Design and simulation of a microfluidic biochip for optic detection with derivatized microbeads and the biochemistry of learning

Abstract

Microfluidic systems are an important technology suitable for a wide range of applications due to their rapid response capabilities, low cost and, small amounts of sample need. Microfluidics tries to overcome difficulties in conventional assays in medical diagnosis. The combination of biosensors and microfluidic chips increases the analytical capability to extend the scope of possible applications. In this thesis, two types of microfluidic modeling were designed for biomedical applications. The first design is a bead derivatized sensor in a microfluidic chip to detect biomarkers. The second model is designed to observe the effect of α-syn protein which constitutes the communication of two nerve cells through channels in the microfluidic system and the long term potentiation. In Project 1, Integrated affinity sensors within microfluidic platforms show great interest in life environmental and science analytical science applications. They are generally placed in the base of a fluidic flow channel on which an analyte solution is passed. The analyte detection on the sensor depends on the event of a recognition-binding, most generally antigen-antibody, for which the recognition molecules are attached to the surface of the sensor for the analyte. The analyte -recognition molecule complex is detected on the sensor. The integration of bead-based immunoaffinity assays in microfluidic chips has recently become an area of interest for many researchers. Integrated affinity sensors inside of the microfluidic structures have many advantages which are low-cost, rapid, highly specific detection and sensitivity. In this study, the microfluidic system has been designed with different substrate patterns in the continuous flow of phosphate-buffered saline (PBS), and microbeads were examined. Functionalized microbeads have been used as biomolecules to enhance the affinity of biomarkers and for high sensitivity. Microchannel was patterned with square pyramid well array, conic well array, triangle pyramid array, and the each microbeads made of polystyrene were placed into the each microwell; PS beads were simulated with different flow rates. Initially, PBS was utilized to simulate blood serum, and PS nanoparticles, functionalized and fluorescently labeled nanoparticles that allow detection of biomarkers, were simulated for examination by fluorescence microscopy. As a result of three different geometric well chip patterns and three different bead size simulations, it was determined that the shape of the well should be conical and the bead size should be 150 µm. The lowest cross-section flow rate of the fluid sent from the inlet of the channel with a flow rate of 300 µl was determined in conical design. This indicates that there will be more interaction with the surface compared to other patterned arrays. In Project 2, The purpose of this project is to create a biosynthetic neuron-on-a-chip to reproduce the activity of neuronal function. Neurons are the main important units of the nervous system and brain. The target of neurons is to receive sensory input from the outside world and send motor commands to the muscles. They are also responsible for converting and transmitting electrical signals in every step that takes place in this cycle. Neurons communicate with electrochemical signals. Therefore, electrical and chemical events must occur together for the communication of two neuron cells. It transmits a neuron signal through the axons to the dendrites of other neurons to which it connects via the axons called synapses. Long Term Potentialization is a process in which synaptic connections between neurons are strengthened by frequent activation. LTP is thought to change the brain in response to experience, thereby providing a mechanism underlying learning and memory. In the process of learning, nerve cells, the basic computing units of any nervous system, are thought to exhibit digital and analog properties. Alpha-synuclein(α-syn) proteins are of high importance to sustaining LTP in the brain. In this thesis, the most suitable platform for communication between two yeast cells and the passage of α-syn proteins through channels is optimized and designed. It refers to nerve cells in the computer environment by yeast cells in the simulation program. A channel that enables the communication of two yeast cells was designed and these yeast cells were placed in the traps located at the entrances of the channels. The activating agent was sent to produce α-syn of yeast cells in the A channel. Αlpha-synuclein protein, which is synthesized from yeast cells in the A channel, has passed through the channel and attached to the NDMA receptor in the other yeast cell in the B channel. Then, LTP was provided by activating the α-syn protein bound to the NDMA receptor in a balanced manner with Ca^+ions. Irregularity in the ratio of protein Ca^+ and α-syn prevents the formation of long term potentiation and causes Parkinson's disease. Optimization studies were carried out in microfluidic chip design. The number of channels along with the microfluidic chip, the width of chamber A and B, the width of the communication channel, the distance between communication channels, the length of yeast cells chamber, the length of yeast cells communication channel, the inlet-outlet radius of chamber A and B were determined. As a result of these determinations, it was observed how each parameter affects diffusion. The greater diffusion indicates that the amount of α-syn protein passes more from chamber A to chamber B. It was also observed that some parameters started diffusion earlier. Therefore, it enabled more yeast cells to interact. Computer modeling and simulation were applied as a very useful tool for improvements in the design of microfluidic chip geometry, as well as for the optimization of the technological and functional parameters. In this thesis, COMSOL Multiphysics, which is the most used in microfluidic systems, is used in two projects for microfluidic chip design and simulations within the designed chip.

Mikroakışkan sistemler, hızlı cevap yetenekleri, düşük maliyeti ve az miktarda numune ihtiyacı nedeniyle çok çeşitli uygulamalar için uygun ve önemli bir teknolojidir. Mikroakışkanlar, tıbbi teşhis koyarken geleneksel testlerdeki üstesinden gelmeye çalışır. Biyosensörler ile mikroakışkan çiplerin kombinasyonu, olası uygulamaların kapsamını genişletmek için analitik kabiliyeti arttırır. Mikroakışkan sistemler içerisine yerleştirilmiş olan biyosensörlerin geleneksel biyosensörlere göre bir çok avantajı olduğu görülmüş ve günümüzde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu tezde biyomedikal uygulamalar için iki tip mikroakışkan sistem içerisinde biyosensör modellemesi tasarlanmıştır. Tezde yer alan ilk tasarım, biyobelirteçleri saptamak için mikroakışkan bir çip içerisinde mikro küre ile türevlendirilmiş optik bir biyosensördür. İkinci model, iki sinir hücresinin mikroakışkan sistem içerisinde kanallar yoluyla iletişimini ve uzun süreli potansiyasyonu oluşturan alfa-sinüklein proteininin sinir hücreleri arasında geçişini gözlemlemek için tasarlanmıştır. Proje 1'de, mikroakışkan yapılar içindeki entegre afinite sensörleri yaşam bilimi ve çevresel analitik bilim uygulamalarına büyük ilgi göstermektedir. Bu afinite sensörleri genellikle üzerinden analit çözeltisinin geçtiği bir akışkan akış kanalının tabanına yerleştirilir. Analitin sensör üzerindeki tespiti, analit için tanıma moleküllerinin sensörün yüzeyine tutturulduğu bir tanıma bağlanma olayına, en tipik örneği olarak antikor-antijen ilişkisine bağlıdır. Tanıma molekülü-analit kompleksi sensörde tespit edilir. Mikro küre tabanlı immünoafinite deneylerinin mikroakışkan çiplere entegrasyonu son zamanlarda birçok araştırmacı için ilgi alanı haline gelmiştir. Mikroakışkan yapılar içindeki entegre afinite sensörleri, düşük maliyetli, hızlı, yüksek derecede spesifik algılama ve hassasiyet gibi birçok avantaja sahiptir. Bu çalışmada, mikroakışkan sistem, fosfat tamponlu salinin (PBS) sürekli akışında farklı taban desenleri ile tasarlanmıştır ve mikro küreler incelenmiştir. Biyobelirteçlerin afinitesini artırmak ve yüksek hassasiyet için biyomolekül olarak fonksiyonelleştirilmiş mikro küreler kullanılmıştır. Mikrokanal tabanı kare piramit kuyucuk dizisi, konik kuyucuk dizisi, üçgen piramit kuyucuk dizisi ile desenlendirilmiştir ve polystyreneden(PS) yapılmış olan mikro küreler her bir mikro kuyucuğa tek tek yerleştirildi; PS tanecikleri farklı akış hızlarıyla simüle edilmiştir.Başlangıçta kan serumu simüle etmek için PBS kullanıldı ve biyobelirteçlerin saptanmasına izin veren fonksiyonelleştirilmiş ve floresan etiketli nanopartikülleri olan PS nanoparçacıkları, floresan mikroskopisi ile incelenmek üzere simule edildi.Üç farklı geometrik kuyucuk chip tabanı deseni ve üç farklı mikro küre boyutu simülasyonu sonucunda, kuyucuk şeklinin konik ve mikro küre boyutunun 150 um olması gerektiği belirlenmiştir. Konik tasarımda 300 ul akış hızına sahip kanal girişinden gönderilen sıvının en düşük kesit akış hızı belirlendi. Bu, diğer desenlendirilmiş tabanlara kıyasla yüzeyle daha fazla etkileşim olacağını gösterir. Proje 2'de, bu projenin amacı, nöronal fonksiyonun temel aktivitelerini taklit etmek için bir çip üzerinde biyosentetik bir nöron oluşturmaktır. Nöronlar, beynin ve sinir sisteminin temel birimleridir. Sinir sistemleri dış dünyadan duyusal girdi almaktan, kaslarımıza motor komutları göndermek ve aradaki her adımda elektrik sinyallerini dönüştürmek ve aktarmaktan sorumlu hücrelerdir. Nöronlar elektrokimyasal sinyallerle haberleşirler. Yani, iki nöron hücresinin haberleşmesi için elektriksel ve kimyasal olayların birlikte gerçekleşmesi gerekmektedir. Günümüzde elektriksel haberleşme yani beynin dijital kısmını anlamak için bir çok yapay zeka modellemeleri yapılmıştır. Ancak hem dijital, hem kimyasal kısmını birlikte ele alan çalışma sayıları azdır. Bu çalışmada, beynin kimyasal olaylarının gerçekleştiği analog kısmın modellemesi üzerine çalışışmıştır. Bir nöron sinyalini akson üzerinden bağlandığı öteki nöronların dentritlerine sinaps denen bağlantı noktalarıyla iletiyor. Uzun Süreli Potansiyelizasyon, nöronlar arasındaki sinaptik bağlantıların sık aktivasyonla güçlendiği bir süreçtir. LTP'nin beynin deneyime yanıt olarak değiştiği ve böylelikle öğrenme ve hafızanın altında yatan bir mekanizma sağladığı düşünülmektedir. Öğrenme sürecinde, herhangi bir sinir sisteminin temel hesaplama birimleri olan sinir hücrelerinin dijital ve analog özellikler sergilediği düşünülmektedir. Alfa-sinüklein (α-sin) proteinleri beyindeki LTP'nin sürdürülmesi için büyük öneme sahiptir. Bu tezde, iki maya hücresi ve α-sin proteinlerinin kanallardan geçişi arasındaki iletişim için en uygun platform optimize edilmiş ve tasarlanmıştır. Simülasyon programındaki maya hücreleri bilgisayar ortamındaki sinir hücrelerini ifade eder. İki maya hücresinin iletişimini sağlayan bir kanal tasarlandı ve bu maya hücreleri, kanalların girişlerinde bulunan tuzaklara yerleştirildi. Aktive edici ajan, A kanalındaki maya hücrelerinin α-sin üretilmesi için gönderildi. A kanalındaki maya hücrelerinden sentezlenen alfa sinüklein proteini, kanaldan geçti ve B kanalındaki diğer maya hücresindeki NDMA reseptörüne bağlandı. Daha sonra LTP, NDMA reseptörüne bağlı a-sin proteini Ca^+ iyonları ile dengeli bir şekilde aktive edilerek sağlandı. Protein Ca^+ ve α-sin oranındaki düzensizlik, uzun vadeli potansiyel oluşumunu önler ve Parkinson hastalığına neden olur. Mikroakışkan çip tasarımı için optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Mikroakışkan çip boyunca kanal sayısı, A ve B kanalının genişliği, iletişim kanalının genişliği, iletişim kanalları arasındaki mesafe, maya hücrelerinin kanalının uzunluğu, maya hücreleri iletişim kanalının uzunluğu, A ve B kanalının giriş-çıkış yarıçapı belirlendi. Bu tespitler sonucunda her bir parametrenin difüzyonu nasıl etkilediği gözlenmiştir. Daha fazla difüzyon, α-syn proteini miktarının A kanalından B kanalına daha fazla geçtiğini gösterir. Difüzyonun daha erken başlaması, daha yoğun bir şekilde difüzyon gerçekleşmesi yorumları iki maya hücresi arasındaki etkileşimin arttığını gösterir. Bu nedenle, daha fazla maya hücresinin etkileşmesini sağlamak amacıyla farklı parametreler denendi ve optimizasyon sağlandı. Bilgisayar modelleme ve simülasyon, mikroakışkan çip geometrisinin tasarımındaki iyileştirmelerin yanı sıra teknolojik ve fonksiyonel parametrelerin optimizasyonu için çok kullanışlı bir araç olarak uygulanmıştır. Bu tezde, mikroakışkan sistemlerde en çok kullanılan COMSOL Multifizik simulasyon programı mikroakışkan çip tasarımı ve tasarlanmış chip içerisindeki simülasyonlar için her iki projede kullanılmaktadır. COMSOL aracılığıyla yapılan simulasyonlar sonucunda, programdan sonuç verileri alınıp grafiksel analizler yapılmıştır. Simulasyon programıyla çalışmamızın amacı; gerçek sistemin modelinin tasarlanması ve bu model ile sistemin işletilmesi amacına yönelik olarak, sisteemin davranışını anlayabilmek veya değişik stratejileri değerlendirmek için deneyler yürütülmesini sağlamaktır.