شماره مدرك
21080
شماره راهنما
2484 دكتري
پديد آورنده
كريمي دهكردي، شيوا
عنوان
شبيهسازي، ساخت و مشخصهيابي چيپهاي ميكروسيال¬هاي اكتيو ديالكتروفورتيك به منظور جداسازي و تمايز وزيكولهاي خارج سلولي در ابعاد نانو
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
نانوفناوري
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
ط، 138 ص.
توصيفگر ها
وزيكول¬هاي خارج سلولي، آرايه¬هاي ميكروالكترود جفت¬شده با الكترودهاي شانه¬اي، ميكروسيال¬ها، سنسور زيستي، اگزوزوم
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/10
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مواد و متالورژي
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/10
كد ايرانداك
23194131
چكيده فارسي
وزيكولهاي خارج سلولي (EVs) بهعنوان نانوذرات زيستي ناهمگن، به دليل نقش محوري در فرآيندهاي تشخيصي، رديابي و درماني، در سالهاي اخير توجه ويژهاي را به خود جلب كردهاند. در ميان انواع وزيكولها، اگزوزومها كه در مايعات زيستي گوناگون از جمله خون، بزاق، شير انسان و ادرار يافت ميشوند، اهميت ويژهاي دارند. در اين پژوهش، اگزوزومهاي مشتقشده از شير انسان بهعنوان منبعي غني از عوامل زيستي مورد بررسي قرار گرفتهاند. به دليل ساختار پيچيده و محتواي بيولوژيك غني شير انسان، اگزوزومهاي آن ظرفيت درماني قابل توجهي براي طيف وسيعي از بيماريها دارند. بنابراين توسعه روشهاي كارآمد براي جداسازي و رديابي اين نانوذرات ميتواند در پزشكي بازساختي، دارورساني هدفمند و تشخيص زودهنگام بيماريها نقش مهمي ايفا كند. روشهاي متداول جداسازي اگزوزومها، بهويژه التراسانتريفيوژ، به دليل هزينهبر بودن، صرف زمان طولاني و احتمال آسيب ساختاري به ذرات، با محدوديتهايي همراه هستند. در مقابل، سامانههاي ميكروسيال ه علت نياز به حجم اندك نمونه، سهولت استفاده و قابليت يكپارچهسازي، گزينهاي نوين و كارآمد محسوب ميشوند. با اين حال، جداسازي ذرات نانومتري در اين سامانهها همچنان چالشبرانگيز است. در اين راستا، ديالكتروفورز (DEP) به عنوان روشي دقيق و غيرنيازمند به بيوماركر، با حداقل تخريب مكانيكي و توانايي جداسازي مبتني بر ويژگيهاي فيزيكوشيميايي ذرات، رويكردي نوآورانه و اميدواركننده معرفي ميشود. در اين پژوهش براي ساخت تراشه ميكروفلويديكي، از روش فوتوليتوگرافي با دو ماسك (الكترودهاي شانهاي و دايرهاي) همراه با فرآيندهاي لايهنشاني رسوب بخار شيميايي (CVD) پلاسمايي و اسپاترينگ استفاده شد. ساختار تراشه توسط تصويربرداري اپتيكي، ميكروسكوپ الكتروني روبشي ميدان-گسيل (FESEM)، ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) و پراش پرتو ايكس (XRD) مورد تحليل قرار گرفت. براي ارزيابي توان جداسازي تراشه، اگزوزومهاي شير انسان با رنگ فلورسنت PKH26 و بيوماركر اختصاصي CD63-FITC نشانهگذاري و در حجم µl 10 به سامانه تزريق شدند. فرآيند جداسازي و رديابي با استفاده از ميكروسكوپ فلورسنت و الكتروني بررسي شد. در فاز نخست، فرآيند طراحي و بهينهسازي چيپ با بهرهگيري از نرمافزار شبيهسازي كامسول و بر اساس تحليل المان محدود (FEM) انجام شد. نتايج شبيهسازي توزيع ميدان الكتريكي و رفتار چگالي جريان نشان داد كه استفاده از 14 الكترود شانهاي با ابعاد بهينه (عرض µm 90، طول mm 5 و فاصله µm 40) در كنار 33 آرايه ميكروالكترود دايرهاي (قطر µm 60 و فاصله µm 150) در يك آرايش مثلثي منظم، شرايطي پايدار و مناسب براي ايجاد گراديان الكتريكي مطلوب و بهتبع آن جداسازي مؤثر ذرات نانومتري فراهم ميكند. تحليل پاسخ ديالكتروفورزي ذرات نشان داد كه ذرات با ابعاد بزرگتر ازnm 800 به دليل پلاريزاسيون كمتر نسبت به محيط سيال، رفتار ديالكتروفورزي منفي از خود بروز ميدهند. در مقابل، ذرات واقع در بازه nm700–200 تحت تأثير همزمان نيروهاي ديالكتروفورزي مثبت و نيروهاي الكترواسموتيك قرار گرفته و حالتي رقابتي را نشان ميدهند. همچنين، ذرات كوچكتر ازnm 200 بهطور غالب رفتار ديالكتروفورزي مثبت داشته و تمايل به جذب در نواحي با شدت ميدان بالاتر دارند. اعتبارسنجي تجربي سامانه نيز همراستا با شبيهسازيها نشان داد كه شرايط عملياتي بهينه در فركانس kHz5 و ولتاژ Vpp7 حاصل شده و در اين شرايط، بازدهي جداسازي حدود 70% به دست آمد. اين نتايج بيانگر همگرايي قابل توجه ميان پيشبينيهاي شبيهسازي و يافتههاي تجربي بوده و كارايي طراحي پيشنهادي تراشه را در جداسازي وزيكولهاي خارجسلولي تأييد ميكند. با توجه به پتانسيل درماني و تشخيصي اگزوزومهاي شير انسان، توسعه تراشههاي ميكروفلويديكي مبتني بر ديالكتروفورز ميتواند مسير نويني براي جداسازي و رديابي اين نانوذرات فراهم كند. يافتههاي اين پژوهش نشان ميدهد كه استفاده از ميكروالكترودهاي شانهاي و دايرهاي بهينهشده ميتواند گامي مؤثر در جهت ارتقاي كارايي جداسازي و كاهش نياز به روشهاي پرهزينه و تهاجمي متداول باشد.
چكيده انگليسي
Extracellular vesicles (EVs) are heterogeneous nanoparticles that have drawn great interest owing to their diagnostic, tracking, and therapeutic possibilities. Exosomes can be found in many biological fluid types, including blood, saliva, human milk, urine, as well as in cell culture media. This study is based on exosomes isolated from human milk, which has a complex composition to allow for therapeutic utility in many diseases, which is why it is important to identify and track these vesicles well. Ultracentrifugation is an established method of isolating exosomes, but it can be expensive, lengthy, and could also harm the vesicle structure. Microfluidic systems are being developed to address these issues with ultracentrifugation, offering low cost, simplicity, and low sample volume requirements, but isolating nanoscale EVs within these systems remains challenging. Recent Monte Carlo methods have been developed to isolate EVs using dielectrophoresis, allowing separation by size without needing biomarkers, which may minimize mechanical damage. In this work, microelectrode arrays (MEAs) combined with interdigitated electrodes (IDEs) to extract human milk EVs with a mean particle size of 100nm. The use of COMSOL Multiphysics allowed for simulation and optimization of microchip geometries by assessing how current density behaved as a function of the geometry of the electrodes.The best layout consisted of 14 interdigitated electrodes (width 90 μm, length 5 mm, spacing 40 μm) and 33 microelectrode arrays (472 electrodes, circular geometry, 60 μm diameter, and 150 μm spacing) arranged in a triangular spatial configuration which gave the best results in terms of consistency in current density. Photolithography was used to produce chips from 2 masks (1 for the IDE and 1 for the circular electrodes) and 3 deposition steps using PECVD and sputtering. Characterization was done using optical microscopy, FESEM, AFM and XRD. More COMSOL simulations with an 8 electrode design showed that particles larger than 800 nm showed negative DEP, particles between 200 and 700 nm showed competitive positive DEP and electroosmotic forces, and particles smaller than 200 nm showed positive DEP. The most optimal separation results were achieved at 5 kHz and 7Vpp, correlating with the previously achieved results of separation efficiency (70%). To validate the separation performance, exosomes (EVs) were labeled with PKH26 dye and the CD63-FITC biomarker, injected into the chip (10 μL), and then tracked through fluorescence microscopy and electron microscopy
استاد راهنما
عباس بهرامي , مينا ميريان
استاد مشاور
فرشته كرمعلي
استاد داور
فتح اله كريم زاده , عليرضا علافچيان , آزاده طاهري