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

دكتري

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.

193075

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر منوچهر اقبال - دكتر محمد زندي

مهندسي مكانيك

دكتر مهدي نويدبخش