Hücre kültürü ve çip üzerinde organ araştırmaları için mikro akışkan kontrol ve görüntüleme platformu tasarımı
Microfluidic control and imaging platform design for cell culture and organ-on-chip researches
Yazar: FATİH SERDAR SAYIN
Danışman: PROF. DR. HASAN ERDAL ; DOÇ. DR. MEHMET BURAK AKSU
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Günümüzde hücre kültürü üretimi, özellikle de kök hücrelerin sentezi, çoğaltılması ve farklılaştırılması üzerine yapılan çalışmalar Biyomühendislik, Doku mühendisliği ve Rejeneratif Tıp disiplinlerinin ortak kesişim ve faaliyet noktası haline gelmiştir. Canlı hücrelerin gerçek zamanlı takibi yoluyla hücreler arası etkileşim mekanizmaları, hücre taşınımı ve organizma sağlığı hakkında analitik veriler elde edilebilmektedir. Biyolojik süreçlerin pek çoğunda organizma içerisinde yer alan sıvıların, mikro ve nano ölçekte kanallar boyunca ve oldukça küçük hacimlerle hareket ettiği gerçeği göz önüne alındığında, mikroakışkanlar biyolojik uygulamalar için uygun bir çalışma alanı olarak değerlendirilebilir. Hücre kültürü ve çip üzerinde organ araştırmalarında, hücrelerin ve mikroorganizmaların üretilmesi, canlılığının takip edilmesi ve farklı dış etmenlerin hücre ve mikroorganizma gelişimine etkisinin incelenmesi işlemleri klinik uygulamada farklı müstakil ekipmanlar kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Tez çalışmaları kapsamında klinik mikrobiyoloji, bağırsak mikrobiyotası, biyoterapötik uygulamalar ve anti mikrobiyal duyarlılık vb. araştırma alanlarında ciddi önem arz eden anaerobik mikroorganizmaların; kültürlenmesi, biyofilm oluşumunun takibi, üreme miktarının tayini ve gaz atmosferinin hazırlanmasına yönelik özelleşmiş bir görüntüleme ve mikroakışkan kontrol platformu tasarlanmış ve üretilmiştir. Platformu oluşturan alt sistemlere ait test ve doğrulamaları çalışmaları yürütülmüştür. Üreme için oksijenden arındırılmış atmosfer koşullarına gerek duyan anaerop organizmaların ihtiyaç duyduğu özel gaz atmosferinin temini için bir anaerop atmosfer hazırlayıcı sistem geliştirilmiştir. Bu amaçla elektropnömatik bir kontrol ünitesi ile beraber temel sistem bileşenleri tasarlanmış ve üretilmiştir. Üreme, biyofilm oluşturma ve antibiyotik tepkisi gibi göstergelerin izlenmesi amacıyla temelde bulanıklık ölçümü ve dinamik ışık kırınımı ilkelerine dayanan optik ölçüm düzeneğinin tasarımı ve doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Sıvı besiyeri, ilaç vb. solüsyonların mikroakışkan çiplere taşınabilmesini ve debi miktarının kapalı çevrim olarak kontrol edilebilmesini sağlamak amacıyla basınç tahrikli akış kontrol esasına dayanan mikroakışkan debi kontrol düzeneği tasarlanmıştır. Akışkan kontrol sistemi ana bileşenlerine ilişkin modelleme ve benzetim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Mikrobiyoreaktör olarak vazife gören mikroakışkan çiplerin inkübasyon sıcaklığında tutulması için kapalı çevrim çalışan bir sıcaklık kontrol donanımı, sıvı besiyerinde üremeyi artırmak için hız kontrolü yapılabilen bir manyetik karıştırıcı, çip üzerinde gerçekleşen hücresel faaliyetlerin efektif bir biçimde monitörize edilebilmesi için üç eksenli hareket mekanizması ve hareketli dijital bir mikroskop barındıran konum kontrol düzeneği üretilmiştir.

Abstract:
In the contemporary scientific context, the field of cell culture production—in particular, the synthesis, proliferation and differentiation of stem cells—has evolved to become an interdisciplinary research area that bridges the domains of bioengineering, tissue engineering and regenerative medicine. The real-time monitoring of living cells allows for the acquisition of analytical data on intercellular interaction mechanisms, cell transport and organismal health. Given that the fluids within the organism in most biological processes move along micro- and nano-scale channels with very small volumes, microfluidics can be considered an appropriate field of study for biological applications. In the fields of cell culture and organ-on-chip research, the processes of producing cells and microorganisms, monitoring their viability, and examining the effects of external factors on cell and microorganism development are conducted using a range of stand-alone equipment in clinical practice. In the context of the thesis studies, we have designed and manufactured a specialized imaging and microfluidic control platform for the cultivation, monitoring of biofilm formation, determination of the amount of growth and preparation of the gas atmosphere of anaerobic microorganisms which are of great importance in research areas such as clinical microbiology, intestinal microbiota, biotherapeutic applications and antimicrobial susceptibility. The subsystems that constitute the platform were subjected to a series of tests and verifications. An anaerobic atmosphere preparation system has been developed to provide the requisite anaerobic atmosphere for the reproduction of organisms that require an oxygen-free environment. For this purpose, an electropneumatic control unit and the fundamental system components were designed and manufactured. In order to monitor indicators such as growth, biofilm formation and antibiotic response, an optical measurement setup was designed and validated based on the principles of turbidity measurement and dynamic light diffraction. A microfluidic flow control device based on pressure-driven flow control was designed with the objective of transporting solutions, including liquid media and drugs, to microfluidic chips and controlling the flow rate. Modelling and simulation studies have been conducted on the main components of the fluid control system. A closed-loop temperature control device has been developed to maintain the incubation temperature of microfluidic chips used as microbioreactors. In addition, the system equipped with a speed-controllable magnetic stirrer to enhance growth in the liquid medium, a three-axis motion mechanism for effective monitoring of cellular activities on the microfluidic chip, and a position control device with a adjustable digital microscope.