Σχεδιασμός παθητικού μικροαναμικτή βιολογικών δειγμάτων μέσω υπολογιτστικής μελέτης

Κεφαλά, Ιωάννα; Kefala, Ioanna

dc.contributor.author	Κεφαλά, Ιωάννα	el
dc.contributor.author	Kefala, Ioanna	en
dc.date.accessioned	2016-07-11T09:51:18Z
dc.date.available	2016-07-11T09:51:18Z
dc.date.issued	2016-07-11
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43056
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5938
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Μικροανάμιξη	el
dc.subject	Μικροαναμίκτης	el
dc.subject	Διάχυση	el
dc.subject	Διαχωρισμός και επανένωση	el
dc.subject	Μικροεργαστήριο σε ψηφίδα	el
dc.subject	Simulation	en
dc.subject	Micromixer	en
dc.subject	Micromixing	en
dc.subject	Diffusion	en
dc.subject	Split and Merge (SAM)	en
dc.subject	Split and Recombine (SAR)	en
dc.subject	Lab on a Chip (LoC)	en
dc.title	Σχεδιασμός παθητικού μικροαναμικτή βιολογικών δειγμάτων μέσω υπολογιτστικής μελέτης	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Lab on a Chip	en
heal.classification	Μικροεργαστήριο σε ψηφίδα	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-12-22
heal.abstract	Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι μία συστηματική υπολογιστική μελέτη, που περιλαμβάνει μονοδιάστατες και τριδιάστατες προσομοιώσεις, με σκοπό την ανάλυση του φαινομένου της διάχυσης σε μικροαναμίκτες και τελικό σκοπό τη σχεδίαση και κατασκευή ενός παθητικού μικροαναμίκτη για βιοαναλυτικές εφαρμογές. Στην πράξη η μελέτη για την αποτελεσματικότητα της ανάμιξης ανάγεται στο πρόβλημα ανάμιξης δύο ρευμάτων, ενός διαλύματος με μία διαλυμένη ουσία και του διαλύτη. Η υπολογιστική μελέτη ξεκινάει με τη μονοδιάστατη ανάλυση του προβλήματος, που ουσιαστικά αντιστοιχεί στο πρόβλημα της καθαρής διάχυσης και περιγράφεται από το 2ο νόμο διάχυσης του Fick. Ακολουθεί, η τριδιάστατη μελέτη του προβλήματος, όπου περιλαμβάνει την εξίσωση της συνέχειας, τις εξισώσεις Navier-Stokes, καθώς και την εξίσωση διατήρησης της μάζας του διαλυμένου συστατικού για μόνιμη και ασυμπίεστη ροή. Επιπλέον, επιχειρείται η σύνδεση / σύγκριση της μελέτης του προβλήματος σε μία, δύο και τρεις διαστάσεις. Το πρώτο εύρημα της υπολογιστικής μελέτης είναι ότι το πλήθος και η ακριβής θέση των εισόδων του μικροαναμίκτη παίζουν σημαντικό ρόλο στην αποτελεσματικότητά του. Με βάση αυτό το συμπέρασμα και με βάση σχέδια μικροαναμικτών από τη βιβλιογραφία κατασκευάζεται ένας παθητικός μικροαναμίκτης με γεωμετρία ζιγκ-ζαγκ και τρεις εισόδους κατάλληλα τοποθετημένες. Οι διαστάσεις του καναλιού (βάθος και πλάτος) του μικροαναμίκτη προέρχονται από τις προδιαγραφές της τεχνολογίας εύκαμπτων τυπωμένων κυκλωμάτων (Flexible Printed Circuit, FPC) και το υπόστρωμα που χρησιμοποιείται (φωτοευαίσθητο πολυμερές με βάση το πολυιμίδιο, PI). Το απαιτούμενο μήκος (ή όγκος) του μικροαναμίκτη για αποτελεσματική ανάμιξη προέρχεται από την υπολογιστική μελέτη. Ο μικροαναμίκτης αξιολογείται μέσω ενζυμικής πέψης DNA και σε χρόνο μόλις 2.5 min επιτεύχθηκε πέψη. Το δεύτερο εύρημα της υπολογιστικής μελέτης προέρχεται από τη σύγκριση μικροαναμικτών της βιβλιογραφίας με ένα νέο μικροαναμίκτη που συνδυάζει χαρακτηριστικά από τους προηγούμενους. Πρόκειται για ένα μικροναμίκτη διαχωρισμού και επανένωσης (Split and Merge, SAM) με λαβυρινθώδη κανάλια (labyrinth-SAM), ο οποίος συνδυάζει μηχανισμούς που εν δυνάμει ενισχύουν την ανάμιξη: (α) Την ανάπτυξη των «δινών Dean» (Dean Vortices) λόγω της καμπυλότητας των καναλιών, (β) τη μείωση του μήκους διάχυσης εξαιτίας της τεχνικής του διαχωρισμού και επανένωσης της ροής, (γ) τη δημιουργία υψηλών βαθμίδων συγκέντρωσης που ενισχύουν τη διάχυση και δ) τη σταδιακή δημιουργία πολυστρωματικής ροής. Ο μικροαναμίκτης labyrinth-SAM συγκρίνεται με ευθύγραμμο μικροαναμίκτη (μικροαναμίκτης αναφοράς), με ένα μικροαναμίκτη σπιράλ και με ένα ζιγκ-ζαγκ. Όλοι οι μικροαναμίκτες είναι επίπεδοι, έχουν δύο εισόδους και οι διαστάσεις των καναλιών τους προέρχονταν από τις προδιαγραφές της τεχνολογίας FPC. Η σύγκριση γίνεται υπό την ίδια ογκομετρική παροχή και τον ίδιο αριθμό Re (0.5) και όλοι οι μικροαναμίκτες έχουν τον ίδιο όγκο (2.54 μL). Ο συντελεστής διάχυσης της διαλυμένης ουσίας στο διαλύτη που χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς είναι τυπικός των βιομορίων στο νερό (10-10 m2/s), επομένως η μελέτη αναφέρεται σε μικροαναμίκτες βιοαναλυτικών εφαρμογών. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης έδειξαν ότι ο μικροαναμίκτης labyrinth-SAM δίνει την υψηλότερη απόδοση ανάμιξης. Συγκεκριμένα, συγκρινόμενοι με τον ευθύ μικροαναμίκτη, ο σπιράλ μικροαναμίκτης βελτιώνει την απόδοση ανάμιξης κατά 8%, ο ζιγκ-ζαγκ κατά 11% και ο labyrinth-SAM κατά 92%. Οι υπολογισμοί επεκτάθηκαν και σε μεγαλύτερους αριθμούς Re, όπου η υπεροχή του labyrinth-SAM διατηρείται για το εύρος τιμών ενδιαφέροντος των μικρορευστονικών διατάξεων (μέχρι Re = 10). Έπειτα, ο προτεινόμενος μικροαναμίκτης labyrinth-SAM κατασκευάζεται με την τεχνολογία FPC και η απόδοσή του αξιολογείται και πειραματικά: Η ανάμιξη υδατικού διαλύματος φθοριεσκίνης με νερό παρατηρείται με μικροσκόπιο φθορισμού. Η απόδοση ανάμιξης κατά μήκος του καναλιού του μικροαναμίκτη βρίσκεται πολύ κοντά στις υπολογιστικές προβλέψεις. Ο μικροαναμίκτης labyrinth-SAM χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση ενζυμικής πέψης του DNA, η οποία και επιτεύχθηκε ακόμα και σε χρόνο μόλις 30 s ανάμιξης του DNA και του διαλύματος του ενζύμου μέσα στον μικροαναμίκτη. Παρά το σημαντικό πλήθος εργασιών στη βιβλιογραφία για μικροαναμίκτες, ο labyrinth-SAM αποτελεί ένα απλό και πρωτότυπο σχέδιο παθητικού μικροαναμίκτη. Η αποτελεσματικότητα του σε συνδυασμό με την απλότητα κατασκευής του, που δηλώνεται από: α) την επίπεδη γεωμετρία του (δεν είναι κάποια πολύπλοκη γεωμετρία τριών διαστάσεων), β) τις δύο, αντί για πολλαπλές, εισόδους, γ) τον μικρό αριθμό κατασκευαστικών βημάτων και δ) την συμβατότητα του με τη μαζική παραγωγή (τεχνολογία FPC), καθιστά τον προτεινόμενο μικροαναμίκτη πολλά υποσχόμενο για την ολοκλήρωση του σε μικρο-εργαστήρια σε ψηφίδα (Lab-on-a-Chip).	el
heal.abstract	A systematic computational study examining several geometric and operational parameters of passive micromixers is performed; the aim is to propose a simple passive micromixer for bioanalytical applications. The mathematical problem utilized in the mixing study is reduced to the mixing between two streams, a solution with a solute and the solvent. The study starts with a one dimensional analysis of the problem of pure diffusion which is described by Fick’s second law of diffusion. A three dimensional study follows which includes the numerical solution of continuity, Navier-Stokes, and species mass conservation equation. A comparison of one-, two-, and three-dimensional models is performed. The first finding, provided by the one-dimensional model, is that the concentration profile at the inlet as well as the number of inlets of a micromixer are crucial issues for its performance. Using this conclusion along with designs from previous studies from the literature, a passive micromixer with zigzag geometry and three inlets is fabricated. The geometrical specifications (width and depth) are imposed from flexible printed circuit (FPC) technology and the polyimide(PI)-based substrate which is used for its fabrication. The total length (or volume) of the zigzag micromixer required for complete mixing is estimated by three-dimensional simulation. The micromixer is evaluated by enzymatic digestion of DNA; it achieves complete DNA digestion with restriction enzymes within 2.5 min. The second finding originates from the comparison –through a computational study- of existing passive micromixer designs with a new one which combines advantages of the already existing ones. The new design is a split and merge (SAM) micromixer with labyrinthine channels, called hereafter labyrinth-SAM. The labyrinth-SAM combines mechanisms which potentially enhance the mixing efficiency: a) Dean vortices due to the curvature of the channel walls, b) the decrease of the diffusion length due to split and merging of the flow streams, c) the formation of high concentration gradients at the interface of the flow streams, and d) the gradual formation of lamination flow. The labyrinth-SAM is compared to a linear, a zig-zag, and a spiral micromixer. All micromixers are planar with two inlets and their geometrical specifications are imposed from flexible printed circuit (FPC) technology. The comparison is performed under the same volumetric rate and the same Re number, and they all have the same volume (2.54 μL). The diffusion coefficient used for the calculations is 10-10 m2/s; a typical value for biomolecules in water. The calculations results show that the labyrinth-SAM micromixer exhibits the highest mixing efficiency. Specifically, compared to the linear micromixer, the spiral micromixer improves the mixing efficiency by 8%, the zigzag by 11%, and the labyrinth-SAM by 92%. The calculations are extended to higher Re numbers where the superiority of labyrinth-SAM micromixer maintained for the range of interest in microfluidics devices (up to Re = 10). The labyrinth-SAM is realized, implementing FPC technology, and its performance is experimentally evaluated by means of fluorescence microscopy using an aqueous solution of fluorescein. The mixing efficiency along the micromixer channel is found in good agreement with the computational results. The labyrinth-SAM is also applied to the enzymatic digestion of DNA; the digestion is achieved within 30 s of sufficient mixing of DNA and enzyme solutions in the labyrinth-SAM. Despite the numerous previous works of micromixers, the labyrinth-SAM is a novel design of an efficient passive micromixer. The efficiency together with its simplicity, which is manifested by a) the planar (and not complex 2- or 3-dimensional) geometry, b) the two-, instead of multiple-, inlet configuration, c) the small number of steps for its fabrication, and d) the compatibility to mass production (FPC technology), make the proposed micromixer promising for integration in Lab-on-a-Chip systems for bioanalytical purposes.	en
heal.sponsor	Η εργασία υποστηρίχθηκε μερικώς από το έργο “SYNERGASIA 2011-Converging Lamb wave sensors with microtechnologies towards an integrated Lab-on-chip for clinical diagnostics-LambSense” (11Syn_5_502). Η πηγή χρηματοδότησης είναι το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο (ΕΚΤ)–Ευρωπαϊκή Ένωση και Εθνικοί Πόροι.	el
heal.advisorName	Κόκκορης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Τσερέπη, Αγγελική	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουλάκης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Γογγολίδης, Ευάγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	144 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true