Integrated microfluidic devices for rapid DNA amplification applicable to diagnostics andpathogendetection in food
Authors: Κάπρου Γεωργία 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μικροαντιδραστήρων για την ενίσχυση δεσοξυριβονουκλεϊνικών οξέων (DNA) με βάση το υπόστρωμα τυπωμένου κυκλώματος (Printed Circuit board,PCB) με χαμηλό κόστος και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, επιτρέποντας τη χρήση τους ακόμη και σε περιοχές με χαμηλούς πόρους, κατάλληλες για ολοκλήρωση σε πλατφόρμες μικροεργαστηρίων σε ψηφίδα (Lab-on-a-Chip, LoC) με εφαρμογή στην ασφάλεια τροφίμων, στα ιατρικά διαγνωστικά και στην περιβαλλοντική παρακολούθηση για την ανίχνευση παθογόνων.Επιτεύχθηκε ταυτόχρονα μεγάλος βαθμός ολοκλήρωσης και χαμηλό κόστος κατασκευής των μικροδιατάξεων αυτών με την επιλογή του PCB ως το κυρίως υπόστρωμα και την ανάπτυξη διαδικασιών κατασκευής συμβατών με την τεχνολογία PCB. Εκτός από την ολοκλήρωση των μικρορευστωνικών δικτύων με ηλεκτρονικά στοιχεία όπως οι αισθητήρες, το PCB επιτρέπει επίσης την ολοκλήρωση μικρoθερμαντικών στοιχείων χαλκού που παρέχουν τις θερμικές ζώνες που είναι απαραίτητες για την ενίσχυση του DNA. Ως εκ τούτου, η χαμηλού κόστους μαζική παραγωγή μικροδιατάξεων ενίσχυσης DNA είναι εφικτή με την χρήση των προτεινόμενων εμπορικά διαθέσιμων υλικών και μεθόδων συμβατών με την τεχνολογία PCB για την κατασκευή των μικροδιατάξεων αυτών στην καλά εδραιωμένη βιομηχανία PCB, αντιμετωπίζοντας έτσι ένα από τα εμπόδια σχετικά με τις μικρορευστωνικές διατάξεις που είναι η εμπορική αξιοποίησή τους.Στην παρούσα διατριβή, κατασκευάστηκαν μικροδιατάξεις ενίσχυσης DNA στατικού θαλάμου και συνεχούς ροής και ελέχθησαν χρησιμοποιώντας πολυάριθμες μεθόδους ενίσχυσης (ισοθερμικές και μη ισοθερμικές) όπως η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (Polymerase Chain Reaction, PCR), Recombinase Polymerase Amplification (RPA), Helicase Dependent Amplification (HDA) και Loop-mediated Amplification (LAMP). Πρωτόκολλα ενίσχυσης DNA πολύ ταχύτερα σε σχέση με αυτά που διενεργούνται σε συμβατικούς θερμοκυκλοποιητές (μέχρι 20 φορές) διεξήχθησαν εντός των μικροδιατάξεων ενίσχυσης DNA, με συνολική διάρκεια από 2 λεπτά - μία από τις ταχύτερες που αναφέρθηκαν ποτέ - έως 30 λεπτά. Ο σχεδιασμός (βάση αριθμητικών υπολογισμών) των μικροαντιδραστήρων DNA εξασφαλίζει επίσης χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (324 J έως 4320 J) η οποία μπορεί να μεταφραστεί στην ανεξάρτητη διεξαγωγή από 65 μέχρι 1000 αντιδράσεων (αναλόγως της μεθόδου ενίσχυσης DNA) με χρήση συνήθους μπαταρίας ισχύος 10.000 mAh (9V).Τέτοιοι μικροαντιδραστήρες ενίσχυσης DNA ολοκληρώθηκαν για πρώτη φορά με ακουστικούς βιοαισθητήρες (Surface Acoustic Wave, SAW). Στην εργασία, παρουσιάζεται μια πλατφόρμα μικροεργαστηρίου σε ψηφίδα LoC βασισμένη στην ακουστική ανίχνευση SAW, εντός της οποίας διεξάγεται η δέσμευση και λύση κυττάρων, και η ενίσχυση του βακτηριακού DNA σε ένα και μόνο θάλαμο για την ανίχνευση ζώντων κυττάρων Σαλμονέλας (που προέρχονται από τεχνητό εμβολιασμό στο γάλα) μέσα σε λιγότερο από 6 ώρες.Παράλληλα, επιτεύχθηκε περαιτέρω βελτίωση της πλατφόρμας LoC με διερεύνηση μεθόδων παθητικοποίησης των τοιχωμάτων μικροκαναλιών για την πρόληψη προσρόφησης βιομορίων στην επιφάνεια των μικροδιατάξεων για τη βελτίωση της ενίσχυσης DNA. Διάλυμα 1% αλβουμίνης Βόιου ορού (Bovine Serum Albumin, BSA) παρατηρήθηκε ότι παθητικοποιεί με βέλτιστο τρόπο τα τοιχώματα και συνεπώς αναστέλλει την προσρόφηση βιομορίων. Παρομοίως, διερευνήθηκε η επιφανειακή ενεργοποίηση των ακουστικών αισθητήρων (Quartz Crystal Microbalance with Dissipation, QCM-D) για επιλεκτική δέσμευση DNA σε πολύπλοκα δείγματα, ανοίγοντας το δρόμο για να χρησιμοποιηθεί η αναπτυγμένη πλατφόρμα με πολύπλοκες μήτρες δειγμάτων. Η χρήση παρεμποδιστικού ρυθμιστικού διαλύματος πριν την εισαγωγή του δείγματος προς ανάλυση στον βιοαισθητήρα βελτιώνει τη διαχωριστική ικανότητα μεταξύ μολυσμένων και μη δειγμάτων όταν χρησιμοποιείται η ανίχνευση μέσω ειδικής πρόσδεσης Αβιδίνης-Βιοτίνης.