Geri Dön

Design and simulation of micromixers for efficient antigen-antibody binding

Verimli antijen-antikor bağlanması için mikrokarıştırıcıların tasarımı ve simülasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 894515
  2. Yazar: SİMGE NAZ ERTEMÜR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 63

Özet

Mikroakışkanlarda sıvıların milimetre altı ölçekte işlenmesi, manipülasyonu ve kontrolü tipik olarak sıvıların onlarca veya yüzlerce mikrometre boyutlarına sahip kanallar aracılığıyla işlenmesi ile ilişkilidir. Mikroakışkan sistemler teknolojinin ilerlemesiyle birlikte özellikle son on yıldan itibaren yoğun ilgi görmektedir. Geçtiğimiz birkaç on yılda teknolojideki gelişmeler, hasta başı tanı sistemlerinin geliştirilmesinde müthiş araçlar olarak kabul edilen mikroakışkan cihazların üretiminde de önemli gelişmelere sebep olmuştur. Serum veya doku biyobelirteç ölçümlerini kullanan klinik teşhisler için orta ila yüksek iş hacmine sahip, hızlı ve otomatik olarak çoklu protein saptamasına giderek daha fazla ihtiyaç duyulmaktadır. Bir biyobelirteç, normal bir fizyolojik sürecin, patolojik bir sürecin veya terapötik bir müdahaleye farmasötik bir tepkinin bir göstergesi olarak ölçülebilen ve değerlendirilebilen bir parametre olarak tanımlanabilir. Kanseri erken bir aşamada tespit edebilen veya belirli bir hasta için en iyi tedavinin seçimine rehberlik edebilen biyobelirteçleri belirlemeye yönelik önemli çabalar sarf edilmiştir. Mikroakışkan cihazlar, bu tür ihtiyaçları karşılayacak şekilde biyoanalitik süreçlerin minyatürleştirilmesini, otomasyonunu ve paralelleştirilmesini sağlayabilir. Ayrıca mikroakışkan cihazlar, küçük, kompakt ve taşınabilir oldukları için de birçok çekici özellik sunmaktadır. Bu bağlamda mikroakışkan sistemler klinik analiz için önemli bir araç haline gelmişler ve farklı amaçlarda da kullanılmak üzere diğer alanlara yayılmıştır. Mikroakışkan sistemler, ilaç dağıtımı, klinik teşhis, biyomedikal mühendisliği vb. gibi çeşitli uygulamalar için kullanılmaktadır. Literatürde bulunan mikroakışkan uygulamalarının çoğu, yüksek çözünürlük ve hassasiyetle algılama yapmak için küçük miktarlarda numune ve reaktifleri işleme yeteneği gibi yararlı avantajlar sunan kimyasal analizleri içerir. Düşük reaktif tüketimi, hızlı analiz ve yüksek algılama hassasiyeti gibi önemli avantajlar sunarlar. Ayrıca mikroakışkan sistemler, küçük bir numune hacminde farklı biyobelirteçlerin çoklu tespitini veya tek bir çip kullanılarak çok sayıda numunenin taranmasını sağlayabilir. Biyobelirteç proteinlerinin ölçümleri, kanserin erken teşhisi ve kişiselleştirilmiş tedavi için muazzam bir potansiyele sahiptir. Belirli bir kanser için serumda birden çok proteinin yükselmiş düzeylerinin saptanması, yüksek teşhis doğruluğu için gereklidir. Çip üzerinde laboratuvar olarak da tanımlanan mikroakışkan sistemler genellikle laboratuvarda gerçekleştirilen tüm analatik aşamaları (numune ön işlemesi, numune/reaktif, taşıma, karıştırma, reaksiyon, ayırma, saptama) minyatür bir cihaza entegre ederek kompleks adımları içeren laboratuvar sürecini de elimine etmiş olur. Genellikle enjeksiyon, karıştırma, reaksiyon, yıkama ve saptamayı santimetre seviyesindeki bir çipe entegre edebilirler Bu metadoloji genellikle büyük ölçekli benzerini küçültüyor olarak tasavvur edilse de fiziksel ve kimyasal süreçlerin farklı davranışlar sergileyeceğini vurgulamak gerekir. Bunun nedeni kanalların çok küçük boyutlarda olması ve nanolitre ve pikolitre sıvı hacmine sahip olmasındandır. Dolayısıyla düşük Reynolds sayılarından ötürü, mikrokanal içerisindeki akış sıvıların birbirine paralel şekilde hareket ettiği laminar akıştır ve karışma mekanizması karışmanın çok yavaş olduğu moleküler difüzyon ile gerçekleşir. Düşük Reynolds sayılarında türbülansın olmaması nedeniyle baskın karıştırma mekanizması, karışım türlerinin moleküler difüzyonudur. Bu nedenle, mikrokanal içerisindeki farklı sıvıların hızlı bir şekilde karıştırılması pek mümkün değildir ve karıştırma verimi normalde düşüktür. Bununla birlikte hızlı karıştırma ve yüksek karıştırma verimliliği biyolojik numunelerle ilgili birçok uygulama için gereklidir. Mikroakışkan cihazların verimi ve hassasiyeti üzerinde önemli bir etkiye sahip olan mikro karıştırıcılar, bu cihazların en önemli bileşenlerinden biridir. Mikroakışkan cihazların kritik bileşenlerinden biri olan mikro karıştırıcıların işlevi iki veya daha fazla gelen mikroakışkan akımının yeterli miktarda karışmasını sağlamaktır. Akışkanların karıştırılmasının genellikle konveksiyon etkilerine dayandığı makro ölçekli akışkan cihazların aksine, mikro ölçekli akışkan cihazlarda karıştırma, genellikle mikro boyutlardaki özel mikro yapılar ve/veya dış türbülanslara sahip mikro kanallarda gerçekleştirilir. Mikro karıştırıcılar, nükleik asitlerin sentezi veya dizilenmesi, kanser biyobelirteçlerinin tespiti, DNA saflaştırma kimyasal reaksiyonları ve polimeraz zincir reaksiyonları gibi birçok biyokimyasal süreçte uygulama bulmaktadır. Mikro karıştırıcıların karıştırma verimliliğini artırmak için çeşitli mekanizmalar uygulanmıştır. Difüzyon, doğası gereği yavaş bir süreç olduğundan, mikroakışkan kanallardaki karıştırma verimliliği, aktif (dış kuvvetler aracılığıyla) veya pasif (akıllı kanal tasarımı aracılığıyla) yöntemler kullanılarak arttırılmıştır. Mikro karıştırıcılar genel olarak pasif ve aktif mikro karıştırıcılar olmak üzere iki kategoriye ayrılabilir. Pasif mikro karıştırıcılar, akışkanları sürmek, akışkan içindeki parçacıkları yönlendirmek, onları ayırmak vb. için herhangi bir harici enerji kaynağı kullanımı gerektirmez. Bunun aksine, aktif mikro karıştırıcılar, karıştırma, ayırma vb. için elektrik, manyetik, ses alanları gibi harici enerji kaynakları kullanır. Aktif mikro karıştırıcılar, akış bozukluğu oluşturmak için harici enerjiden yararlanır. Aktif mikro karıştırıcılar, örneğin, dielektroforez, elektrokinetik akış ve diğerlerini içerir. Pasif mikro karıştırıcılarla karşılaştırıldığında, aktif mikro karıştırıcılar, küçük bir ekipman hacmi içinde daha kısa karıştırma süresi ve karıştırma uzunluğu ile daha hızlı karıştırma avantajlarına sahiptir. Bununla birlikte, mikroakışkanlara aktif karıştırmanın dahil edilmesi, harici cihazlar, karmaşık üretim süreci, ısı üretimi ve güç gereksinimleri gerektirir. Sonuç olarak, üretim kolaylığı ve basit operasyonu sebebiyle pasif mikro karıştırıcıların geliştirilmesine yönelik olarak büyük ilgi oluşmuştur. Pasif mikrokarıştırıcılar, mikrokanalın özel şekil veya yapılarıyla karıştırmayı sağlayan bir tür mikro karıştırıcıdır. Pasif mikro karıştırma cihazlarında, basit iki boyutlu veya daha karmaşık üç boyutlu tasarımlar kullanılarak karıştırma türleri arasındaki temas alanı arttırılarak karıştırma verimliliğinde önemli bir artış elde edilir. Laminasyon, kaotik adveksiyon vb. içerir. Pasif mikro karıştırıcılarda, akış bozukluğu oluşturmak için harici bir enerji gerekmediği için pasif mikro karıştırıcılar nispeten düşük enerji tüketimine ve buna bağlı olarak düşük maliyete sahiptir. Harici enerji kaynaklarının kullanılması maliyetlerin artmasına sebep olur. Öte yandan, sıvıların moleküler difüzyonunun ve kaotik adveksiyonunun artması, pasif mikro karıştırıcıların karıştırma kalitesinde bir artışa neden olur. Akışkanların moleküler difüzyonu ve kaotik adveksiyonu, akışkanlar arasındaki temas yüzeyindeki bir artış ve karıştırma yolundaki bir azalma ile arttırılabilir. Pasif mikro karıştırıcılar, yapısal boyutlarına göre iki ve üç boyutlu olarak sınıflandırılır. İki boyutlu pasif mikro karıştırıcıların litografi yöntemi ile üretimi üç boyutluluların üretimine nazaran daha basittir. Pasif mikro karıştırıcılar için birçok özel yapı önerilmiştir. Paralel laminasyon, çoklu laminasyon, engel (veya bölme) tabanlı, yakınsama-ıraksama tabanlı ve simetrik olmayan, sayısal ve deneysel araştırmalarda dikkate alınan bazı örneklerdendir. Birçok pasif karıştırıcı, karıştırma verimliliğini artırmak için kıvrımlı yapıları, gömülü bariyerleri veya Tesla yapılarını içeren çoklu bölme, yeniden birleştirme veya döndürme kanallarını kullanır. Tekrarlanan bölme ve yeniden birleştirme mikrokanalları, alt kanallarda indüklenen ikincil akışlar nedeniyle karıştırma performansında önemli bir artış sağlayabilir. Kaotik adveksiyonu daha da arttırmak veya Dean girdaplarını sürdürmek için gömülü engeller kullanılabilir. Değişik geometrik tasarımların yanı sıra, basit serpantin tipi mikro karıştırıcılar, daha karmaşık tasarımların ek gereksinimleri olmadan önemli karıştırma verimliliği elde etmek için etkili bir şekilde kullanılabilir. Bu çalışmada karıştırma verimliliğini arttırmak için farklı geometrilere sahip pasif mikrokarıştırıcılar tasarlanmış ve COMSOL Multiphysics yazılımı kullanılarak akışkan akış paterni simüle edilmiştir. Simülasyon, akışkan hızı dağılımını elde etmek için Navier-Stoke denklemini, konsantrasyon profilini elde etmek için konveksiyon-difüzyon denklemini kullanmaktadır. Tüm simülasyonlar 2 boyutlu geometride yapılmıştır. Antijenler ve antikorlarla modifiye edilmiş manyetik boncuklar, değişen kanal geometrilerine sahip iki farklı girişten beslendi. Giriş konsantrasyonlarından biri 1 mol/m3 olarak ayarlandı, diğer giriş konsantrasyonu 0 mol/m3 olarak ayarlandı. Her iki giriş için de akış hızı eşit ve 0.2 mm/s değerinde ayarlandı. Tüm tasarımların kanal yüksekliği 50 mikrometredir ve ortalama kanal genişliği 200 mikrometredir. Manyetik boncuklar için giriş kanalı geometrisinin girdapların oluşmasına ve sıvı akışının bozulmasına yol açması ve bunun da manyetik boncukların dağılmasına ve dönmesine neden olarak antijenlerin antikorlarla modifiye edilmiş manyetik yüzey üzerine bağlanma etkinliğini artırmaya yardımcı olması beklenmektedir. Ayrıca, önerilen mikro karıştırıcı geometrileri, antijenler ve antikorlarla modifiye edilmiş manyetik boncuklar kanal boyunca akarken karıştırmayı artıran hidrodinamik etkileşimlere neden olacaktır. COMSOL simülasyon sonuçlarına göre, serpantin ve yakınsama-ıraksama tipi mikro karıştırıcılar, farklı akışkanların iyi bir şekilde karıştırılmasını sağlamıştır. Kanal çıkışında ortalama 0.5 mol/m3 konsantrasyon elde edilerek etkili karışma gözlemlendi. Simülasyon sonuçlarını deneysel olarak doğrulamak için, en iyi simülasyon sonuçlarını veren tasarlanmış mikroakışkan sistemlerden bazıları üretilmiş ve test edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Microfluidic systems have gained more attention, especially in the past decade due to technological improvement in this area. They have become an important tool for clinical analysis and spread to other areas to be used for different purposes. Microfluidic systems have been utilized for various applications such as drug delivery, clinical diagnostics, biomedical engineering, etc. They offer substantial advantages including low reagent consumption, fast analysis, and high sensitivity of detection. Fluid flow in the microchannel is laminar and dominated by molecular diffusion due to small Reynolds numbers of the fluids resulting in insufficient mixing. Enhanced mixing is required in most applications dealing with biological samples. To improve mixing, generally active or passive micromixers are used. Active micromixers require external energy sources such as dielectrophoresis, and electrokinetic disturbance which make the fabrication complicated while passive micromixers do not require any external energy sources. For this reason, passive micromixers are preferred due to their ease of fabrication and simple operation. In this study, in order to enhance mixing, passive micromixers with varying geometries have been designed and a fluid flow pattern has been simulated using COMSOL Multiphysics software. Antigens and antibody-modified magnetic beads were fed through two different inlets with varying channel geometries. The inlet channel geometry for the magnetic beads is expected to result in the formation of vorticities and disturbance of the fluid flow, causing the dispersion and rotation of the magnetic beads, which will help increase the binding efficiency of antigens onto the surface of antibody-modified magnetic beads. Moreover, the proposed micromixer geometries will cause hydrodynamic interactions between antigens and antibody-modified magnetic beads when they flow through the channel which enhances mixing. According to COMSOL simulation results, serpentine, and convergence-divergence type, micromixers resulted in good mixing of different fluids. To verify simulation results experimentally, some of the designed microfluidic systems giving the best simulation results were fabricated and tested.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    712573

    Metamateryal katkılı dalga kılavuzu uygulamaları

    Waveguide applications with metamaterial additives

    İSA TOKGÖZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ YAPAR

  2. Tez No

    874190

    Experimental and numerical investigation of electrohydrodynamic based active micromixer

    Elektro-hidrodinamik aktif mikrokarıştırıcıların deneysel ve nümerik incelenmesi

    İREM BAHAR GÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

  3. Tez No

    842007

    Bimodal fonksiyonel dokusuz hava filtrelerinin üretimi ve geçirgenlik özelliklerinin karakterizasyonu

    Production of bimodal functional non-woven air filters and characterization of their permeability properties

    ALİ TOPTAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ KILIÇ

  4. Tez No

    546322

    Development of an integrated lab-on-a-chip (LOC) platform for multidrug effect analysis

    Çoklu ilaç etkisi analizi için entegre bir çip üstü laboratuvar platformunun geliştirilmesi

    ALİ CAN ATİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK KÜLAH

    DOÇ. DR. ENDER YILDIRIM

  5. Tez No

    654871

    Pasif optik cihazlardan, dalgaboyu çoğullayıcı, optik modçoğullayıcı/tekilleyici ve optiksel güç bölücü cihazlarınınhedef öncelikli algoritma ile tersine tasarımı ve analizi

    Design and analysis of t-shape wavelength (DE) multiplexers,optical mode demultiplexers and optical power splitter frompassive optic devices with objective-first algorithm

    AHMET MESUT ALPKILIÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAMZA KURT

Geri Dön