Digital microfluidics for biomedical applications
Biyomedikal uygulamalar için dijital mikroakişkanlar
- Tez No: 995052
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. FATİH İNCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Bilim ve Teknoloji, Biotechnology, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Tedavi noktası (TN) tanı teknolojileri, gelişmiş laboratuvar altyapısına olan bağımlılığı ortadan kaldırarak merkezi olmayan testleri mümkün kılmayı ve küresel sağlık eşitsizliklerini azaltmayı amaçlamaktadır. Kaydedilen önemli ilerlemelere rağmen, birçok TN sistemi büyük ölçüde akademik araştırma ortamlarıyla sınırlı kalmakta ve bu durum klinik ve toplumsal etkilerini kısıtlamaktadır. Yalıtkan-üzerinde-elektroıslatma (YÜE) ilkesine dayanan programlanabilir bir mikroakışkan yaklaşım olan dijital mikroakışkanlar (DMA), ayrık damlacıkların iki boyutta kontrollü olarak manipülasyonunu mümkün kılar ve geleneksel sürekli akış mikroakışkan platformlara kıyasla esneklik, yeniden yapılandırılabilirlik ve fonksiyonel entegrasyon açısından önemli avantajlar sunar. Bu özellikler DMA'yı TN uygulamaları için umut verici bir teknolojik temel haline getirmektedir. Bu tezin ilk bölümünde, ticari olarak temin edilebilen bir DMA platformu olan OpenDrop'un TN ile ilişkili biyomedikal uygulamalardaki yetenekleri sistematik olarak incelenmektedir. Platform; hücredışı vezikül izolasyonu, enzim bağlı immünosorbent testler (ELISA) amacıyla kullanılmaktadır. Ayrıca OpenDrop, DMF cihazları üzerinde damlacık tespiti ve sınıflandırması için geliştirilen, bir U-Net tabanlı, bilgisayarlı görüntü tanıma çerçevesinin uygulanabilirliğini değerlendirmek üzere görüntü tabanlı veri setlerinin hızlı bir şekilde oluşturulmasında kullanılmaktadır. Bu gösterimlerin üzerine inşa edilerek, tezin ikinci bölümünde“Markut”olarak adlandırılan özel bir DMA platformunun tasarımı, karakterizasyonu ve üretimi ele alınmaktadır. Bu geliştirme süreci; YÜE optimizasyonuna yön vermek amacıyla Young–Lippmann denkleminin hesaplamalı analizini, dielektrik malzemelerin performansını değerlendirmek için hem hava hem de yağ ortamında yürütülen sistematik elektroıslatma deneylerini ve elde edilen sonuçlara dayalı olarak işlevsel bir cihaz mimarisinin gerçekleştirilmesini kapsamaktadır. Moleküler tanı uygulamalarını desteklemek amacıyla, döngü aracılı izotermal çoğaltma (LAMP) analizlerinin yürütülmesine olanak sağlayan bir sıcaklık kontrol modülü entegre edilmiştir. Ayrıca, pozitif ve negatif LAMP sonuçlarının güvenilir biçimde ayırt edilebilmesi için bilgisayarlı görü tabanlı kolorimetrik analiz ve elektriksel empedans ölçümleri sisteme dahil edilmiştir. Sonuç olarak bu tez, hem ticari olarak temin edilebilen hem de özel olarak geliştirilen DMA platformlarının TN ile ilişkili biyomedikal uygulamalar açısından uygulanabilirliğini ve çok yönlülüğünü ortaya koymaktadır. Sunulan bulgular, DMA'nın laboratuvar araştırmalarından pratik ve gerçek dünya uygulamalarına doğru mikroakışkan tanı sistemlerinin taşınmasını kolaylaştırma potansiyeline sahip, sağlam ve ölçeklenebilir bir teknoloji olduğunu vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
Point-of-care (PoC) diagnostic technologies aim to reduce global healthcare disparities by enabling decentralized testing without reliance on advanced laboratory infrastructure. Despite significant progress, many PoC systems remain largely confined to academic research settings, limiting their clinical and societal impact. Digital microfluidics (DMF), a programmable microfluidic approach based on electrowetting-on-dielectric (EWOD), enables the two dimensional controlled manipulation of discrete droplets and offers substantial advantages in flexibility, reconfigurability, and functional integration over conventional continuous-flow microfluidic platforms. These characteristics make DMF a promising technological foundation for PoC diagnostics. In the first part of this thesis, the capabilities of a commercially available DMF platform, OpenDrop, are explored for biomedical applications relevant to PoC testing. The platform is employed to perform extracellular vesicle isolation, enzyme-linked immunosorbent assays. In addition, OpenDrop is used to rapidly generate image-based datasets to evaluate the feasibility of applying an in-house, U-Net-based, computer vision framework for droplet detection and classification on DMF devices. Building upon these demonstrations, the second part of this thesis focuses on the design, characterization, and fabrication of a custom DMF platform, designated“Markut.”This development includes computational analysis of the Young–Lippmann equation to guide EWOD optimization, systematic electrowetting experiments conducted in both air and oil to assess dielectric material performance, and the realization of a functional device architecture informed by these results. To support molecular diagnostic applications, a temperature control module is integrated to enable loop-mediated isothermal amplification (LAMP) assays. Furthermore, computer vision–based colorimetric analysis and electrical impedance measurements are incorporated to reliably distinguish between positive and negative LAMP outcomes. Overall, this thesis demonstrates the feasibility and versatility of both commercially available and custom-built DMF platforms for PoC-relevant biomedical applications. The presented results highlight DMF as a robust and scalable technology with strong potential to facilitate the translation of microfluidic diagnostics from laboratory research toward practical, real-world deployment.
Benzer Tezler
- Design and simulation of a microfluidic biochip for optic detection with derivatized microbeads and the biochemistry of learning
Türevlendirilmiş mikro küreler ile optik biyosensörü ve öğrenme biyokimyası için mikroakışkan biyoçipin tasarımı ve sımülasyonu
TUĞÇE TÜYSÜZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ALPTÜRK
DOÇ. DR. YILDIZ ULUDAĞ
- Investigation of the effects of tube geometry in the microfludic device used to generate nanospheres
Nano küreslerin üretilmesinde kullanılan mikro akışkan cihazda tüp geometri etkilerinin incelenmesi
AUSSAMA SINAN JASIM JAMIL AL HAMADANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NECİP FAZIL YILMAZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSRAFİL KÜÇÜK
- Droplet Microfluidics for DNA-Based Assays
DNA Bazlı Tahliller için Damlacık Mikroakışkanları
YUNUS ASLAN
Doktora
İngilizce
2024
BiyomühendislikThe Unıversıty Of GlasgowBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. JONATHAN COOPER
- AI-Augmented 3dp microfluidic bio-reaction system for point-of-care detection of mpox via LAMP-on-a-chip
Maymun çiçeği hastalığını bakım noktasında teşhisi amacıyla 3B mikroakışkan sistemin geliştirilmesi
MEHMET TUĞRUL BİRTEK
Doktora
İngilizce
2025
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAVAŞ TAŞOĞLU
- Investigation of the interfacial instability between a Newtonian fluid and a polymeric fluid under the influence of an electric field for microfluidics applications
Mikroakışkan uygulamaları için Newtonyen bir akışkan ile polimerik bir akışkanın arayüzey kararsızlığının elektrik alanı etkisinde incelenmesi
GÜLSÜM ERSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. KEREM UĞUZ