Droplet Microfluidics for DNA-Based Assays
DNA Bazlı Tahliller için Damlacık Mikroakışkanları
- Tez No: 936855
- Danışmanlar: PROF. DR. JONATHAN COOPER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Bilim ve Teknoloji, Bioengineering, Biotechnology, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Biyoçip, DNA analizi, Mikroçipler, Biochip, DNA analysis, Microchip
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: The Unıversıty Of Glasgow
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Mikroakışkanlık cihazlarındaki damlacıkların davranışına yönelik araştırmalar, farklı geometrilere ve çeşitli manipülasyon tekniklerine sahip mikroakışkan sistemler kullanılarak yeni emülsiyon oluşturma yöntemlerinin geliştirilmesine olanak tanımış ve damlacıklar üzerinde kesin kontrol sağlamıştır. Bu teknikler, kısmen emülsiyonların faydalarının anlaşılması nedeniyle son on yılda hızla ilerlemiştir. Bunlara, küçük örnek hacimleri, azaltılmış analiz süreleri, yüksek verimli analitik formatlarda kullanılması, gelişmiş hassasiyet ve gelişmiş operasyonel esneklik sağlaması dahildir. Örneğin, damlacık tabanlı sistemlerin (damlacık oluşturma ve manipülasyon) hücresiz protein ekspresyonu veya rekombinaz polimeraz testi gibi DNA tabanlı testlerle bütünleştirilmesi, ümit verici sonuçlar göstermiştir. Ancak, protokollerin karmaşıklığı, üretim ve test geliştirme sırasında karşılaşılan sorunlar (ör. reaksiyon zamanlaması ve emülsiyon stabilitesi) dahil olmak üzere birkaç zorluk hala çözülememiştir. Damlacık teknolojisi bu zorlukların üstesinden gelmek için büyük bir potansiyele sahiptir ve çeşitli araştırma alanlarında (örneğin tanı, dizileme, terapötik bileşikler, enzim mühendisliği ve hücre modelleri) ilerlemelerin önünü açan yeni DNA tabanlı testler geliştirmek için heyecan verici olasılıklar ve fırsatlar sunar. Bu tez, izotermal dijital rekombinasyon polimeraz amplifikasyonu (RPA) testi ve hücresiz protein ekspresyonunun geliştirilmesi için hem pasif hem de aktif yöntemler kullanılarak emülsiyonların oluşturulmasını ve manipüle edilmesini araştırır. Mevcut çalışma, oluk(lar) destekli pasif birleşme, elektriksel/akustik birleşme, çoklu emülsiyon oluşturma yöntemi ve çoklu emülsiyonların elektriksel salınımı dahil olmak üzere çeşitli yeni damlacık tabanlı mikroakışkan sistemleri göstermektedir. Ayrıntılı olarak, birçok biyokimyasal testte (örneğin hücresiz protein sentezi) bir gereklilik, birleştirme sonrası damlacıkların toplanması ve reaksiyonun dakikalardan saatlere kadar ilerlemesinin izlenmesidir. Ancak, birleşmelerde karşılaşılan zorluklardan biri, her ikisi de doğrudan yüzey aktif madde konsantrasyonuna bağlı olan birleştirme verimliliği ve damlacık kararlılığı arasındaki içsel dengedir. Yüksek yüzey aktif madde konsantrasyonu varlığında damlacık çiftlerinin birleştirme verimliliğini artırmak ve birleştirmeden sonra damlacık stabilitelerini artırmak için pasif oluk(lar) yapıları aracılığıyla damlacık birleştirmenin yeni bir konsepti incelenmiştir. Çalışma, damlacıkların başlangıç konsantrasyonlarına bağlı olarak birleştirilebileceğini ve yerinde çift oluşturma stratejileri ve olukların diziliş biçiminde belirli bir süre sabit kalabileceğini göstermiştir. Sunulan platform, hücresiz protein ekspresyon reaksiyonlarını başarıyla gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Ayrıca, RPA, hızlı, basit ve hassas tespit analizlerinin geliştirilmesinde polimeraz zincir reaksiyonuna (PCR) bir alternatif olarak hizmet eden çok yönlü bir izotermal amplifikasyon yöntemidir. Bu avantajlara rağmen, RPA başlatılması sıcak bir başlatma ile düzenlenemez ve bu sınırlama, damlacıklar mikroakışkan kanallar içindeki ayrı bölmelere bölünmeden önce yanlış pozitif sonuçlara yol açabilir. Bu sınırlamayı gidermek için, analizin kantifikasyon hatalarını ortadan kaldırmak amacıyla RPA reaksiyonlarının reaksiyon başlatılmasını kontrol etmek için aktif birleşmeler (elektrikli veya akustik aktüasyon kullanılarak) geliştirilmiştir. Geliştirilen iki alternatif birleşme, analizin reaksiyon başlatılmasını kontrol etmek için damlacıkları tek tek birleştirmek için elektrik veya akustik kuvvet kullanır ve bu birleşmelerden biri, hızlı, güvenilir hedef tespiti ve kantifikasyonunun bir örneği olarak dijital RPA formatında bir Brucella bakteri gen dizisini çoğaltmak için kullanılmıştır. Son olarak, basit bir formatta çift damlacık emülsiyonu oluşumuna izin veren yeni bir çift emülsiyon oluşturma tekniği gösterildi. Bu yöntem, çip malzemesi olarak Polidimetilsiloksan (PDMS) kullanılarak yüzey ıslatmasının kolayca kontrol edilebildiği mikroakışkan cihazlar oluşturmak için kullanılabilen yeni bir malzeme düzenlemesidir. Mevcut çalışma, yalnızca iyonik olmayan yüzey aktif maddeler kullanarak PDMS ıslatma özelliklerini ayarlayan ve çift emülsiyon kullanan sistemlerin üretimi için uygun bir raf ömrüne sahip yeni, ekipman ve hizalama gerektirmeyen bir üretim sürecini göstermektedir. Temel yenilik, mikroçip yapıları düzlemsel olmasına rağmen, işlemin dikey bir yönelimde gerçekleştirilmesi ve ıslatma özelliklerinin kolayca bölümlendirilmesini sağlamasıdır. Ayrıca, mevcut cihaz içerisinde üretilen çoklu emülsiyonların elektriksel salınımının, gelecekte daha ayrıntılı bir şekilde kontrol edilebilecek veya alternatif bir Sulu İki Fazlı Sistem (ATPS) damlacık oluşturma yöntemi olarak kullanılabilecek, doğrudan talep üzerine iç içerik salınımı olarak gösterildiği görülmüştür. Sonuç olarak, burada önerilen basit alternatifler mevcut sınırlamaların bazılarını aşabilir ve mikroakışkanların daha erişilebilir ve uygulanabilir olmasını sağlayabilir. Ek olarak, bu tezin çıktısı, damlacık mikroakışkanlarının disiplinler arası araştırmalarda kullanımını artırmaya ve teknoloji kullanımını genişletmeye katkıda bulunabilir.
Özet (Çeviri)
Research into the behaviour of droplets in microfluidics devices has allowed the development of new emulsion generation methods using microfluidic systems with different geometries and a diversity of manipulation techniques, giving precise control over droplets. These techniques have rapidly progressed in the past decade due in part to the understanding of the benefits of emulsions which include using small sample volumes, with reduced analysis durations, in high-throughput analytic formats, giving improved sensitivity and enhanced operational flexibility. For instance, integration of droplet-based systems droplet generation and manipulation) with DNA-based assays, such as cell-free protein expression or recombinase polymerase assay, has shown promising results. However, several challenges remain unresolved, including complexity of protocols, fabrication and issues encountered during assay development (e.g. reaction timing and emulsion stability). Droplet technology holds great potential to address these challenges, offering exciting possibilities and opportunities for development novel DNA-based assays that paving the way for advancements in various fields of research (e.g. diagnostic, sequencing, therapeutic compounds, enzyme engineering and cell-models). This thesis explores the generation and manipulation of emulsions using both passive and active methods for the development of isothermal digital recombinase polymerase amplification (RPA) assay and cell-free protein expression. The present work demonstrates various novel droplet-based microfluidic systems, including groove(s) assisted passive merger, electrical/acoustic merger, multiple emulsion generation method, and electrical release of multiple emulsions. In detail, one necessity in many biochemical assays (e.g. cell-free protein synthesis) is collection of droplets post-merging and monitoring of the progress of reaction from minutes to hours. However, one of the challenges encountered with mergers is the inherent tradeoff between merging efficiency and droplet stability, both of which are directly linked to surfactant concentration. When surfactant concentrations are low, droplets have a tendency to coalesce, while at higher concentrations, the merging process becomes more challenging. A new concept of droplet merging via passive groove(s) structures to extend merging efficiency of droplet pairs in presence of high surfactant concentration and increase droplet stabilities after merging has been studied. The study showed that droplets can be merged depending upon initial concentrations and can stay stable for a certain time by in-situ pair generation strategies and in an array format of grooves. The presented platform has been used to perform cell-free protein expression reactions successfully. Furthermore, RPA is a versatile isothermal amplification method, serving as an alternative to polymerase chain reaction (PCR) in the development of rapid, simple and sensitive detection assays. Despite these advantages, RPA initiation cannot be regulated by a hot start, and this limitation can result in false positives before droplets are partitioned into individual compartments within the microfluidic channels. To address this limitation, active mergers (using electric or acoustic actuation) were developed to control reaction initiation of RPA reactions in order to eliminate quantification errors of the assay. The two alternative mergers developed use either electric or acoustic force to merge droplet one-by-one to control reaction initiation of assay and one of these mergers has been used to amplify a Brucella bacterium gene sequence in digital RPA format as an example of fast, reliable target detection and quantification. Finally, a new double emulsion generation technique was demonstrated to allow double droplet emulsion formation in a simple format. This method is a new material arrangement which can be used to build microfluidic devices in which surface wetting can be easily controlled using Polydimethylsiloxane (PDMS) as the chip-material. The present work shows a novel, equipment and alignment-free fabrication process, which uses only non-ionic surfactants to tune PDMS wetting properties, with a shelf life suitable for the manufacturing of systems using double emulsions. The key innovation lies with the fact that although the microchip structures are planar, the processing is performed in a vertical orientation, enabling easy compartmentalization of wetting properties. Moreover, electrical release of generated multiple emulsions within the present device was shown as a straightforward on-demand inner content release which could be controlled more elaborately in future or used as an alternative Aqueous Two-Phase System (ATPS) droplet formation method. As a result, simple alternatives suggested here can overcome some of the current limitations, allowing microfluidics to be more accessible and implemented. In addition, outcome of this thesis can contribute to enhancing the uptake of droplet microfluidics in multidisciplinary research and to broadening usage of technology.
Benzer Tezler
- Development of Microwave/Droplet-Microfluidics Integrated Heating and Sensing Platforms for Biomedical and Pharmaceutical Lab-on-a-Chip Applications
Development of Microwave/Droplet-Microfluidics Integrated Heating and Sensing Platforms for Biomedical and Pharmaceutical Lab-on-a-Chip Applications
GÜRKAN YEŞİLÖZ
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiUnıversıty Of WaterlooMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAROLYN L. REN
- Synthesis of magnetically anisotropic janus particles by droplet-based microfluidics
Damlalcık temelli mikroakışkan sistemde manyetik özellikli anizotropik janus parçacıkların sentezi
MUHAMMAD SAQIB
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİNE YEGAN ERDEM
- High-throughput production of drug-loaded microparticles using a microfabricated nozzle array
Mikrofabrikasyonlu nozul dizisi kullanilarak ilaç yüklü mikropartiküllerin yüksek kapasiteli üretimi
SÜLEYMAN ÇELİK
Doktora
İngilizce
2025
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
- Mikroskobik kanallar üzerinde gerçekleşen ıslanma dinamikleri
Wetting dynamics on microscopic channels
ÖZLEM ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEM ÖZGÜR SERVANTİE
- Tüberküloz teşhisi için kullanılmak üzere mikro ısıtıcı tasarlanması karakterizasyonu ve üretimi
Microheater design production and characterisation for using in tuberculosis detection
MUHAMMED BEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON