Fabrication of a microfluidic device for lung-on-a-chip application

Abstract

Hayvan deneyleri ilaç keşif ve geliştirme sürecindeki klinik öncesi çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Fakat etik meseleler, hayvanların insan fizyolojisinden farklı olması, çalışmaların uzun sürmesi ve yüksek maliyet gibi sebeplerden dolayı birçok zorluk yaşanmaktadır. Bu problemlerin üstesinden gelmek için mikroakışkan cihazlar yardımıyla insan hücrelerinin kullanıldığı hücre tabanlı tahliller üzerinde aktif olarak çalışılmıştır. Bu amaçla insanların kalp, damar, akciğer, karaciğer, mide ve bağırsak gibi organlarını taklit eden mikroakışkan tabanlı çip üzerinde organ üretmeye yönelik birçok çalışma vardır. Hatta farklı organlar birleştirilerek daha kompleks sistemlerde de çalışılmıştır. Bunların hepsi düşük maliyetle daha kısa sürede ilaç geliştirilmesine ve kişiye özel testlerin yapılmasına imkân tanımaktadır. Bahsedilen organlardan akciğer solunum sisteminin temel organıdır. Solunan hava bronşlardan bronşiyellere aktarılarak son kısımda bulunan alveollere kadar taşınır. Alveoller kılcal damarlardan oksijen ve karbondioksit alışverişinde rol oynar. Bu tez çalışmasında, alveolleri taklit etmek için PDMS tabanlı bir mikroakışkan cihaz üretilmiştir. Optik litografi yöntemi kullanılarak cihazın mikro yapılı kanallardan oluşan?PDMS parçaları üretilmiştir. SU-8 isimli ve UV ışığına duyarlı negatif bir fotorezist kullanılarak sistemin iki farklı PDMS katmanı için kalıp hazırlandı. Ek olarak, PDMS katmanlarının arasına sızdırmazlığı sağlamak için PDMS' den üretilmiş bir zar (membrane) yerleştirildi. Mikro akışkan cihazın bütün sisteminin sızdırmazlığını mükemmel bir şekilde sağlayabilmek için bir plazma temizleyici kullanılarak paketlendi. Son olarak sistem gıda boyaları kullanılarak ile test edildi.Animal experiments are widely used in preclinical studies in drug discovery and development. However, many difficulties are experienced due to ethical issues, the different physiology of animals from human physiology, the long duration of the studies and the high cost. To overcome these problems, cell-based assays using human cells have been actively studied with the help of microfluidic devices. For this purpose, there are many studies to produce microfluidic-based organs on a chip that mimics human organs such as the heart, blood vessels, lungs, liver, stomach and intestines. It has even been studied in more complex systems by combining different organs. All of these allow drug development and personalized testing in less time at low cost. Of the organs mentioned, the lung is the basic organ of the respiratory system. The inhaled air is transferred from the bronchi to the bronchioles and is carried to the alveoli in the last part. Alveoli are involved in the exchange of oxygen and carbon dioxide through capillaries. In this thesis, a PDMS-based microfluidic device was fabricated to mimic alveoli. Using the optical lithography method, PDMS parts of the device consisting of micro-structured channels were produced. By using a negative photoresist called SU-8 and sensitive to UV light, a mold was prepared for two different PDMS layers of the system. In addition, a membrane made of PDMS was placed between the PDMS layers to provide sealing. The microfluidic was packaged using a plasma cleaner to perfectly seal the entire system of the device. Finally, the system was tested with food dyes.