Laser ablation assisted size-based sorting of pure water droplets inside a microfluidic chip and designing a microfluidic chip for studying sprouting angiogenesis

Tez kapsamında gerçekleştirdiğimiz çalışmalarla farklı boyutlardaki damlaların sınıflandırılmasına olanak sağlayan otonom, yüksek veri hacmine sahip, hassas bir mekanizma geliştirdik ve bunun için lazer işleme yöntemiyle üretilen eğimli (10o), sığ (700 nm) ve dar (22 ve 30 µm)'lik yönlendirme kanallarından faydalandık. Çok farklı boyutlarda ve hızlarda damla üretimi için, birbirinden bağımsız iki adet T-bağlantısı ve sıvı girişi bulunan, yönlendirme kanalının yer aldığı Hele-Shaw bölgesine girmeden hemen önce damlaların füzyonuna olanak sağlayan bir mikroakışkan çip ürettik. İlk olarak, aynı taşıyıcı akışkan koşulları altında üretilen farklı boyutlardaki damlaların kısmı yönlendirilmesi üzerine çalışmalarımızı gerçekleştirdik. Burada bir damla üzerine etki eden üç farklı kuvvet bulunmaktadır. Bunlar, sürükleme kuvveti, sürtünme kuvveti ve yakalama kuvveti şeklindedir. Sürükleme kuvveti damla çapına ikinci dereceden bağlıdır ve büyük bir damla için yakalama kuvvetine baskın gelir. Bu da damlanın eğimli kanalı diğer damlalara kıyasla daha erken terk etmesine, dolayısı ile dikey olarak daha az mesafe kaydetmesine ve kısmı olarak yönlendirilmesine neden olur. İkinci olarak, taşıyıcı kanaldaki akış hızını değiştirerek farklı hızlara sahip aynı boyutlarda damlalar üreterek her bir damla üzerine etki eden sürükleme kuvvetini değiştirdik ve bunun benzer şekilde kısmi yönlendirmeye sebep olduğunu gözledik. Son olarak, kanal ile yönlendirilebilen küçük damlaları ve bu damlaların birleşimi ile oluşan daha büyük yönlendirilemeyen damlaları eş zamanlı olarak barındıran mikroakışkan çipte damla sınıflandırmasını gösterdik. Tüm deneylerde iki farklı kanal genişliğine sahip (22 µm ve 30 µm) mikroakışkan çip tasarımı kullandık ve daha geniş kanala sahip çipte yüksek yakalama kuvveti nedeni ile daha güçlü bir yönlendirmenin söz konusu olduğunu gözledik. Deneysel çalışmalarımızdan elde ettiğimiz tüm sonuçlar, damla boyutunu ve hızını, arayüz gerilimini, temas açısını ve gerçekçi dalma şeklini esas alan analitik modelden elde ettiğimiz sonuçlarla uyumludur. Doku mühendisliği ile birleşen mikroakışkan teknolojisi, hücre biyolojisi alanındaki gelişmeleri hızlandırmış ve fizyolojik ve patofizyolojik geçişlerin anlaşılmasında yardımcı olmuştur. Polydimethylsiloxane (PDMS), biyouyumlu, şeffaf ve elastik olması sebebi ile 3 boyutlu fizyolojik mikroçevrelerin anlaşılmasına yönelik mikroakışkan cihazların hızlı şekilde üretilmesinde yaygın olarak kullanılır. Yaptığımız çalışmalarda, 3B hücre büyümesine olanak sağlayan kolajen yapı içeren ve kontrollü olarak ortam difüzyonu sağlayan özgün bir mikroakışan çip tasarımı gerçekleştirdik. Bu, hücresel mikroçevreyi taklit eden hidrojel için uygun bir tasarımdır. Geliştirdiğimiz çipte, birbiri ile geniş etkileşim yüzeylerine sahip üç paralel kanal bulunmaktadır. Bu üç kanalın sahip olduğu farklı yükseklikler sayesinde hidrojel çözeltisi belirlenen bölgede kalmakta ve kapiler etki, yüzey enerjisi gibi etkiler sayesinde merkezdeki kolajen kanalının şeklini tamamen almaktadır. Anjiyojenez, endotel hücreleri tarafından yeni kapilerlerin mevcut olanları üzerinden üretilmesi olarak tanımlanır. Hidrojel, mikroakışkan çip içerisine yerleştirilen hücrelere, O2 ve besin erişimi için gözenekli 3B bir yapı sağlar. Yaptığımız çalışmalarda endotel hücrelerinin, 3B hidrojel yapının içine yayılan damar endotel büyüme faktörüne (vascular endothelial growth factor - VEGF) olan tepkilerini inceledik. Özgün tasarımımız kolajen kanalı ve yan kanallar arasındaki geniş etkileşim alanı ile endotel hücrelerinin uyarıcı altında filizlenmesi için elverişli bir mikroçevre sağlamaktadır. Tasarımımızın filizlenen anjiyojenez çalışmalarıda ve 3B mikroçevrelerin taklit edilmesinde kullanılabileceğini gösterdik. Ayrıca, tümörün anjiyojenik potansiyelinin araştırılmasında kullanılabilecek başka bir mikroakışkan çip tasarımı gerçekleştirdik. Bu çipin yan kanallarından birinde, hücrelerin içinde büyümesine ve tümör sferoid oluşumuna olanak sağlayan kuyular yer almaktadır. Bu yan kanal, çipe enjekte edilen tümör hücrelerinden sferoid oluşumunu mümkün kılmaktadır. Bu tasarımda, doğrudan uyarıcının çipe verilmesi yerine çip içerisinde büyüyen tümör sferoidlerin ortama salacağı büyüme faktörlerine ve moleküllere tepki veren endotel filizlenmeleri incelenmektedir ve bu yönüyle önceki tasarımdan ayrılmaktadır. Farklı tipteki tümörler farklı büyüme faktörleri ve moleküller üretmektedir. Geliştirdiğimiz mikroakışkan çip kullanılarak, farklı tümör sferoidlerin anjiyojenik eilimleri çalışılabilir.