Development of a microfluidic chip to separate circulating tumor cells from human blood

Abstract

Bu tezin ana amacı, Dolaşımdaki Tümör Hücrelerinin (CTC'ler) diğer hücrelerden ayrımını yüksek verimle yapan mikroakışkan çiplerin tasarımını ve modellemesini yapmaktır. Bu bağlamda, parçacık takibinin fiziksel mekanizmasının mikro boyutta kontrolünü anlamak çok önemlidir. İlk adımda, parçacık ayırımını gerçekleştirmek için kullanacağımız kanalın kesit boyutlarına karar vermek için laminar akış altında düz kanallarda parçacık hareketini gözlemledik. İkinci adımda arşimet spiral kanallını içeren birkaç çip tasarladık. Bu kanallardaki simülasyonları laminar akış altında geniş bir Reynolds sayısı aralıklarıyla gerçekleştirdik. Parçacıklara etki eden atalet kuvvetleri kanal akış hızı ile değişir. Kanal akış hızını değiştirerek belirli Reynolds sayılarına parçacık hareketlerini gözlemledik. Reynolds sayısı azaldığında, belirli bir zamanda parçacık üzerine etki eden sürüklenme kuvveti de azaldı. Bu durum partikül ayırma etkinliğinin azalmasına neden oldu. Bunu önlemek için, Reynolds sayısı azalttığımızda kanal uzunluğunu artırdık. Böylece parçacıklar üzerindeki atalet kuvvetlerini stabilize ettik. Daha detaylı açıklamak gerekirse, kısa kanallar, büyük Reynolds sayılarının etkisi ile kanallarda daha büyük atalet kuvvetlerine maruz kalan parçacıkları ayırmak için yeterliydi. Bu sayede yüksek Reynold sayının olduğu simülasyonda kısa sürede parçacık ayrımı gerçekleşti. Ancak, küçük Reynolds sayılarına sahip kanallardaki düşük sürtünme kuvveti nedeniyle, kanalın uzunluğu uzatılmış ve partiküller etkin bir ayırma sağlamak için sürükleme kuvvetine daha uzun bir süre maruz bırakılmıştır. Kanal geometrisi ve akış debisi parçacıkları yüksek verimlilikle ayırmak için simülasyonlarda ana role sahiptir. Simülasyonlar, kılıf akışı mevcudiyetinde ve kılıf akışı olmadan gerçekleştirildi, sonuçlar açık bir şekilde karşılaştırıldı. Reynolds sayısının parçacık odaklamasını nasıl değiştirdiği, kanaldaki dikey kesit alanları alınarak gösterildi. Parçacık hareketleri sağlayan dekan akışı bu dikey kesit alanlarında netleştirildi ve gösterildi. Herhangi bir dış kuvvet olmadan atalet kuvvetleri kullanarak parçacık manipülasyonu, ayırma, ayırma simülasyonları gerçekleştirdik. Simülasyonlar laboratuvar çalışmaları için öncü bir çalışma olmuştur.The main goal of the thesis is to design and model microfluidic chips to effectively separate the Circulating Tumor Cells (CTCs) from other cells. Understanding the control of the physical mechanism of particle trajectories at the microscale is essential. In the first step, we tracked particle movement in straight channels under laminar flow to determine the channel cross-section dimensions. In the second step, we designed several chips containing archimedean spiral channels. We performed the simulations varying the Reynolds number under laminar flow. The inertial forces, which are acting on particles are strongly affected by flow rate, so we observed particle movement at several Reynolds numbers. When the Reynold number decreased, the drag force on the particles decreased. That situation caused decreasing particle separation efficiency. To prevent that, we increased channel length when the channel Reynolds number decreased. Therefore, we stabilized the inertial forces on particles. More need to clarify, the short channels were enough to separate particles exposed to higher inertial forces in channels with the effect of large Reynolds numbers. Thus, particle separation was completed in a short time in the simulation with high Reynolds numbers. However, due to the low drag force in the channels with small Reynolds numbers, the length of the channel was extended, and the particles were exposed to the drag force for a more extended period to accrue efficient separation. In the simulations, the channel geometry and fluid flow rate have a prominent role in separating particles with high efficiency. Simulations were performed in the presence of sheath flow, and without sheath flow, fallowing the results were compared. How the Reynolds number changed the particle focusing was showed, by taking cross section area in the channel. Dean flow that provides particle movements has been clarified and illustrated in this crosssection area. We performed particle manipulation, separation, sorting simulations by using inertial forces without any external force. Simulations have been a pioneering work for laboratory studies.