A novel acoustofluidic platform for enhanced microstreaming and chaotic flow in single-phase and droplet microfluidics
Tek fazli ve damlacik mikroakişkan sistemlerde gelişmiş mikroakiş ve kaotik akiş için yenilikçi akustoakişkan platform
- Tez No: 979340
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. BÜLEND ORTAÇ, DOÇ. DR. GÜRKAN YEŞİLÖZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Biyomühendislik, Bilim ve Teknoloji, Engineering Sciences, Bioengineering, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanoteknoloji ve Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Mikroakışkan teknolojisi, küçük hacimlerdeki sıvılar üzerinde hassas kontrol imkânı sunarak biyomedikal ve kimyasal araştırmalarda hızlı karıştırma, partikül manipülasyonu ve reaktif tasarrufu gibi önemli avantajlar sağlamaktadır. Ancak, bu ölçeklerde baskın olan laminer akış rejimi nedeniyle mikrokanallar içinde verimli karıştırma ve ayarlanabilir reaksiyon koşullarının elde edilmesi hâlâ önemli bir zorluktur. Bu sınırlamaları aşmak için, sıvı ve partikülleri akustik kuvvetlerle yönlendiren yeni bir alan olan akustoakışkan teknolojisi, mikroskobik ölçekte temassız ve güçlü bir kontrol yöntemi sunarak gelişmiş karıştırma, sentez ve analiz uygulamalarına olanak sağlamaktadır. Bu tez, liposom sentezi, akış kontrolü ve partikül bazlı analizler gibi çeşitli biyolojik ve kimyasal uygulamalara yönelik yenilikçi akustoakışkan platformların geliştirilmesini sunmaktadır. İlk çalışmada, keskin kenarlı akustoakışkan bir mikrokariştırıcı kullanılarak yüksek verimliliğe sahip bir liposom sentez yöntemi gösterilmiştir. Sulu faza gliserol eklenmesiyle liposom boyutları hassas şekilde kontrol edilebilmiş, gliserol yüzdesi ayarlanarak boyutu değiştirilebilen liposomlar elde edilmiş ve dağılım tekdüzeliği iyileştirilmiştir. İkinci çalışmada, titreşen ince elastik bir membran ile titreşen, hapsolmuş hava kabarcıklarını birleştirerek gelişmiş akustik akış oluşturabilen yenilikçi bir akustoakışkan platform geliştirilmiştir. Cihazın çalışma prensibi ve karıştırma mekanizması hem sayısal simülasyonlarla hem de deneysel olarak incelenmiş, simülasyonlar yapısal parametrelerin optimizasyonuna ve iç akış desenlerinin tahminine rehberlik etmiştir. Cihaz, hem sulu hem de viskoz çözeltiler için saatte 8000 mikrolitreye kadar akış hızlarında olağanüstü karıştırma performansı sergilemiş; hem çözücü bazlı hem de çözücüsüz yöntemlerle yüksek verimde tekdüze lipid nanoparçacıkları üretmiştir. Bu yüksek karıştırma verimliliği, nanoparçacıkların topaklanmasını da engellemiş ve platformu tekdüze liposom sentezi için benzersiz kılmıştır. Kanıt olarak, fosfolipid türü ve konsantrasyonu, akış hızı ve gliserol içeriğinin etkileri sistematik olarak incelenmiş; reaktiflere yalnızca \%75 gliserol eklenerek liposom boyutlarının yaklaşık 900 nm'den 40 nm'ye düşürülebildiği gösterilmiştir. Kolay üretim ve kullanım, hızlı karıştırma ve yoğun türbülans özellikleriyle bu cihaz, nanoparçacık ve lipid nanoparçacık üretimi için hassas kontrol imkânı sunan çok yönlü ve vazgeçilmez bir akustoakışkan araç olarak öne çıkmaktadır. Son çalışmada, tek fazlı ve damlacık bazlı (çok fazlı) mikroakışkan sistemlerde kaotik karışımı indüklemek için kontrollü akustik uyarım döngülerini kullanan darbeli bir akustoakışkan platform tanıtılmıştır. Akustik darbelerin frekans ve sürelerinin ayarlanmasıyla, laminer ve kaotik rejimler arasında dinamik akış modülasyonu sağlanmış; böylece tek fazlı ve çok fazlı mikroakışkanlarda yüksek hızlı karışım, damlacık homojenleştirme ve milisaniye ölçeğinde hassas partikül manipülasyonu mümkün olmuştur. Akış kontrolünün ötesinde, bu platform, darbeli uyarımın bağlanma kinetiğini belirgin şekilde artırdığı Rose Bengal–BSA bağlanma testinde kullanılmıştır. Ayrıca, MCF-7 hücreleri ile yapılan canlılık analizi, geliştirilen sistemin biyolojik örneklerle uyumluluğunu doğrulamıştır. Sonuç olarak, bu platformlar, nanoparçacık sentezi, biyokimyasal işleme ve damlacık bazlı manipülasyon gibi ileri mikroskobik uygulamalar için ölçeklenebilir, ayarlanabilir ve biyouyumlu çözümler sunan çok yönlü ve uyarlanabilir akustoakışkan sistemler ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Microfluidics has transformed the landscape of biomedical and chemical research by enabling precise control over small fluid volumes, facilitating rapid mixing, particle manipulation, and reagent economy in lab-on-a-chip systems. However, achieving efficient mixing and tunable reaction conditions within microchannels remains a persistent challenge due to the laminar flow regime that dominates at these scales. To overcome these limitations, acoustofluidics—an emerging field that harnesses acoustic forces to manipulate fluids and particles—offers a powerful, contactless strategy for enhancing microscale operations. This thesis presents the development of novel acoustofluidic platforms tailored for diverse biological and chemical applications, with an emphasis on liposome synthesis, flow control, and particle-based assays. In the first study, a high-efficiency liposome synthesis method is demonstrated using a sharp-edged acoustofluidic micromixer. By introducing glycerol into the aqueous phase, the size of liposomes can be precisely controlled, and by adjusting the glycerol percentage, size-tunable vesicles with improved dispersity are obtained. In the second study, a novel acoustofluidic platform is developed that combines an oscillating thin elastic membrane with vibrating trapped air bubbles to generate enhanced acoustic streaming. The working principle and mixing mechanism are examined both numerically and experimentally, with simulations guiding the optimization of structural parameters and predicting internal flow patterns. The device achieves exceptional mixing performance for both aqueous and viscous solutions at flow rates up to 8000~$\mu$L/h, enabling high-throughput production of monodisperse lipid nanoparticles using both solvent-based and solvent-free methods. This high mixing efficiency also prevents nanoparticle aggregation, making the platform uniquely suited for synthesizing monodisperse liposomes. As a proof of concept, the effects of phospholipid type and concentration, flow rate, and glycerol content are systematically investigated, revealing a dramatic reduction in liposome size—from approximately 900 nm to 40 nm—by simply introducing 75\% glycerol into the reagents. The simplicity of fabrication and operation, combined with rapid mixing and intense agitation, positions this device as a versatile and indispensable acoustofluidic tool for nanoparticle and lipid nanoparticle production, offering fine control over synthesis outcomes. In the final study, a pulsatile acoustofluidic platform is introduced to induce chaotic advection in both single-phase and droplet-based (multiphase) microfluidic systems via controlled acoustic excitation cycles. By tuning the frequency and duration of acoustic pulses, dynamic flow modulation is achieved, transitioning between laminar and chaotic regimes. This enhances mixing efficiency, droplet homogenization, and particle manipulation within confined microscale volumes. Beyond flow control, the platform is applied to a fluorescence-based protein–drug binding assay (RB–BSA interaction), where pulsatile actuation markedly improves binding kinetics. Cell viability analysis using MCF-7 cells further confirms the system's compatibility with biological samples. Together, these platforms demonstrate the versatility and adaptability of acoustofluidic systems for advanced microscale applications, offering scalable, tunable, and biocompatible solutions for nanoparticle synthesis, biochemical processing, and droplet-based manipulation.
Benzer Tezler
- A novel enantioselective synthesis of alfa-thienyl alkyl amines
Alfa-tiyenilalkilaminlerin enantiyoseçici sentezlerinde yeni yöntem
NEZİRE İBRAHİMZADE
Yüksek Lisans
İngilizce
1992
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYHAN SITKI DEMİR
- A Novel synthesis of substituted 2H-pyron-2-one derivaties
2H-pyron-2-one türevlerinin sentezi
REZZAN KARAASLAN (ÜRKMEZ)
- Novel filters for sigma-delta A/D conversion
Sigma-delta A/D çeviriciler için yeni filtreler.
A. ERTUĞRUL KOLAĞASIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiDOÇ. DR. MEHMET ALİ TAN
- A novel enantioselective synthesis of furyl azidirines as alfa-amino acid precursor
Furiyil azidirinlerin enantiyo seçici sentezlerinde yeni yöntem
KENAN AYDOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
1993
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYHAN SITKI DEMİR