Microcantilever based lab-on-a-chip sensor for real-time mass, viscosity, density and coagulation measurements

Son yıllarda gerek sensör boyutlarındaki küçülme gerekse "lab-on-a-chip (LoC) araçlarındaki gelişmeler insan sağlığını olumlu yönde etkileyecek teşhis ve tedavi yöntemlerine imkan tanımıştır. Araştırma laboratuvarlarındaki bu gelişmelere rağmen bu tip teknolojilerin ticarileştirilmesi ve yaygın bir kullanım kazanması kısıtlı kalmaktadır. Bu tip uygulamalar için basit algılama arayüzleri ve tek kullanımlık sensörler gerekmektedir. Bu zor gereklilikler ancak mekanik, akışkan, optik ve elektronik arayüzlerin iyi bir şekilde entegre edilmesiyle aşılabilmektedir. Bu tez çalışmasında tam entegre bir LoC ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Bu sistemde sensor teknolojisi olarak mikro-akışkan kartuş içerisinde çalışan, basit bir arayüz ve algılama teknolojisine sahip mikro-elektro-mekanik-sistem (MEMS) tabanlı mikroçubuklar kullanılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen mikroçubuk tabanlı biyosensor teknolojisi farklı medikal görüntüleme uygulamaları(kan plazması viskozitesi ve pıhtılaşma zamanı ölçümleri), akışkan özellik ölçümleri ve virüs tespiti amaçlarıyla kullanılmıştır. Mikroçubuklar Koç Üniversitesi Mikro/Nano İmalat Temiz Odası'nda imal edilmiş olup, elektro kaplama metoduyla üretilen Nikel malzemeden yapılmıştır. Mikroçubuk tasarımları farklı uygulamalar için modifiye edilmiştir. Çubuk uzunlukları 60 µm ile 200 µm arasında genişlikleri 5 µm ile 100 µm arasında değişmekte olup, kalınlıkları da 1-2 µm mertebesindedir. Tamamen sıvıya daldırılmış olup elektro-bobin eyleyici yardımıyla rezonans frekansları civarında tahrik edilmektedir. Ayrıca çubuk titreşimleri de farklı optik okuma düzenekleri ile algılanmaktadır. Çalışma sırasında özel geliştirilmiş girişimsel (interferometric) okuma metodu veya lazer Doppler Vibrometre tabanlı okuma kullanılmıştır. Hem tahrik hem de algılama temassız olarak gerçekleşmektedir. Böylelikle mikroçubuğa herhangi bir elektriksel bağlantıya ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu özellik sayesinde geliştirilen teknoloji tek kullanımlık kartuşlara sahip hasta başı testlere (point-of-care) dönüştürülebilmektedir. Mikroçubuk dinamiği içerisinde salınım yaptığı akışkanın özelliklerine göre veya mikroçubuğa bağlanan biyolojik kütlelere bağlı olarak değişmektedir. Bu değişikler "lock-in yükselteç" veya "Phase-Locked Loop (PLL)" yardımıyla görüntülenebilmektedir. Lock-in yükselteç sabit bir tahrik frekansında tahrik sinyali ile optik okuma sinyali arasındaki faz farkını ölçmekteyken, PLL ise bu faz farkını sabit tutup rezonans frekansındaki değişimleri anlık olarak takip edebilmektedir. Mikroçubuk tabanlı sensör platformu dört ana uygulama için kullanılmıştır. İlk olarak, sistemde kan plazması ve kan serumu akışkanlığı ölçülmüştür. Kan plazması viskozite ölçümleri kardiovasküler bozukluklar, romatizmal kireçlenme ve çeşitli otoimmun hastalıkların teşhisinde kullanılmaktadır. Önerilen sistem çok küçük numuneler ile (~10µl) hızlı ve güvenilir ölçümler yapabilmekte olup bu özellik mevcut laboratuvar cihazlarına göre büyük bir avantaj sağlamaktadır. Bu ölçümler için yeni ölçüm protokolleri oluşturulmuş ve sistemin tekrarlanabilirliği ve güvenilirliği referans ticari cihazlarla kıyaslanarak test edilmiştir. En küçük ölçülebilen kan plazması viskozite değeri 0.01 mPa.s olup ölçüm doğruluğu %6'dır. İkinci olarak, özkütle ve viskozitenin mikroçubuk dinamiği üzerindeki akuple etkilerini ayırabilmek için yeni bir metot geliştirilmiştir. Basit bir algoritma ile viskozite ve özkütle değerlerinin rezonans frekansı üzerine olan etkileri belirlenmiştir. Böylelikle farklı genişlikteki iki adet mikroçubuk kullanılarak bu etkilerin birbirinden ayrıştırılabileceği gösterilmiştir. Sistem ile alınan hassas ölçümler referans cihazlar ile karşılaştırılmıştır. Kullanılan metot ile 995 kg/m3 ile 1150 kg/m3 arasındaki özkütle ölçümlerinde %3 doğruluk, 0.935 mPa.s ile 4 mPa.s arasındaki viskozite ölçümlerinde %4,6 doğruluk elde edilmiştir. Ayrıca ölçülebilecek en küçük viskozite değeri 1.6x10-3 mPa.s ve özkütle değeri 0,3 kg/m3 dir. Üçüncü uygulama olarak, sistem kan plazması pıhtılaşma testleri için adapte edilmiştir. Sürekli antikoagulan ilaç kullanan hastalarda, ameliyata girecek hastaların değerlendirilmesinde ve emboli riski taşıyan hastalarda periyodik olarak pıhtılaşma sürelerinin ölçülmesi gerekmektedir. Bu amaçla, hastaların sürekli olarak kliniklere gitmeleri ve bu testleri yaptırmaları gerekmektedir. Bu prosedür sağlık sistemleri üzerinde önemli bir yük olup test sürelerinin uzamasına neden olmaktadır. Bu sebeple pıhtılaşma ölçümleri için hızlı, güvenilir ve basit sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla, MEMS çipler mikroakışkan kanallarla entegre edilmiş ve tek bir kartuştan çoklu pıhtılaşma zamanı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Protrombin Zamanı (PT) ve aktive Parsiyel Tromboplastin Zamanı (aPTT) ölçümleri için yeni protokoller geliştirilmiştir. Testler hem standart kontrol plazmaları ile hem de gerçek insan plazmaları ile yapılmıştır. Sistem PT ve aPTT ölçümleri için sırasıyla %7.28 ve %6.33, %CV(coefficient of variation) tekrarlanabilirlik değerlerine sahip olup bu değerler mevcut cihazlarla kıyaslanabilecek seviyededir. Dördüncü uygulama olarak da sistem çeşitli antijenlerin tespiti amaçlı kullanılmıştır. Hepatit B, Hepatit C, HIV ve sifilis virüslerinin proteinleri iyi hassasiyetle ölçülebilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen entegre teknoloji yardımıyla tek kullanımlık kartuşlarla birden fazla testin kolayca ve etiketleme gerektirmeden yapılması mümkün olmuştur. Dolayısıyla çalışma, hasta başı ve ev içi tanı ve görüntüleme test uygulamaları için yüksek bir potansiyel taşımaktadır.