Damlacık temelli bir mikroakışkan sistemde akış koşullarının hücre enkapsülasyonu için optimizasyonu ve hücre dağılımının stokastik analizi
Optimization of flow conditions in a droplet based microfluidic system for cell encapsulation and stochastic analysis of cell distribution
Yazar: ELİF GÖKÇEN DİLCİ
Danışman: DOÇ. DR. SELİS ÖNEL KAYRAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
İlaç ve tedavi yöntemlerinin değerlendirilmesinde hücre tepkilerinin detaylı incelenmesi büyük önem taşımaktadır. İki-fazlı mikroakışkan sistemlerle üretilen damlacıklar üç-boyutlu (3B) kültüre imkan veren eşboyutlu minyatür biyoreaktörler olarak düşünülebilir. Bir damlacığın içinde kaç hücre olacağının tahmin edilmesi 3B kültür çalışmalarında sferoid büyüklüğünün belirlenmesi için kritiktir. Bu çalışmada farklı hücre tiplerinin ve başlangıç hücre yoğunluklarının damlacık boyutuna ve damlacık içindeki hücre sayısına etkisini incelemek amacıyla akış optimizasyonu yapılmış ve damlacık boyutunun sıcaklık ve akış hızına bağlı olarak değişimi modellenmiştir. Çalışmada en fazla 100 m çapa sahip damlacık üretimi için 100 m kavşak genişliğine sahip akış odaklı bir sistem ve sürekli faz olarak biyo-uyumlu soya fasulyesi yağı kullanılmıştır. Akış ve damlacık oluşum süreçlerinin kıyaslamalı analizi için dağınık faz olarak su, DMEM, MC3T3-E1 hücre hattına uygun MEM+%10FBS besi sıvısı ve L929 hücre hattına uygun RPMI+%10FBS besi sıvısı ile çalışılmıştır. Bu sistemler için iki-fazlı akış rejimi aralıkları, sürekli ve dağınık faz akış hızları, Qc ve Qd, ve kılcal sayı Ca'ya bağlı olarak belirlenmiştir. Damlacıklı akış rejimi, su için 0,05≤Qd/Qc≤0,25 ve 0,09≤Ca≤0,002 ve diğer biyolojik sıvılar için 0,05≤Qd/Qc≤0,5 ve 0,1≤Ca≤0,001 aralığında bulunmuştur. Tasarım Qd/Qc oranı 0,05 ile tüm sıvılar için hedeflenen damlacık boyutları elde edilebilmiştir. Besi sıvıları için, damlacıklar-arası en uzun mesafe Qd=0,4 l/dk ve Qc=8 l/dk ile elde edilmiştir ve frekans 15 damlacık/s olarak hesaplanmıştır. Damlacık boyutunun sıcaklık ve akış hızına bağlı değişimi, sıvıların viskozitesi ve fazlar arası yüzey gerilimi hesaplanarak modellenmiştir. Hücre enkapsülasyon çalışmalarında 15-20 m boyutunda L929 fibroblast ve 20-30 m boyutunda MC3T3-E1 osteoblast hücre hattı 1, 5, 7 ve 10 milyon hücre/ml derişiminde kullanılmıştır. Başlangıç hücre derişimi ve damlacık çapının artması, damlacık içine giren ortalama hücre sayısını arttırmıştır; ancak büyük hücreler için damlacık içindeki ortalama hücre sayısı daha düşük bulunmuştur. Optimum akış koşullarında, damlacık başına yakalanma olasılığı en yüksek hücre sayısının, her iki hücre hattı için üç olduğu tespit edilmiştir. 5 milyon L929/mL kullanıldığında yakalanan hücre sayısı 0 ve 19 arasında değişmiştir ve üç hücre yakalama olasılığı %22,4 bulunmuştur. 7 milyon MC3T3-E1/mL ile yakalanan hücre sayısı 0 ve 13 arasında değişmiştir ve üç hücre yakalanma olasılığı %19,5 bulunmuştur.

Abstract:
Detailed analysis of cellular responses is crucial for the evaluation of drugs and therapeutic methods. Droplets generated using two-phase microfluidic systems can be considered as uniform miniature bioreactors that enable three-dimensional (3D) culture. Predicting the number of cells within a droplet is critical for determining spheroid size in 3D culture studies. The aim of this study was to optimize the flow conditions and model the variation of droplet size with temperature and flow rate to investigate the effects of different cell types and initial cell concentrations on droplet size and the number of cells within the droplet. A flow-focusing system with a 100 μm junction width and biocompatible soybean oil as the continuous phase was used to produce droplets with a maximum diameter of 100 μm. Water, DMEM, MEM+10%FBS for MC3T3-E1 cell line, and RPMI+10%FBS for L929 cell line were used as the dispersed phase for comparative analysis of flow and droplet formation processes. The ranges of two-phase flow regime were determined for these systems based on the continuous and dispersed phase flow rates, Qc and Qd, and the capillary number, Ca. The droplet flow regime was found for water at 0.05≤Qd/Qc≤0.25 and 0.09≤Ca≤0.002 and for other biological fluids at 0.05≤Qd/Qc≤0.5 and 0.1≤Ca≤0.001. The design Qd/Qc ratio of 0.05 enabled the attainment of the targeted droplet sizes for all fluids. For culture mediums, the longest inter-droplet distance was obtained with Qd=0.4 μl/min and Qc=8 μl/min and the frequency was calculated as 15 droplets/s. The variation of droplet size with temperature and flow rate was modeled using the calculated values of the viscosity of the fluids and the interfacial tension between the phases. In the cell encapsulation studies, L929 fibroblast and MC3T3-E1 osteoblast cell lines with sizes of 15-20 μm and 20-30 μm, respectively, were used at concentrations of 1, 5, 7, and 10 million cells/mL. Increasing the initial cell concentration and droplet diameter, increased the average number of cells entering the droplet; however, a lower average number of cells was found inside the droplets for larger cells. Under optimal flow conditions, the probability of capturing three cells per droplet was determined to be the highest for both cell lines. When 5 million L929/mL was used, the number of captured cells varied between 0 and 19 and the probability of capturing three cells was 22.4%. With 7 million MC3T3-E1/mL, the number of captured cells varied between 0 and 13 and the probability of capturing three cells was 19.5%.