20715

۲۰۷۱۵

طراحي و ساخت دستگاه PCR با استفاده از فناوري ميكروسيالات گريز از مركز

دكتري

مهندسي مكانيك

۱۳۹۲

۱۳۹۸/۴/۱۶

دكتر مهدي نويدبخش

دكتر منوچهر اقبال - دكتر محمد زندي

مكانيك

امروزه تست‌هاي مولكولي از روش‌هاي پيشرفته و دقيق تشخيص بيماري‌ها و به‌عنوان جايگزين مناسبي براي روش‌هاي زمان‌بري مانند كشت ميكروبي شناخته مي‌شوند. واكنش زنجيره‌اي پليمراز (PCR) روش استاندارد تكثير ژن‌هاي موردنظر در اين تست‌ها به‌واسطه اعمال سيكل‌هاي حرارتي مشخص به نمونه DNA در دسترس است. در مطالعه حاضر، يك دستگاه آزمايشگاهي PCR با استفاده از فناوري ميكروسيالات گريز از مركز طراحي و ساخته‌شده است. اهداف اصلي ساخت اين دستگاه انجام سريع‌تر سيكل‌هاي حرارتي موردنياز نسبت به دستگاه‌هاي متداول آزمايشگاهي و همچنين انجام خودكار بخش‌هاي آماده‌سازي نمونه است. به‌عنوان نوآوري اصلي اين پژوهش، روشي به نام گرمايش موضعي با هواي گرم با استفاده از نازل دوطرفه هوا براي افزايش سرعت گرمايش و سرمايش سيال داخل ديسك‌هاي ميكروسيالاتي نسبت به نمونه‌هاي هواي گرم متداول ارائه‌شده است. ابتدا به‌منظور درك نحوه شكل‌گيري جريان‌هاي هوا و توزيع دما بر روي سطح ديسك در پلتفرم موردبررسي يك تحليل عددي با استفاده از روش المان محدود بر روي يك مدل سه‌بعدي از پلتفرم صورت پذيرفت. نتايج نشان‌دهنده امكان گرمايش يكنواخت سطح ديسك با دبي‌هاي هواي مؤثر خروجي از نازل (بالاتر از 5 ليتر بر دقيقه) است. در ادامه به‌منظور بررسي تأثير پارامترهاي مختلف عملكردي سيستم شامل دبي هواي خروجي از نازل، دماي هواي خروجي از نازل و سرعت دوراني ديسك، يك دستگاه آزمايشگاهي طراحي و ساخته شد. با استفاده از نتايج تجربي به‌دست‌آمده براي بازه‌هاي مناسب از پارامترهاي عملكردي سيستم و استفاده از يك سيستم كنترل PID، سيكل‌هاي موردنظر با سرعت گرمايش و سرمايش حدودي 8/1 و 2/2 درجه سانتي‌گراد بر ثانيه بر حجم 25 ميكروليتر از سيال اعمال گشت كه نشان از افزايش حدوداً دو برابري نسبت به روش‌هاي هواي گرم متداول دارد. به‌عنوان كاربرد بيولوژيكي، تكثير ژن β actin با اعمال سيكل‌هاي حرارتي با استفاده از دستگاه ساخته‌شده انجام پذيرفت. مقايسه نتايج به‌دست‌آمده با يك دستگاه PCR صنعتي، گوياي موفقيت روش ارائه‌شده براي تكثير ژن‌ها باكيفيت مناسب (بر اساس آشكارسازي با روش الكتروفورز بر روي ژل) با كاهش زمان در حدود 40 درصدي بوده است. پس از اطمينان از كاركرد مناسب روش گرمايشي ارائه‌شده و با توجه به گرمايش موضعي ديسك با به‌كارگيري روش عنوان‌شده، يك شبكه ميكروسيالاتي اختصاصي براي انجام مراحلي شامل اندازه‌گيري حجم‌هاي دقيق از محلول‌هاي واردشده و تركيب بهينه سيالات حاضر در واكنش ارائه‌شده است. براي بخش مخلوط سازي يك ميكروميكسر با استفاده از روش نوين اينرسي دوراني بكار برده شد. نتايج آزمايش‌هاي تجربي صورت گرفته بر روي اين المان، نشان‌دهنده افزايش 60 درصدي سرعت يك مخلوط سازي مؤثر در مقايسه با نمونه‌هاي قبلي و باكيفيت مخلوط سازي قابل‌قبول (انحراف از معيار استاندارد نهايي 1/0) ارائه‌شده است. با به‌كارگيري اين ميكروميكسر به همراه مدل‌هاي نه‌چندان پيچيده از ساير المان‌هاي اشاره‌شده، يك شبكه ميكروسيالاتي براي انجام خودكار مراحل سيالاتي تنها با اعمال يك پروفايل سرعت دوراني حاصل‌شده امكان‌پذير گرديد. به دليل ويژگي‌هاي هندسي استفاده‌شده براي طراحي‌ها، قابليت آماده‌سازي 10 عدد نمونه براي انجام يك عمليات PCR به‌صورت خودكار فراهم مي‌گردد.

1398/04/22

Design and manufacturing of a PCR system based on centrifugal microfluidics

7/6/2020 12:00:00 AM

Nowadays, Molecular diagnostics is an advanced and precise method in medical diagnostics and an alternative method for time-consuming techniques such as microbial culture. The Polymerase chain reaction (PCR) is the standard technique for DNA amplification. In this study, we present a PCR system based on centrifugal microfluidics. The main goal of this study is presenting a system for automation and accelerating a PCR procedure in comparison to conventional systems. As the main invention of this study an air-mediated local heating method through a dual-sided nozzle is presented for increasing heating and cooling ramps in comparison to previously presented air-mediated methods. For estimating the flow and heat transfer behavior of the presented method, a numerical simulation has been conducted using finite element analysis. The result show that the disk surface can be uniformly heated by using sufficient flows of hot air (more than 5 lpm). For evaluation of the effects of different operational parameters of the system, i.e., rotational velocity of the disk, temperature and flow rate of blowing hot air, an exclusive experimental system was manufactured. Using the appropriate domain of the operational units and implementing a PID controller, the thermal cycles were applied on 25 µl of liquid sample. The results showed that considerable rates of heating and cooling (1.8 and 2.2ºC/s respectively) can be achieved using the presented heating method. For biological validation, the system was used for amplifying the β-actin gene with a suitable amplification rate by gel electrophoresis detection. The total time was 40% of a commercial PCR system time. Finally, a Specific microfluidic network was presented for conduction of the different PCR steps consist of metering, mixing and thermal cycling. For mixing step a new micromixer based on the moment of inertia method was presented for passively preparing a homogeneous mixture of different liquids in shorter times (about 60%) in comparison to shaking method. By using the presented microfluidic network, it is possible to simultaneously perform the required steps for 10 different samples.