Geri Dön

Development of a thermoplastic microfluidic cartridge that allows 3-dimensional cell culture for investigating the drug response of tumor cells

Tümör hücrelerinin ilaca yanıtının araştırılması için 3 boyutlu hücre kültürüne izin veren termoplastik mikroakışkan kartuş geliştirilmesi

  1. Tez No: 958862
  2. Yazar: ÖZLEM KOÇOĞLU
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 89

Özet

Kanser, dünya genelinde ölüm oranlarının en yüksek olduğu hastalık gruplarından biridir ve hastalığın biyolojik yapısının karmaşıklığı, tedaviye verilen yanıtların öngörülemezliği ve tümör mikroçevresinin dinamik yapısı, etkili tedavi stratejilerinin geliştirilmesini zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, kanser biyolojisinin daha iyi anlaşılabilmesi ve yeni tedavi stratejilerinin geliştirilebilmesi için güvenilir in vitro model sistemlerine olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu bağlamda hücre kültürü sistemleri, kanser araştırmalarında hücresel yanıtları değerlendirmek ve ilaç taramalarını gerçekleştirmek için yaygın olarak kullanılan temel platformlardır. Hücre kültürü yaklaşımları genellikle iki ana gruba ayrılır: iki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) sistemler. 2B hücre kültürleri, kolay uygulanabilirlikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle yaygın olarak tercih edilse de, hücrelerin doğal yaşam ortamlarını yeterince temsil edememektedir. Düzlemsel yapıları nedeniyle hücre-hücre ve hücre-matriks etkileşimleri sınırlı kalmakta, bu da in vivo ortamın biyolojik olarak doğru şekilde taklit edilememesine yol açmaktadır. Buna karşın, hücrelerin doğal olarak üç boyutlu bir mikroçevrede yaşamlarını sürdürdüğü göz önünde bulundurulduğunda, 3B kültür sistemleri daha gerçekçi fizyolojik koşullar sunarak in vitro çalışmalarda daha güvenilir veriler sağlamaktadır. 3B hücre kültürü sistemlerinden biri olan mikroakışkan platformlar, hücrelerin kontrollü bir ortamda üç boyutlu olarak kültürlenmesini sağlamakta ve doku benzeri mikroortamların oluşturulmasına olanak tanımaktadır. Bu sistemler, düşük hacim gereksinimi, kontrollü sıvı aktarımı, gerçek zamanlı görüntüleme imkanı ve hassas mikroçevre kontrolü gibi avantajlarıyla son yıllarda önemli bir araştırma aracı haline gelmiştir. Mikroakışkan platformların performansı; tasarım, üretim ve malzeme seçimi gibi çok sayıda parametreye bağlıdır. Bu nedenle sistemlerin başarılı bir şekilde çalışabilmesi için malzeme seçimi, mikroyapı tasarımı, üretim tekniği, yüzey modifikasyonu, yapıştırma (bonding) yöntemi, sterilizasyon protokolleri ve biyolojik bileşenlerin seçimi gibi pek çok faktör dikkatle optimize edilmelidir. Bu bağlamda, mikroakışkan sistemlerde hücrelerin fizyolojik davranışlarını sürdürebilmeleri için doğal mikroçevrelerine benzer bir yapı olan ekstraselüler matriksin (ECM) taklit edilmesi büyük önem taşır. ECM, hücre yapışması, göçü, proliferasyonu ve farklılaşması gibi süreçleri düzenleyen kompleks bir protein ve polisakkarit ağıdır. Mikroakışkan sistemlerde ECM ortamının oluşturulmasında genellikle iki yaklaşım benimsenmektedir: iskele (scaffold) tabanlı sistemler ve sferoidler veya organoidler gibi iskele içermeyen sistemler. Bu çalışmada iskele tabanlı bir yaklaşım benimsenmiş ve kolajen tip I içeren bir hidrojel ECM benzeri ortam olarak tercih edilmiştir. Hidrojel sistemleri, su tutma kapasiteleri, geçirgenlikleri ve ayarlanabilir mekanik özellikleri ile mikroakışkan ortamlarda hücre kültürü için oldukça uygundur. Doğal kökenli (kolajen, fibrin, Matrigel) ya da sentetik (PEG, PEGDA, PVA) hidrojel çeşitleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tezde, biyolojik uyumluluğu ve ECM'e yapısal benzerliği nedeniyle kolajen tip I tercih edilmiştir. Kolajen, fizyolojik koşullarda kendiliğinden lifli yapı oluşturabilme özelliği sayesinde hücrelerin üç boyutlu morfolojisini koruyarak kültürlenmesine olanak tanır. Lif yoğunluğu, porozite ve sertlik gibi özellikler kolajen konsantrasyonu ve çapraz bağlayıcılar yardımıyla kolaylıkla ayarlanabilir. Böylece farklı hücre tiplerine ve deneysel gereksinimlere uygun mikroortamlar oluşturulabilir. Bu bağlamda literatürde çeşitli mikroakışkan çalışmaları mevcuttur. Bu tez kapsamında, tümör hücrelerinin kemoterapötik ajanlara verdiği yanıtı değerlendirebilmek amacıyla üç boyutlu bir mikroakışkan kartuş sistemi tasarlanmış, üretilmiş ve hücre testleri gerçekleştirilmiştir. Malzeme olarak, biyouyumluluğu, optik şeffaflığı, çözücülere ve mekanik zorlanmalara karşı dayanıklılığı, ısıya direnç göstermesi, ölçeklenebilir olması ve seri üretime uygunluğu gibi özelliklerinden dolayı termoplastik bir malzeme olan polimetil metakrilat (PMMA) tercih edilmiştir. PDMS, esnekliği ve gaz geçirgenliği gibi avantajlarına rağmen, organik çözücülere karşı dayanıksızlığı, zamanla bozulan yüzey özellikleri ve düşük mekanik stabilitesi nedeniyle sınırlı bir kullanım alanına sahiptir. Buna karşın, PMMA gibi termoplastikler kimyasal direnç, mekanik dayanıklılık ve uzun vadeli stabilite açısından üstün performans gösterir. Ayrıca, endüstriyel üretim hatlarına entegre edilebilirlikleri, prototipten ürün aşamasına geçişte önemli bir avantaj sağlar. Tez çalışmasının ilk bölümünde, PMMA yüzeyinde mikroyapıların oluşturulması için CNC mikrofrezeleme (micromilling) ve sıcak baskı (hot embossing) yöntemleri uygulanmıştır. Micromilling, tasarım değişikliklerinin hızlı bir şekilde yapılabilmesine olanak tanıdığı için prototipleme sürecinde avantaj sağlamıştır. Hot embossing yöntemi ise, daha yüksek tekrarlanabilirlik ve hızlı üretim kapasitesi sunarak, referans bir kalıp yardımıyla PMMA üzerinde mikrokanal yapılarını hassas şekilde oluşturmuştur. Kullanılan hot embossing cihazı, hem bu mikroyapıların oluşturulmasında hem de termal bağlama sürecinde aktif olarak kullanılmıştır. İkinci aşamada, mikrokanal yapılarına sahip üst ve alt PMMA tabakalarının kalıcı birleştirilmesi için çözücü bağlama ve buhar destekli termal bağlama (vapor-assisted thermal bonding) yöntemleri uygulanmıştır. Genel olarak, termoplastik malzemelerde bağlama işlemleri; çözücü bağlama, termal bağlama, yapıştırıcı (adhesive) bağlama ve ultrasonik bağlama yöntemleriyle gerçekleştirilir. Bu tez çalışmasında çözücü bağlama yöntemi, Hildebrand çözünürlük parametrelerine uygun olarak hazırlanmış \%80 izopropil alkol ve \%20 aseton karışımı kullanılarak yapılmıştır. Bu çözücü karışımı, yüzeyi kontrollü bir şekilde şişirerek iki PMMA tabakasının güçlü şekilde bağlanmasını sağlamıştır. Termal bağlama sürecinde ise kloroform buharı kullanılmış, bu sayede yüzey aktivasyonu sağlanarak yüksek sıcaklık ve basınç altında yapıştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Kloroformun sıvı formda uygulanması mikrokanallarda deformasyona yol açabileceğinden, bu çalışmada kloroform buharı tercih edilmiştir. Tasarım süreci AutoCAD yazılımı ile yürütülmüş, kanal ve groove (oluk) yapılarına ait boyutlar optimize edilmiştir. Kanal yüksekliği 150 µm, yan kanalların yüksekliği 400 µm, groove yüksekliği ise orta kanal ile uyumlu şekilde belirlenerek yan kanal geometrisine eşitlenmiştir. Başlangıçta groove çapı 1200 µm olarak belirlenmiş, ancak orta kanalda kolajen dolumunu sınırlandırdığı için 600 µm'ye düşürülmüştür. Farklı boyutlardaki groove yapılarına yönelik optimizasyon çalışmaları yapılmış, ayrıca özel kağıtlarla kapiler yönlendirme ile sıvıların kontrollü dağılımı sağlanmaya çalışılmıştır. Kanal geometrisinin optimize edilmesinde, araştırma grubunun daha önce PDMS tabanlı sistemlerde gerçekleştirdiği hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri de referans alınmıştır. Hücre kültürü aşamasında, mide kanseri (SNU-484) ve meme kanseri (MCF-7) hücre hatları kullanılmıştır. Hücreler, groove yapılarla bağlantılı olan yan kanallardan sisteme yüklenmiş, karşı kanala ise kemoterapötik ajanlar uygulanmıştır. Orta kanalda yer alan kolajen tip I içeren hidrojel, hücrelerin üç boyutlu olarak kültürlenmesine olanak tanımıştır. Mikrosütun (micropillar), mikrokuyu (microwell) ve mikroodacık (microchamber) yapılı sistemler, hücrelerin yönlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan yapılardır. Ancak, groove yapılarında olduğu gibi bazı mikrogeometrilerde hücrelerin yapılar içerisine pasif olarak yerleşmesi zorlaşabilmektedir. Bu nedenle, hücrelerin groove yapılarına daha verimli bir şekilde yerleşebilmesi amacıyla santrifüj kuvveti uygulanmıştır. Geleneksel santrifüj cihazlarının yerine, daha düşük ve ayarlanabilir kuvvetler sunan spin coater cihazı kullanılmıştır. Bu cihaz sayesinde hem kolajen yapısı bozulmamış hem de hücre morfolojisi korunarak başarılı bir yerleşim sağlanmıştır. MCF-7 hücreleri ile yapılan çalışmalarda, sadece süspansiyon halindeki hücreler değil, aynı zamanda önceden hazırlanmış çok hücreli sferoid yapılar da groove bölgelerine yerleştirilmiştir. Bu sayede hem tek hücre hem de çok hücreli sferoid formlar ile deneyler gerçekleştirilmiş, ilaçların farklı morfolojilere sahip hücre toplulukları üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Deneysel aşamada, 5-fluorourasil (5-FU) ve docetaxel gibi kemoterapötik ajanlar uygulanmıştır. Hücre canlılığı, LIVE/DEAD boyama, Calcein, phalloidin ve vimentin gibi floresan etiketlemelerle konfokal mikroskopi altında görüntülenmiştir. İlaçların etkisi, hem morfolojik değişikliklerle hem de canlı hücre yoğunluğundaki farklılıklarla değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, geliştirilen PMMA tabanlı 3 boyutlu mikroakışkan kartuşun, kanser türlerine özgü kişiselleştirilmiş ilaç taramalarında etkili bir in vitro model sistemi olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Bu sistem, hem araştırma laboratuvarlarında hem de kanser merkezlerinde maliyet etkin bir model sunmakta, ayrıca ileri düzey ilaç geliştirme çalışmalarında ve translasyonel araştırmalarda güçlü bir araç olarak öne çıkmaktadır.

Özet (Çeviri)

Two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) cell culture systems play a significant role in cancer research. Among these, 2D cell culture methods are preferred due to their simplicity and widespread use. However, their planar structure fails to realistically mimic the in vivo environment. In contrast, since cells naturally reside in three-dimensional structures, 3D systems provide a more suitable environment for replicating physiological conditions. Among 3D cell culture systems, microfluidic platforms have gained considerable importance in recent years for mimicking in vivo conditions in vitro. These systems can possess features such as optical transparency, biocompatibility, gas permeability, hydrophilicity, and mechanical robustness. To ensure the desired environment is achieved, various factors—such as system design, material selection, fabrication method, bonding technique, surface treatments applied during fabrication, and sterilization procedures prior to cell experiments—play a critical role. These platforms are typically fabricated from polydimethylsiloxane (PDMS) or thermoplastic materials. Since each material has its own advantages, the selection should be made based on the specific requirements of the study. In this thesis, a three-dimensional microfluidic platform was fabricated and tested for investigating tumor cell–drug interactions. Polymethyl methacrylate (PMMA), a thermoplastic material, was selected due to its biocompatibility, optical clarity, resistance to solvents and mechanical stress, thermal stability, scalability, suitability for mass production, and accessibility. The first part of the study focused on the fabrication of microstructures on PMMA using CNC micromilling and hot embossing techniques, along with the experimental procedures and optimization of these methods. The second part addressed the bonding of layers to construct the 3D microfluidic cartridge. In this context, two different bonding approaches—solvent bonding and vapor-assisted thermal bonding—were explored and comparatively analyzed. The microstructure design was inspired by a previous study conducted by our research group. However, in this thesis, various modifications and improvements were made to adapt the design to thermoplastic materials and corresponding fabrication methods, covering all stages from design changes to fabrication and bonding. These improvements are presented in detail throughout the thesis. The final 3D PMMA microfluidic cartridge was used to conduct drug response experiments with gastric cancer (SNU-484) and breast cancer (MCF-7) cell lines. The findings indicate that the developed system offers a promising in vitro platform for personalized drug testing specific to the cancer types studied.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    682251

    Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter

    Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi

    MERVE GÜLLE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN

  2. Tez No

    693968

    Development of microfluidic platforms for therapeutic purposes

    Mikroakışkan platformların terapötik amaçlı geliştirilmesi

    ELİF GENÇTÜRK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞEFİKA KUTLU ÜLGEN

  3. Tez No

    860894

    Beşinci metakarpal kırıklarının tedavisi için yeni bir yaklaşım geliştirilmesi

    Development of a new approach for the treatment of fifth metacarpal fractures

    LÜTFİYE CAYMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikSakarya Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN İYİBİLGİN

    DOÇ. DR. LEVENT BAYAM

  4. Tez No

    845930

    Yüksek sıcaklık dayanımlı, termal iletkenliği yüksek karbon fiber ve grafit takviyeli kompozit malzemelerden bir ısı değiştiricisi geliştirilmesi ve ısıl performansının tespiti

    Development and thermal performance of a heat exchanger from high temperature resistant, high thermal conductive carbon fiber and graphite reinforced composite materials'

    ABDULLAH BAHLEKEH

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    EnerjiEge Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. LÜTFİYE ALTAY

    DOÇ. DR. MEHMET SARIKANAT

  5. Tez No

    901405

    Development of H-BN and CNT reinforced polymer composites for electronic warfare receivers and transmitters: Examination of thermal performance

    Elektronik harp almaç ve göndermeç kasaları için H-BN ve CNT takviyeli polimer kompozit malzeme geliştirilmesi: Isıl performansın incelenmesi

    GÜRCAN CENGİZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ

Geri Dön