhouette). Then, liquid PDMS was poured on the molds and hardened in the oven to obtain the PDMS bodies containing micro channels. With this technique, which is not yet available in the literature, the mold production phase has been made quite practical without the need for any chemical processing. The electronic craft cutter was able to cut kapton tape with an error of less than 10\% for sizes 500 um and above. However, it was not successful enough in cutting sharp corners. In addition, the molds need to be renewed as they deform after a few uses. Chip fabrication was continued with the PDMS body by punching holes for inlets, outlets, and membrane chambers. In the last step, microscope lame, PDMS body, and magnetic membrane were assembled with oxygen plasma bonding. Thus, cell sorter chips with dimensions of 75 mm x 25 mm x 5 mm were obtained, which took 5-6 hours to manufacture. In order to examine the effect of different dimensions on the channel geometry, chips with channels of four different sizes were produced. In addition, an electrically controllable magnetic actuator containing permanent magnets was fabricated to actuate the magnetic membranes. A body with PLA (poly lactic acid) filament and an oscillating spring structure to which permanent magnets are attached with TPU (thermoplastic polyurethane) flexible filament were produced by 3D printer. Two inductors are used just below the magnets. And finally, inductors, body, spring structure and magnets are assembled with epoxy. The magnets were enabled to oscillate with a magnetic field which is created by applying a voltage to the inductors. A structure that can apply electrically controlled magnetic force to the membranes was provided by aligning the magnetic actuator directly under the membranes. Thus, electrically controllable magnetic actuators that can operate with a voltage of 10 V and below, could be produced. In addition, the cell sorter chip was mathematically modeled in order to find the optimum chip geometry and to calculate the chip performance theoretically. The model is based on fundamental fluid mechanics. With this model, it was concluded that the chip size should be as small as possible and the liquid flow rate should be high in order to improve the chip performance. In this study, the lower limit of the channel widths was determined by the resolution of the electronic paper cutter and the narrowest main channel could be produced as 750 um. The chips were simulated with the COMSOL Multiphysics. For the simplicity of the model, only the cell manipulation area of the chips was studied by simulation. Membranes, bio-fluid, and the cells were modeled with the Solid Mechanics, Laminar Flow, and Particle Tracing for Fluid Flow modules respectively. The simulation results were compatible with the mathematical model and experiments. Finally, the chips were tested. In the tests, the sample fluid was represented by water dyed with food coloring, and the buffer liquid was represented by plain water. Experiments were carried out by varying the amplitude of the applied voltage, pulse width and inflow velocity for the chips with different channel sizes. Experimental results were compatible with theoretical calculations and simulation results. However, when the experiments were repeated under the same conditions, the exact same results could not be obtained. This is thought to be due to the large size of the channels and the difficulty of setting the membranes completely flat in their initial state. As a result, in this study, it has been achieved to produce a microfluidic cell sorter that can operate with 8 V voltage, have a throughput of 10 cells/s. The outputs of the chips could not be observed, as the outputs could not be cut properly enough with the electronic craft cutter. Only the deviation of the dyed water in the cell manipulation area could be observed. With this study, it has been shown that microfluidic cell sorters can be operated with magnetic membrane actuators. Practical and innovative fabrication techniques such as electronic paper cutter, 3D printer have been proposed and applied. Unfortunately, a very low throughput has been achieved compared to other cell sorters in the literature. With the theoretical calculations and simulation results, it has been shown that this cell sorter, which can be controlled by magnetic membranes could rival those in the literature by fabricating in smaller sizes with advanced techniques.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    770783

    Multicolor fluorescence microscopy fortracking magnetic micro-agents

    Başlık çevirisi yok

    MERT KAYA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1989

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolUniversity of Twente

    PROF. DR. SARTHAK MİSRA

  2. Tez No

    637221

    Design and simulation of magnetically actuated tunable optofluidic lenses

    Manyetik olarak kontrol edilebilen uyarlanabilir optik-akışkan lens tasarımları ve benzetimleri

    AHMET SUNA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN

  3. Tez No

    802990

    Self-tuning resonant mode microscanner control system

    Kendinden ayarlanan rezonant modlu mikrotarayıcı kontrol sistemi

    AYŞİN ARSEVEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Bilgi Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BAYKAL SARIOĞLU

  4. Tez No

    520492

    Paper based low cost biosensor design and fabrication

    Kağıt tabanlı düşük maliyetli biyoalgılayıcı tasarımı ve üretimi

    MELİKE NUR ÖNDER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Bilgi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. YİĞİT DAĞHAN GÖKDEL

    YRD. DOÇ. ÖZGÜR GÜL

  5. Tez No

    75587

    Değişken kapasiteli yandan tahrikli elektrostatik mikromotor tasarımı

    Başlık çevirisi yok

    ERTUĞRUL DOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. R. NEJAT TUNÇAY

Geri Dön