Design and development of paper-based microfluidics for point-of-care applications

Abstract

Paper-based microfluidics is a subarea of microfluidics which is recently used in various applications from diagnostics to environmental monitoring, and to food safety. In such microfluidic systems, a test platform is formed from a paper substrate instead of silicon and polymers, such as poly-dimethylsiloxane, poly-methyl methacrylate, and etc. The main goal of this thesis is the development and fabrication of a paper-based microfluidic device (μPAD), which could be used in point-of-care (POC) applications. The characterizations of μPADs, which were fabricated via laser ablation methodology, were performed in terms of their surface and barrier characteristics, and liquid sample flows within μPADs. Depending on the characterization, nine different fabrication parameters, 10P40S (10%Power & 40%Speed), 10P60S, 20P90S, 30P50S, 30P100S, 40P80S, 40P100S, 70P80S, and 70P100S, were identified as optimized fabrication parameters. Also, two designed models of μPADs, 1S4T-Type2 and 1S4T-Type3, were selected to be used in the detection of BSA and recombinant Hepatitis C Virus (HCV) protein. The BSA and HCV (1 mg/ml) in PBS solution were successfully detected via naked eye depending on the colorimetric sensing through micro-paper enzyme linked immunosorbent assay (μP-ELISA) protocol. Moreover, the limit of detection (LoD) values for HCV were determined in 1S4T-Type2 μPAD as 1.000, 0.883, and 0.796 ng/ml when the detection was performed via naked eye, smart-phone, and bright-field microscope, respectively. Also, the easily-disposable 1S4T-Type2 μPAD provided 14 times faster and 45 times cheaper detection of HCV compared to conventional ELISA techniques. Consequently, the developed 1S4T-Type2 μPAD presented low-cost, easy-to-use, and rapid detection of HCV as POC devices.

Tanılama çalışmalarından çevresel izleme ve gıda güvenliğine kadar birçok farklı alanda kullanılan mikroakışkanların bir alt kolu da kağıt temelli mikroakışkanlardır (μPAD). Bu mikroakışkan sistemlerde, uygulamanın yapılacağı düzenekler silikon, poli-dimetilsiloksan ya da poli-metil metakrilat yerine kağıt kullanılarak elde edilmektedir. Bu tezin ana amacı hasta-yanı uygulamalarda (POC) kullanılabilecek kağıt temelli mikroakışkanların geliştirilmesidir. Tez çalışmaları süresince lazer kesim yöntemiyle elde edilen kağıt temelli mikroakışkanlar, yüzey ve kenar özellikleri ve ayrıca sistem içinde bulunan kanallardaki sıvı akışı açısından karakterize edildi. Yapılan karakterizasyon çalışmaları doğrultusunda, ideal üretim koşulları 10P40S (10% Güç & 40% Hız), 10P60S, 20P90S, 30P50S, 30P100S, 40P80S, 40P100S, 70P80S ve 70P100S olarak belirlendi. Ayrıca, BSA ve rekombinant Hepatit C Virüs (HCV) proteinin tespitinde kullanılacak kağıt temelli mikroakışkan modelleri, 1S4T-Type2 ve 1S4T-Type3 olarak belirlendi. Belirlenen koşullarda üretilen 1S4T-Type2 ve 1S4T-Type3 model kağıt temelli mikroakışkan sistemlerinde uygulanan mikro-kağıt ELISA testi (μP-ELISA) doğrultusunda fosfat tamponlu tuz (PBS) solüsyonu içerisinde bulunan BSA ve HCV proteinleri (1 mg/ml) başarılı bir şekilde renk değişimine bağlı olarak tespit edildi. Buna ek olarak, 1S4T-Type2 model kağıt temelli mikroakışkan sistemlerde, HCV proteini için tespit sınırı (LoD) gözle tespit için 1.000 ng/ml, akıllı telefon ile tespit için 0.883 ng/ml ve ışık mikroskopu ile tespit için 0.796 ng/ml olarak belirlendi. Kolay bir şekilde yok edilebilen bu 1S4T-Type2 model kağıt temelli mikroakışkan sistemler konvansiyonel ELISA testlerine göre HCV proteininin tespitini 14 kat daha hızlı ve 45 kat daha ucuz olacak şekilde gerçekleştirdi. Sonuç olarak geliştirilen 1S4T-Type2 model kağıt temelli mikroakışkan sistem aynı hasta-yanı uygulamalarında kullanılan cihazlar gibi HCV proteinin tespitini ucuz, kolay ve hızlı bir şekilde sağladı.