Microfluidic biosensors for point of care applications using electrical impedance analysis and portable lensless wide-field microscopy imaging

Abstract

Hasta başı ve yerinde bakım günümüzde önemli bir ihtiyaçtır. Yerinde bakım testleri mevcut ihtiyaçlara göre sağlam, doğru, düşük maliyetli, kullanıcı dostu, özgül, duyarlı ve iletilebilir olabilir. Yerinde bakım testleri ile hızlı tanı konabilir ve tedavi takibi en iyileştirilebilir, bu testlerin kullanımı bulaşıcı hastalıklar için de çok önemlidir.HIV/AIDS küresel bir sorundur, dünyada 36 milyon HIV pozitif kişi vardır. Enfeksiyona sahip kişilerin büyük bir çoğunluğu yeterli sağlık bakım olanakları bulunmayan gelişmekte olan ülkelerdedirler. Bu nedenle HIV/AIDS teşhisi ve tedavisinin takibi için pratik, uygun maliyeti ve efektif yerinde bakım testlerine ihtiyaç vardır.Bu tez çalışmasında ilk olarak, yerinde HIV-1 virüs yükü teşhisi için elektriksel empedans analizi kullanan esnek polimer tabanlı bir mikroakışkan biyosensör geliştirilmiştir. İkinci olarak, yerinde HIV/AIDS takibi için lens gerektirmeyen geniş alan mikroskobik görüntüleme kullanan CD4+T hücrelerinin sayımını yapabilen mikroakışkan biyosensör geliştirilmiştir, son olarak bu sensörlerin oda sıcaklığında saklanabilmesi ve nakliye edilebilmesi ve raf ömrünün arttırılması için bir biyokoruma yöntemi geliştirilmiştir. İlk çalışmada, tasarlanan biyosensör, elektriksel empedans analizi kullanarak 106 - 108 kopya/mL HIV-1 virüs yükü teşhisi yapabilmektedir. Esnek polimer tabanlı olduğu için basit ve uygun maliyetlidir. Elektriksel modeli detaylı incelenmiştir. İkinci çalışmada, tasarlanan biyosensör, mikroakışkan çip kullanarak kandaki CD4+T hücrelerini yakalar ve lens gerektirmeyen geniş alan mikroskobik görüntüleme kullanarak otomatik sayar. Belirtilen mikroskobik görüntüleme sistemi uygulanmış ve yeni ve özgün bir hücre belirleme ve sayma algoritması tasarlanmıştır. Üçüncü çalışmada, ikinci çalışmada tasarlanan mikroakışkan biyosensörün oda sıcaklığında raf ömrü arttırılmıştır. Biyokoruma ajanı olarak trehalose kullanan mikroakışkan kanallar için çoklu tabaka organik yüzey kimyası biyokoruma yöntemi geliştirilmiştir. Bu biyokorunmuş biyosensör 6 ay boyunca test edilmiştir ve hücre yakalama performansları, doğruluk, özgüllük ve hassaslık için yaklaşık %90 oranındadır ve duyarlılık için ortalamadır.

Diagnosis and treatment monitoring near patient or point of care (POC) is an essential need. POC tests can be robust, accurate, cost effective, user friendly, specific, deliverable and sensitive according to current needs. POC tests can result faster diagnosis and optimize treatment follow up, they are also crucial for infectious diseases.HIV/AIDS is a global issue with 36 Million infected person. Most of them are living in developing countries with limited health care resources, there is an urgent need for POC diagnosis and treatment monitoring of HIV/AIDS. In this thesis first a flexible polymer based microfluidic biosensor using electrical impedance detection for POC HIV-1 virus load diagnosis is developed, second, a microfluidic biosensor and POC diagnosis system using lensless wide-field microscopy imaging for POC CD4+T cell counting is developed for HIV/AIDS monitoring and finally a biopreservation method for increasing the shelf life of POC CD4+T cell counting biosensor at room temperature is engineered. POC HIV virus load diagnosis biosensor using electrical impedance analysis is able to diagnosis 106 - 108 copies/mL of HIV-1 virus load, it is practical and cost effective, and its electrical model is analyzed in detail.POC CD4+T cell count system is able to specifically capture and automatically count CD4+T cells in whole blood with the developed novel cell detection and counting algorithm. A lensless wide-field microscope system integrated with a microfluidic cell capturing chip is developed and cell images to be counted are obtained using this microscope.POC CD4+T cell count biosensor is engineered to increase its shelf life. Biopreservation of multilayer immuno-functionalized surfaces inside a microfluidic chip has been developed using trehalose as a biopreservation agent. That biopreserved biosensors are stored in room temperature and used for tests up two 6 months. Their cell capture accuracy, specificity and precision are almost over 90% and sensitivity is average.