Development of viscoelastic particle migration for microfluidic flow cytometry applications

Hücre biyolojisi, hücre sayımı ve hücre tespiti gibi alanlarda meydana gelen gelişmeler; hastalık teşhisi, biyoteknoloji, ilaç endüstrisi ve malzeme biliminde kullanılacak yeni parçacık karakterizasyon yöntem ve araçlarının geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Akış sitometri teknolojisi bu alandaki ihtiyacı neredeyse bir asırdır karşılayan öncü teknolojidir. Günümüzde hızlı, hassas, doğru ve düşük maliyetli hasta-başı teşhis cihazlarına ve hücre sayma teknolojilerine olan yoğun bir talep artışı söz konusudur. En gelişmiş ticari akış sitometri cihazları dahi teknolojik açıdan bu talebe cevap vermekte yetersiz kalabilmektedir. Bu talep, yenilikçi ve hassas parçacık hizalama teknikleri, çoklu algılama yöntemleri ve birbirine entegre akışkan, optik ve elektronik üniteler kullanılarak geliştirilen yenilikçi sitometri teknolojileri ile karşılanabilir. Bu tip özellikler konusunda tartışmasız derecede avantajlara sahip olan mikroakışkan akış sitometri platformları, yeni nesil akış sitometri teknolojilerinin geleceği adına ilgi çekici ve umut vericidir. Bu tez çalışmasında, optik, empedans ve görüntü tabanlı mikroakışkan sitometri ölçüm yöntemleriyle uyumlu olan viskoelastik parçacık hizalama tekniği geliştirildi. Viskoelastik akışkanların elastik doğası, süspansiyon haldeki parçacıkların kanal akış eksenine dik düzlemde pozisyon değiştirerek, tek bir akış çizgisi boyunca hizalanmasını sağlar. Bu sayede akış sitometri cihazlarındaki ölçüm hassasiyetini artırmak için gerekli olan merkezi parçacık hizalanma sağlanmış olur. Viskoelastik parçacık hizalama tekniği pasif bir yöntemdir ve kılıf akışına veya herhangi bir aktif parçacık hizalama mekanizmasına olan ihtiyacı ortadan kaldırır. İlk olarak, avuç içi büyüklüğünde bir cam mikrokılcal cihazda optik mikroakışkan akış sitometrisi için viskoelastik odaklama tekniği geliştirildi. Optik ölçüm ve algılama işlemleri fiber kuplajlı lazer kaynağı ve fotodedektör yardımıyla yapıldı. Polietilen oksit (PEO), Hyalüronik asit (HA) ve Polivinilpirolidon (PVP) tabanlı üç farklı viskoelastik solüsyonda süspansiyon halindeki polistren sitometri kalibrasyon parçacıklarının tespiti gösterildi. İkinci olarak, empedans tabanlı mikroakışkan akış sitometrilerinde kullanımlarını göstermek için PEO tabanlı viskoelastik solüsyonların farklı iyonik konsantrasyonlardaki viskoelastik parçacık hizalama etkinliği araştırıldı. Ardından, polistren ve kırmızı kan hücreleri kullanarak empedans sitometri ölçümleri gerçekleştirildi. Yüksek verimli akış sitometri uygulamaları için ataletsel ve viskoelastik etkilerin kombinasyonu kullanılarak küresel polistren parçacıklarının yüksek akış hızlarında merkezi hizalanmasının mümkün olduğu gösterildi. Buna ek olarak küresel olmayan kırmızı kan hücrelerinin tamamının kanal merkez çizgisi boyunca paraşüt şeklinde hizalanması ve bu sayede empedans sitometri cihazlarında gözlenen küresel olmayan parçacık kaynaklı ölçüm varyasyonlarının azaltılarak tutarlı empedans sinyalleri elde edilmesi sağlandı. Elde edilen sonuçlar, önerilen akış sitometri cihazlarının, verimlilik ve ölçüm hassasiyeti açısından en gelişmiş sitometri cihazlarıyla kıyaslanabilir performans değerleri elde ettiğini gösterdi. Optik ve empedans tabanlı akış sitometri uygulamaları, yalnızca basınçlı hidrodinamik akış kullanılarak geliştirildi. Basınçlı hidrodinamik akış ve elektrik alan kaynaklı elektroforez eşzamanlı olarak uygulandığında, mikroakışkan kanalların içindeki süspanse parçacıklar karmaşık hizalanma davranışları ve birbirinden farklı nihai denge konumları sergilediği bilinmektedir. Mevcut deneysel ve analitik çalışmalar parçacıkların nihai denge konumlarının neden farklı olduğuna dair ayrıntılı bir açıklama sunmakta yetersiz kalmaktadır. Ayrıca, şimdiye kadar yapılan çalışmalar yalnızca Newtonsal ve yüksüz viskoelastik sıvılarla sınırlıdır. Bu tez çalışmasında üçüncü olarak, elektroforez, akış ve viskoelastik sıvı kaynaklı kaldırma kuvvetlerinin birbiri ile etkileşimini ayrıntılı olarak açıklamak için bütüncül bir yaklaşım benimsenmiştir. Parçacık hizalanmasının kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlamak için Newton, yüksüz viskoelastik ve polielektrolit viskoelastik ortamlarda sıvı akış yönüne dik parçacık hareketleri deneysel olarak incelendi. Viskoelastik ortam ile yapılan deneyler neticesinde, şimdiye kadar yapılmış olan mevcut çalışmalardan daha farklı sonuçlar elde edildi. Sonrasında hem Newton hem de yüklü ve yüksüz viskoelastik sıvılarda gözlemlenen farklı parçacık hizalanma davranışlarına bütüncül bir yaklaşım ile açıklık getiren Elektro-Viskoelastik Hizalanma (EVH) teorisi geliştirildi. Buna ek olarak, EVH tekniğinde gözlenen farklı parçacık hizalanma davranışlarının altında yatan sebepleri keşfetmek için floresan etiketli viskoelastik polimer çözeltisi oldukça şaşırtıcı olarak sıvı akışına dik kanal kesitinde homojen olmayan viskoelastik çözelti oluşumu gözlemlendi. EVH tekniği ile elde edilen bu bulguların mikroakışkan camiasında şimdiye kadar keşfedilmemiş homojen olmayan viskoelastik akış gibi eşsiz uygulamalara kapı açacağı düşünülmektedir. Özet olarak, sunulan sistemler tek bir düz mikrokılcal ya da mikrokanal üzerinde basit fabrikasyon teknikleri kullanılarak geliştirilmiştir. Akışkan düzeneği, optik, ve empedans tabanlı algılama üniteleri aynı akış sistemi üzerinde birbirine kolayca entegre edilebilir ve viskoelastik hizalama tekniği kullanılarak başarılı sitometri uygulamaları gerçekleştirilebilir. Mikroakışkan akış sitometri uygulamalarındaki yenilikçi yaklaşımımız viskoelastik sıvıların, gelişmekte olan ülkeler ve düşük gelir kaynaklı ortamlar için entegre, taşınabilir ve düşük maliyetli yeni nesil sitometri platformlarının geliştirilebilmesi adına iyi bir aday olduğunu göstermektedir. Buna ek olarak, EVH tekniği, jel elektroforez veya kromatografi uygulamalarının yerine geçebilecek seviyede, polyelektrolitlerin DNA fraksiyonlarının ve proteinlerin elektriksel yüklerine ve boyutlarına göre bir mikrokanal boyunca hassas bir şekilde hizalanmasını ve ayrıştırılmasını sağlayabilecek güçlü bir potansiyele sahiptir.tileri hazırlanarak konfokal mikroskop altında floresan boyalı polimerlerin hareketi incelendi