Geri Dön

Fabrication of micromixers for efficient antigen-antibody binding

Verimli antijen-antikor bağlanması için mikro karıştırıcıların üretimi

PDF İndir

  1. Tez No: 894734
  2. Yazar: AMENAH AL-BARUDI
  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: 79

Özet

Mikroakışkan sistemler, kanallarının içindeki sıvıların manipüle edilmesine izin veren mikro ölçekli sistemlerdir. Birçok uygulamada kullanılabilmeleri nedeniyle birçok bilimsel alanda giderek daha fazla ilgi görmektedirler. Mikroakışkan immünosensörler, mikroakışkan sistemlerin fiyat, numune hacimleri ve zaman tüketimi açısından ekonomik olması sebebiyle hızla büyüyen bir araştırma alanıdır. Bu mikro sistemlerin içindeki sıvı akışı, sıvıların birbirine paralel hareket ettiği laminar akış olarak tanımlanabilir. Bu, sıvıdaki immünolojik moleküller arasındaki etkileşimi engellediği için algılamada bir zorluk teşkil etmektedir. Mikroakışkan sistemler, mikro karıştırıcılar gibi sıvıları manipüle edebilen bileşenleri bu sisteme entegre edebilmektedir. İki boyutlu veya üç boyutlu geometriler, üretim tekniğine, maliyete ve uygulamaya bağlı olarak mikro karıştırıcıları üretmek için kullanılabilir. Mikro ölçekte, parçacık hareketini yönlendiren temel kuvvet moleküler difüzyondur ve sıvıda asılı parçacıkların rastgele hareketi ile gerçekleştirilir. Bu mikro bileşenlerin dahil edilmesi, girdaplar ve ikincil akışlar yaratarak sıvı akışında türbülansın ortaya çıkmasına yardımcı olur. Mikroakışkan homojen immünosensörlerde, mikro karıştırıcıların entegrasyonu, immünolojik moleküller arasındaki temas alanını arttırmak, etkileşimlerini arttırmak ve reaksiyon süresini kısaltmak için uygun ve basit bir yol sunar. Mikro karıştırıcılar aktif ve pasif olarak sınıflandırılmaktadır. Aktif mikro karıştırıcılar türbülansı oluşturmak için harici bir enerji kuvvetine ihtiyaç duyarken, pasif mikro karıştırıcılar geometrik dizaynlar aracılığıyla bunu sağlar. Pasif mikro karıştırıcılarda bariyerlerin, olukların, bölünmüş ve rekombine edilmiş yapıların ve kıvrımlı yapıların kullanılması laminar sıvı akışını bozarak karıştırmayı sağlar. Mikroakışkan sistemleri üretmek için cam, silikon ve polimerler dahil olmak üzere çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Ayrıca, bu sistemler farklı teknikler kullanılarak da üretilmektedir. Sonuç olarak, malzeme ve üretim tekniğinin seçimi üretim sistemlerinin maliyetine, mevcudiyetine ve uygulamasına bağlıdır. Bu çalışmanın amacı, antijen-antikor etkileşimini artırmak için verimli iki boyutlu pasif mikro karıştırıcıların tasarlanması ve üretilmesidir. Karıştırma verimliliği, streptavidin manyetik boncukların ve biyotinlenmiş peptitlerin mikrokanal girişlerinden beslenmesiyle elde edilir. Çözelti karışımı kanalın çıkışından toplanır ve empedans ölçümleri alınır. COMSOL Multiphysics kullanılarak üç mikro karıştırıcı geometrisi tasarlanmış ve simüle edilmiştir. Mikroakışkan kanal içerisindeki karıştırmayı simüle etmek için laminar akış ve seyreltilmiş çözeltinin taşınması arayüzleri kullanılmıştır. Navier-Stokes, difüzyon ve konveksiyon denklemleri, sıvı karışımını simüle etmek için yazılım tarafından çözüldü. Her iki giriş için 0.008 m/s'lik bir giriş akış hızı ve her giriş için 0 ve 1 mol/L'lik bir molar konsantrasyon ayarlanmıştır. Çıkışta ortalama 0.5 mol/L molar konsantrasyon elde edilerek etkili karıştırma gözlemLendi. Mikroakışkan kanalların genel tasarımı iki girişten oluşmaktadır: Biri streptavidin manyetik boncuklar için diğeri biyotinlenmiş peptitler içindir, ayrıca bir mikro karıştırıcı ve bir çıkış bulunmaktadır. Streptavidin manyetik boncukların girişi için iki farklı geometri tasarlanmasının sebebi antijen-antikor etkileşimini arttırmak ve manyetik boncukların kanal içerisinde dağılımını sağlayıp dönmesini sağlamaktır. Tüm tasarımLarın kanal yüksekliği 50 mikrometredir ve genel genişlik 200 mikrometredir ve en boy oranı 0.2'dir. Genişleme-daralma ve asimetrik kare dalga olmak üzere iki karıştırma geometrisi önerilmiştir. Bu geometriler akışta türbülans oluşturarak ve temas alanını arttırarak karışmayı sağlar. Mikroakışkan sistemler iki adımda üretilmektedir. 1) Fotolitografi tekniği ile silikon kalıbın modellenmesi, 2) replika kalıplama tekniği ile PDMS mikrokanallarının üretilmesi. Silikon kalıbın oluşturulması için, mikroakışkan kanal tasarımları, fotolitografi kullanılarak 4 inçlik silikon waferlar üzerinde modellendi. Mikroakışkan tasarımları silikon wafera aktarmak için önceden sipariş edilen desenli bir asetat maskesi kullanıldı. Silikon wafer yıkandı ve hazırlandı, ardından SU-8 3050 negatif fotorezist, wafer üzerinde 50 mikrometrelik bir kalınlık elde etmek için döndürülerek kaplandı. Kaplanmış silikon wafer, 95 ˚C'de 15 dakika boyunca sıcak plaka üzerinde tutuldu. Soğutulduktan sonra, 1 mikrometreye kadar çözünürlük elde etmek için asetat maskesi doğrudan kaplanmış silikon wafer üzerine yerleştirildi ve UV ışık kaynağına (260-325 nm) SUSS Microtec (MA6/BA6) makinesi kullanlarak10 saniye boyunca maruz bırakıldı. Desenlenmiş wafer 65 ˚C'de 1 dakika ve sonrasında 95 ˚C'de 5 dakika boyunca sıcak plaka üzerinde bekletildi. Silikon wafer içerisinde SU-8 geliştiricisinin bulunduğu çözeltiye daldırıldı ve desenler net bir şekilde görünür oluncaya kadar yaklaşık 8 dakika kadar bu çözelti banyosunun içinde çalkalandı. Son olarak silikon wafer, dayanıklılığı arttırmak için 150 ˚C'de 20 dakika boyunca sıcak plaka üzerinde tutuldu. PDMS mikroakışkan kanalları replika kalıplama tekniği kullanılarak üretildi. PDMS, katılaştırma maddesi ile 10:1 ağırlık/ağırlık oranında karıştırıldı ve desikatör kullanılarak 20 dakika boyunca gaz giderme işlemi uygulandı. Daha sonra, PDMS hazırlanan silikon kalıba döküldü ve katılaşması için 90 ˚C'de 20 dakika sıcak plaka üzerinde ısıtıldı. Katılaştıktan sonra, PDMS, girişleri ve çıkışı delmek için kalıptan dikkatlice soyuldu ve bir cam yüzeyin üstüne sığacak (55 mm x 27,5 mm) şekilde tabakalar halinde kesildi. Mikrokanal girişleri ve çıkışı delindi ve PDMS, oksijen plazma bağlanması yöntemiyle bir cam substrat yüzeyine bağlandı. Plazma cihazının içerisi önce vakumLandı, ardından kapağı kapatılmadan önce 50 saniye boyunca oksijenin ortam içerisine dağılmasına izin verildi. Plazma makinesi daha sonra açıldı ve yüksek ayara getirildi. Mora yakın bir renk değişimi gözlemLendikten sonra, PDMS ve cam substratlar çıkarılıp bir araya getirilmeden önce 50 sn kadar plazmaya maruz bırakıldı. 10 mikrolitre streptavidin manyetik boncukları ve farklı konsantrasyonlarda biyotinlenmiş peptidler, PBS içinde süspanse edildi ve girişlerden farklı akış hızlarında verildi. Çözelti çıkıştan alınmadan önce iki sıvının mikro karıştırıcı içerisinde karışması sağlandı. Karıştırıldıktan sonra, manyetik boncuklar bir mıknatıs aracılığıyla karışımdan ayrıldı ve PBS içinde yeniden süspanse edildi. Streptavidin manyetik boncuklarının empedans ölçümLeri, boncukların PBS içinde süspanse edilmesi ve daha sonra bir mıknatıs kullanılarak elektrot üzerinde hareketsizleştirilmesiyle alınan karıştırmadan önce ve sonra alınmıştır. Empedans ölçümLerini gerçekleştirmek için“Metrohm”dan DropSens DRP-GIDEAU10 altın birbirine geçmiş ekran baskılı elektrotlar satın alınmıştır. İki pürüzsüz PDMS levhası arasına bir elektrot yerleştirildi, üst tabaka elektrodun algılama bölgesinin üstünde

Özet (Çeviri)

Microfluidic systems are microscale systems that allow the manipulation of fluids inside their channel. They are increasingly gaining interest in many scientific fields owing to their favorable advantages as they can be utilized for many applications. Microfluidic immunosensors are a fast-growing research field, due to the economic nature of microfluidic systems in price, sample volumes, and consumption of time. The fluid flow inside these microsystems can be described as laminar, where the fluid sheets move in parallel to each other. This poses a challenge in microfluidic immunosensing as it hinders the interaction between species in the fluid. In this study, micromixers were designed and fabricated to enhance the interaction between the immunological species. Several micromixers were designed and simulated using COMSOL Multiphysics software and the three geometries that showed the best mixing were then fabricated. The microfluidic designs were etched on a 3-inch silicon wafer using the photolithography technique and PDMS was subsequently patterned using replica molding techniques and bonded on a glass substrate using the Oxygen plasma bonding method. Interdigitated screen-printed electrodes were purchased and used to carry out electrochemical measurements to assess the binding between the infused species. Streptavidin magnetic beads and biotinylated peptide were suspended in PBS and infused through the two inlets of the microfluidic channel at multiple flow rates. The two species were allowed to mix inside the microfluidic micromixer before being collected from the outlet. A constant concentration of streptavidin magnetic beads was chosen to mix with different concentrations of the biotinylated peptide at a time. The bound magnetic beads were then immobilized on the surface of the screen-printed electrode using a magnet and impedance measurements were taken. Preliminary results indicate that the fabricated micromixers were able to induce turbulence in the laminar flow and enhance mixing.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    894515

    Design and simulation of micromixers for efficient antigen-antibody binding

    Verimli antijen-antikor bağlanması için mikrokarıştırıcıların tasarımı ve simülasyonu

    SİMGE NAZ ERTEMÜR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL

  2. Tez No

    181997

    Design and realization of a microassembly workstation

    Mikromontaj iş istasyonu tasarımı ve üretümi

    EMRAH DENİZ KUNT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASİF SABANOVİC

  3. Tez No

    658422

    Fluid mixing efficiency enhancement in microchannels having spiral elliptic and curved structures with various baffle geometries

    Spiral eliptik ve farklı engel geometrilerine sahip kavisli mikro kanallarda akışkan karıştırma verimliliğinin artırımı

    RANA ALTAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ KOŞAR

  4. Tez No

    485301

    Isı yalıtımı uygulamaları için cam nanolif üretimi ve karakterizasyonu

    Fabrication and characterization of glass nanofibers for thermal insulation applications

    AHSEN ÜNAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SADRİYE OSKAY

  5. Tez No

    420615

    Design of micromixer for precision milled microfluidic systems

    Hassas frezeleme mikroakıskanlar sıvı sistemleri için mikro karıştırıcı tasarımı

    ALİ ALFAKHERI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine MühendisliğiÇankaya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Assist. Prof. Dr. ENDER YILDIRIM

Geri Dön