Zincirleme polimeraz reaksiyonu için mikro sıcaklık döngüleyici tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of micro temperature cycler for polymerase chain reaction
Yazar: GAMZE TİLBE İNCE
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ORHAN ERDEM HABERAL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET YÜKSEKKAYA
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Tıbbi Biyoloji = Medical Biology
Dizin: PCR =

Özet:
Biyolojik ve kimyasal analitik cihazların mikroelektromekanik sistemler (MEMS) teknolojisi ile minyatürleştirilmesi, tıbbi ve mikrobiyolojik teşhis ve diğer biyolojik analizler için önemli olmuştur. Mevcut veya ortaya çıkmakta olan bulaşıcı hastalıklar, zamanında teşhisi iyileştirmek için hasta başında (POC) test ihtiyacını arttırmaktadır. Nükleik asit tespiti için geleneksel yöntemler birçok adım gerektirmektedir. Bu teknolojilerin bazıları yüksek hassasiyette olabilir. Ancak, düşük algılama limitleri, zaman ve enstrümantasyon gereksinimleri nedeniyle POC cihazlarını geliştirmede geride kalmaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, örnek ön işleme, reaksiyonlar, ayırmalar ve teşhis dahil tüm analitik adımların küçük bir çip üzerindeki mikro kanallarda verimli ve otomatik olarak gerçekleştirilmesine izin veren mikroakışkan teknolojiler kullanılmaktadır. Nükleik asit amplifikasyon yöntemlerinden biri olan polimeraz zincir reaksiyonu veya zincirleme polimeraz reaksiyonu (PCR), basitliği nedeniyle en çok kullanılan yöntem olmuştur. Mikroakışkan teknolojiler, PCR işlemlerinin hız, maliyet, taşınabilirlik, verim ve otomasyon gibi potansiyel faydaları olan bir çipte minyatürleştirilmesini sağlamaktadır. Tez çalışması ile PCR gerçekleştirebilmek için gerekli olan mikroçip ve mikro sıcaklık döngüleyici tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla yapılan mikroçip tasarımında Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) programı kullanılmış, üretiminde ise CAD yöntemlerinden biri olan lazer kesici kullanılmış ve tek odacıklı bir çip üretilmiştir. Mikroçip üretiminde kullanılan malzemeler lamel, çift taraflı bant (DSA) ve polimetilmetakrilat (PMMA) polimeri olmuştur. Mikro sıcaklık döngüleyici üretiminde kullanılmak üzere ısıtıcı eleman olarak Peltier modülü seçilmiştir. Sıcaklık kontrollerinin gerçekleştirilmesinde mikrodenetleyici ve H-Köprü modülleri kullanılmıştır. Sıcaklık döngüleyici devre analizi öncelikle bir simülasyon programında yapılmış ve PCR döngüsü gerçekleştirilebilmiştir. Daha sonra bu devreyi gerçekleyebilmek için uygun elemanlar temin edilmiştir. H köprü tipi sürücülerin modları, mikrodenetleyici ile nasıl sürüldüğüne ilişkin devre düzeneklerinin çalışması yapılmıştır. Motor sürme tekniklerinden biri olan darbe genişlik modülasyonu (PWM) tekniği ile H köprü sürme (bir mikrodenetleyici yardımı ile) denenmiştir. Temin edilen elemanlar ile öncelikle peltier modül sıcaklık testleri gerçekleştirilmiştir. Uygunlukları test edilen devre elemanları ile sıcaklık döngüsü kontrolü için geliştirilen PID kontrol algoritması birleştirilerek PCR döngüsü gerçekleştirilmiştir.
Isı transferi ve akışkan akışını simüle etmek için farklı bir CAD programı daha kullanılmıştır. Bu yazılım sonlu-eleman yöntemine dayanmaktadır. Fiziğin farklı alanlarından kısmi diferansiyel denklemleri birleştirmek ve çözmek için kolaylık sağlamaktadır. Akışkan akış modülü kullanılarak mikroçip içerisinde laminar akış simüle edilmiştir. Ayrıca ısı transfer modülü kullanılarak çip malzemelerindeki ısı transferi simüle edilmeye çalışılmıştır. Tasarlanan mikro sıcaklık döngüleyici ile DNA örneği, Kırıkkale Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalında amplifiye edilmiştir. Yapılan tasarımın PCR gerçekleştirdiğini test edebilmek için, sıcaklık döngüleyici üzerinde kullanılan örnek ticari bir sıcaklık döngüleyici kullanılarak da amplifiye edilmiş ve sonrasında uygun bir analiz yöntemiyle sonuçlar belirlenmiştir.

Abstract:
Miniaturization of biological and chemical analytical devices with microelectromechanical systems (MEMS) technology has been important for medical and microbiological diagnostics and other biological analyses. Existing or emerging infectious diseases are increasing the need for point-of-care (POC) testing to improve timely diagnosis. Traditional methods for nucleic acid detection require many steps. Some of these technologies can be highly sensitive. However, it lags behind in developing POC devices due to low detection limits, time and instrumentation requirements. To overcome these challenges, microfluidic technologies are used that allow all analytical steps, including sample pretreatment, reactions, separations, and diagnostics, to be performed efficiently and automatically in microchannels on a small chip. Polymerase chain reaction (PCR), one of the nucleic acid amplification methods, has become the most used method due to its simplicity. Microfluidic technologies enable the miniaturization of PCR processes on a chip with potential benefits such as speed, cost, portability, efficiency and automation. With the thesis study, the design and production of the microchip and micro temperature cycler required to perform PCR were carried out. For this purpose, Computer Aided Design (CAD) program was used in the microchip design, and a laser cutter, one of the CAD methods, was used in its production and a single-chamber chip was produced. The materials used in microchip production were coverslips, double-sided tape (DSA) and polymethylmethacrylate (PMMA) polymer. Peltier module was chosen as the heating element to be used in the production of micro temperature cycler. Microcontroller and H-Bridge modules were used to perform temperature control. Temperature cycler circuit analysis was first made in a simulation program and the PCR cycle could be performed. Then, appropriate elements were provided to implement this circuit. The modes of H bridge type drivers and the circuit mechanisms regarding how they are driven with a microcontroller have been studied. H-bridge driving (with the help of a microcontroller) has been tried with the pulse width modulation (PWM) technique, which is one of the motor driving techniques. Firstly, Peltier module temperature tests were carried out with the supplied elements. The PCR cycle was realized by combining the circuit elements whose suitability was tested with the PID control algorithm developed for temperature cycle control. A different CAD program was used to simulate heat transfer and fluid flow. This software is based on the finite-element method. It makes it easy to combine and solve partial differential equations from different fields of physics. Laminar flow was simulated within the microchip using the fluid flow module. Additionally, an attempt was made to simulate the heat transfer in chip materials by using the heat transfer module. The DNA sample was amplified with the designed micro temperature cycler at Kırıkkale University Faculty of Medicine, Department of Medical Biology. To test that the design performed PCR, the sample used on the temperature cycler was also amplified using a commercial temperature cycler and the results were then determined with an appropriate analysis method.