شبيه‌سازي، ساخت و مشخصه‌يابي چيپ‌هاي ميكروسيال¬هاي اكتيو دي‌الكتروفورتيك به منظور جداسازي و تمايز وزيكول‌هاي خارج سلولي در ابعاد نانو

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مواد و متالورژي

دكتري

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.

237581

نانوفناوري

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان