Geri Dön

Development of microfluidic chip for impedance-based detection of liver cancer biomarkers

Karaciğer kanseri biyobelirteçlerinin empedans bazlı tespiti için mikroakışkan çip geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 887649
  2. Yazar: ARDA DURER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyoteknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Biotechnology, Electrical and Electronics Engineering, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Mikroakışkan sistemler, sıvı akışının hassas kontrolüne izin veren ve biyobelirteçler ile bu belirteçlerin tespit edilmesini sağlayan elemanlar arasındaki etkileşimleri artıran teknolojik düzeneklerdir. Bu özellikleri nedeniyle, mikroakışkan sistemler biyomedikal uygulamalar için ideal platformlar olarak kabul edilmektedir. Mikroakışkan teknolojisi, küçük hacimli sıvılarla çalışarak yüksek hassasiyet ve tekrarlanabilirlik sağlamasıyla öne çıkar. Bu çalışmada, karaciğer kanseri biyobelirteçlerinin empedans bazlı tespiti için geliştirilen bir mikroakışkan çipin avantajları incelenmiştir. Mikroakışkanların, tanı duyarlılığı ve özgüllüğünü artırmadaki üstünlükleri vurgulanmaktadır. Mikroakışkan çiplerin minyatür boyutları, analiz için gereken örnek ve reaktif miktarını azaltırken, sonuçlara daha hızlı ulaşılmasını sağlar. Bu avantajlar, özellikle biyomedikal araştırmalarda ve klinik tanı süreçlerinde büyük önem taşır. Mikroakışkan teknolojisi sayesinde, laboratuvar ortamında gerçekleştirilen testler daha kompakt ve taşınabilir cihazlarla yapılabilir hale gelir, bu da sağlık hizmetlerinin erişilebilirliğini artırır. Karaciğer kanserinin oluşumunu belirten spesifik biyobelirteçlerin varlığını ölçmek ve analiz etmek amacıyla elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) kullanılmaktadır. EIS, biyomoleküllerin bağlanma durumlarını tespit etmek için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Çalışmada, EIS ölçümleri için en uygun koşulları belirlemek amacıyla çeşitli fosfat tamponlu salin (PBS) molariteleri test edilmiştir. PBS, biyolojik moleküllerin stabilitesini korumak ve güvenilir empedans ölçümleri sağlamak için tamponlama kapasitesi ve iyonik kuvveti nedeniyle tercih edilmiştir. Farklı molaritelerdeki PBS çözeltileri, EIS analizinde en iyi duyarlılığı ve tekrarlanabilirliği sağlayan konsantrasyonu belirlemek amacıyla incelenmiştir. Bu adım, EIS ölçümlerinin doğruluğunu ve güvenilirliğini artırmak için kritik bir öneme sahiptir. Elde edilen sonuçlar, PBS konsantrasyonunun empedans ölçümlerine etkisini ve en uygun koşulları belirlemek için kullanılmıştır. Farklı konsantrasyonlardaki peptitler için EIS ölçümleri yapılarak bir tespit aralığı oluşturulmuştur. Bu adım, sistemi kalibre etmek ve peptit konsantrasyonunun sistemin empedans yanıtına olan etkisini anlamak için gereklidir. Peptitlerin çeşitli konsantrasyonlarda kullanılması, biyobelirteçlerin bağlanma kapasitesini ve empedans değişimlerini daha iyi anlaşılmasına olanak tanır. Manyetik boncuklar (MB'ler), streptavidin ile kaplanarak tespit hassasiyetini artırmak için kullanılmıştır. Streptavidin, biyotine karşı güçlü ve spesifik bağlanma afinitesi gösterir, bu da biyotinleştirilmiş peptitlerin manyetik boncuklar üzerinde verimli bir şekilde immobilize edilmesine olanak tanır. Empedans özelliklerini anlamak için bu manyetik boncuklar üzerinde EIS ölçümleri yapılmış ve bu, karşılaştırma için bir temel veri seti sağlamıştır. Peptitler, mikroakışkan kanal içinde manyetik boncuklarla karıştırılarak bağlanmış ve toplam empedansları ölçülmüştür. Mikroakışkan düzenek, manyetik boncuklar ile peptitler arasındaki etkileşimin kontrollü bir ortamda gerçekleşmesini sağlayarak ölçümlerin doğruluğunu artırmıştır. Peptitlerin manyetik boncuklarla bağlanması, biyobelirteçlerin tespitinde önemli bir adım olup, bağlanma olayının empedans üzerindeki etkilerini incelenmesinin temelini oluşturmuştur. Empedans verileri, biyobelirteç bağlanması nedeniyle empedans değişikliklerinin görselleştirilmesini kolaylaştıran Nyquist grafikleri kullanılarak gösterilmiştir. Bode grafikleri kullanılarak elde edilen empedans verileri, daha ayrıntılı analiz için Nyquist grafiklerine dönüştürülmüştür. Nyquist grafikleri, empedans verilerinin karmaşık düzlemde görselleştirilmesi için kullanılan bir yöntemdir ve bağlanma durumlarının anlaşılmasını kolaylaştırır. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi ölçümlerinde, sistemin elektrokimyasal davranışını ve biyobelirteçlerin bağlanma verimliliğini anlamak için Rs (çözeltinin direnci), Rct (yük aktarım direnci) ve Cdl (çift katman kapasitansı) değerleri incelenmiştir. Rs, çözeltinin elektriksel direncini temsil eder ve bu çalışmada PBS'nin farklı molaritelerinde değişim göstermiştir. Rct, elektrot yüzeyindeki yük transfer süreçlerini yansıtır ve biyobelirteçlerin bağlanma durumlarına bağlı olarak değişiklik gösterir. Cdl ise, elektrot yüzeyinde oluşan elektrik çift katmanının kapasitansını temsil eder ve bu değer, biyomolekül bağlanması sırasında önemli bilgiler sunar. Farklı PBS molaritelerinde Rs, Rct ve Cdl değerlerinin incelenmesi, EIS ölçümlerinin doğruluğunu ve güvenilirliğini artırmak için gerekli olan optimum koşulları belirlemeye yardımcı olmuştur. Düşük PBS molaritelerinde Rs değerlerinin daha yüksek olduğu, yüksek PBS molaritelerinde ise Rs değerlerinin azaldığı gözlemlenmiştir. Rct ve Cdl değerleri ise, biyobelirteçlerin bağlanma durumlarına ve peptit konsantrasyonlarına bağlı olarak değişiklik göstermiştir. Bu değerlerin incelenmesi, biyomolekül bağlanma etkinliğini ve tespit hassasiyetini artırmak için kritik öneme sahiptir. Çalışmada elde edilen empedans verileri, biyobelirteçlerin tespitinde kullanılan sistemin doğruluğunu ve hassasiyetini artırmak için önemli bilgiler sunmuştur. Özellikle Rs, Rct ve Cdl değerlerindeki değişiklikler, biyobelirteçlerin bağlanma olaylarının daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Bu parametrelerin detaylı analizi, biyobelirteçlerin bağlanma kinetiği ve mekanizmaları hakkında önemli bilgiler sunmaktadır. Elde edilen empedans verileri, biyobelirteçlerin tespitinde kullanılan sistemin doğruluğunu ve hassasiyetini artırmak için kritik bir rol oynamaktadır. Ayrıca, mikroakışkan çip üzerindeki ölçümlerin tekrarlanabilirliği ve güvenilirliği, klinik uygulamalarda kullanım potansiyelini artırmaktadır. Sonuçlar, geliştirilen mikroakışkan çipin karaciğer kanseri biyobelirteçlerini yüksek hassasiyetle güvenilir bir şekilde tespit edebildiğini ve erken kanser teşhisi ve izlemesinde potansiyel uygulamaların önünü açtığını göstermektedir. Bu teknoloji, karaciğer kanseri biyobelirteçlerinin non-invaziv, hızlı ve doğru bir şekilde tespit edilmesi için umut verici bir yaklaşım sunar, bu da erken teşhis ve zamanında müdahale yoluyla hasta sonuçlarını iyileştirmeye katkıda bulunur. Geliştirilen mikroakışkan çip, biyomedikal araştırmalarda ve klinik tanı uygulamalarında geniş bir kullanım alanı bulabilir. Bu çalışmanın sonuçları, mikroakışkan teknolojisinin ve EIS yönteminin birleşiminin biyobelirteç tespitinde sağladığı avantajları açıkça ortaya koymaktadır. Mikroakışkan çipin tasarımı, biyobelirteçlerin spesifik ve hassas bir şekilde tespit edilmesine olanak tanır. Bu teknoloji, gelecekteki biyomedikal araştırmalarda ve klinik tanı süreçlerinde önemli bir rol oynayabilir, bu da daha hızlı ve güvenilir teşhisler sağlayarak kişiye özel sağlık sistemlerinin geliştirilmesinin temelini oluşturabilir.

Özet (Çeviri)

Microfluidic systems allow precise control of fluid flow and facilitate efficient interactions between biomarkers and detection elements, making them ideal for biomedical applications. In this work, the development of a microfluidic chip for impedance-based detection of liver cancer biomarkers is highlighted, showcasing the advantages of microfluidics in enhancing diagnostic sensitivity and specificity. To achieve this, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was utilized to measure and analyze the presence of specific biomarkers indicative of liver cancer. Initially, various molarities of phosphate buffered saline (PBS) were tested to determine the optimal conditions for EIS measurements. PBS was chosen due to its buffering capacity and ionic strength, which are crucial for maintaining the stability of the biological molecules and ensuring reliable impedance measurements. Different molarities were examined to identify the concentration that provides the best sensitivity and reproducibility in EIS analysis. Following this, EIS measurements were conducted for peptides at different concentrations to establish a detection framework. This step was essential to calibrate the system and understand how peptide concentration affects the impedance response. Magnetic beads (MBs) coated with streptavidin were employed to enhance the detection sensitivity. Streptavidin was chosen for its strong and specific binding affinity to biotin, allowing for efficient immobilization of biotinylated peptides on the magnetic beads. EIS measurements were performed on these magnetic beads to understand their impedance characteristics, providing a baseline for comparison. Subsequently, peptides were bound with the magnetic beads within the microfluidic channel, and their bound impedance was measured. The microfluidic setup ensured a controlled environment for the interaction between the magnetic beads and peptides, improving the accuracy of the measurements. The impedance data were represented using Nyquist plots, which facilitated the visualization of the impedance changes due to biomarker binding. An equivalent circuit model was constructed to interpret the EIS data, allowing for the extraction of key parameters such as charge transfer resistance and double-layer capacitance. These parameters are critical for understanding the electrochemical behavior of the system and the binding efficiency of the biomarkers. The results demonstrated that the developed microfluidic chip could reliably detect liver cancer biomarkers with high sensitivity, paving the way for potential applications in early cancer diagnostics and monitoring. This technology offers a promising approach for non-invasive, rapid, and accurate detection of liver cancer biomarkers, contributing to improved patient outcomes through early diagnosis and timely intervention.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    650348

    DEVELOPMENT OF MICROFLUIDIC BASED SINGLE CELL CAPTURING SYSTEMS FOR EARLY DETECTION OF DISEASES

    Erken teşhise yönelik mikroakışkan tabanlı tek hücre yakalama sistemlerinin geliştirilmesi

    EMRE ALTINAĞAÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL

  2. Tez No

    309418

    Development of a new biosensor array and lab-on-a-chip for portable applications using a label-free detection method

    Yenı bıyosensör dızılerı ve taşınabılır uygulamalar ıçın etıketsız bır algılama yöntemı kullanarak yonga üstü laboratuvar gelıştırılmesı

    SREENİVASA SARAVAN KALLEMPUDİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    BiyoteknolojiSabancı Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAŞAR GÜRBÜZ

  3. Tez No

    782050

    Development of impedance flow cytometry system for white blood cell count

    Beyaz kan hücresi sayimi için empedans akiş sitometrisi sistemi geliştirilmesi

    MEHMET ALPER DEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    BiyoteknolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK KÜLAH

    DOÇ. DR. ENDER YILDIRIM

  4. Tez No

    588440

    Design and optimization of a miniature actuator using shape memory alloy (SMA) wires

    Şekil hafızalı alaşım (SHA) teller ile minyatür aktüatör tasarımı ve optimizasyonu

    MORTEZA TEYMOORI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR KOCATÜRK

  5. Tez No

    825877

    Development of Microwave/Droplet-Microfluidics Integrated Heating and Sensing Platforms for Biomedical and Pharmaceutical Lab-on-a-Chip Applications

    Development of Microwave/Droplet-Microfluidics Integrated Heating and Sensing Platforms for Biomedical and Pharmaceutical Lab-on-a-Chip Applications

    GÜRKAN YEŞİLÖZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    BiyomühendislikUniversity of Waterloo

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAROLYN L. REN

Geri Dön