Ολοκληρωμένο σύστημα φασματοσκοπίας εμπέδησης για μελέτη βιολογικών δειγμάτων

Καλλέργης, Αλέξανδρος-Εμμανουήλ

Integrated impedance spectroscopy system for the study of biological samples

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Καλλέργης, Αλέξανδρος-Εμμανουήλ

Date

2024-10-16

Advisor

Kaltsas, Grigoris

Μεταπτυχιακή εργασία (7.101Mb)

Keywords

Φασματοσκοπία εμπέδησης ; Μικροελεγκτές ; Επιθηλιακά κύτταρα ; Μικρορευστομηχανική διάταξη ; Android ; Impedance spectroscopy ; Microcontrollers ; Epithelial cells ; Microfluidic device

Abstract

Η παρούσα εργασία αναπτύσσει ένα σύστημα in-vitro μελέτης μέσω μικρορευστομηχανικής συσκευής που επιτρέπει την προσομοίωση του βλεννογόνου ανθρώπινου επιθηλίου επιτρέποντας συνεχή ροή βακτηρίων και φάγων στις επιθηλιακές επιφάνειες. H μικροβιακή αστάθεια στην ασθένεια του άσθματος μπορεί να σχετίζεται ή/και να οφείλεται σε υποβόσκουσα αστάθεια μικροοργανισμών γνωστών ως «φάγων». Σε συνεργασία με το εργαστήριο της Β’ παιδιατρικής κλινικής του ΕΚΠΑ, στοχεύουμε στη διερεύνηση των τριμερών αλληλεπιδράσεων και τις συμβιωτικές/ανταγωνιστικές σχέσεις μεταξύ βακτηρίων, φάγων και επιθηλιακών κυττάρων με στόχο την καλύτερη κατανόηση της επίδρασης των φάγων στην υγεία του ανθρώπου. Το μικρορευστομηχανικό μέρος της συσκευής, ανεπτυγμένο σε συνεργασία με τον κ. Κούτση Τζούλιαν, Υ.Δ. του Τμήματος Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών, περιέχει την καλλιέργεια των επιθηλιακών κυττάρων μαζί με τα θρεπτικά διαλύματα. Η κατασκευή επίσης περιέχει τα απαραίτητα ηλεκτρόδια ώστε να γίνονται οι μετρήσεις βιο-εμπέδησης. Για το ηλεκτρονικό μέρος της συσκευής κατασκευάστηκε εργαστηριακό πρωτότυπο PCB μικτού-σήματος με μικροελεγκτή TI CC3200 και τα απαραίτητα αναλογικά στοιχεία (AFE) για τη δημιουργία και επεξεργασία κατάλληλων σημάτων στα 10Hz-10kHz, δηλαδή το φάσμα ενδιαφέροντος για τη φασματοσκοπία βιο-εμπέδησης Οι μετρήσεις είναι γαλβανοστατικές, 4-σημείων και ένα φάσμα μπορεί να λαμβάνεται μέσα σε ≈7s. Το σύστημα είναι ασύρματο (WI-FI) και μπορεί να λειτουργεί με μπαταρίες για να μπορεί να τοποθετηθεί μέσα στον επωαστή και κοντά στην καλλιέργεια. Επιπρόσθετα αναπτύχθηκε και εφαρμογή για συσκευή Android με στόχο τον έλεγχο της συσκευής και επεξεργασία-παρουσίαση των δεδομένων. Έχει γίνει εκτενής έλεγχος και προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά ισοδύναμα κυκλώματα. Παράλληλα έχει διεξαχθεί πειραματικός έλεγχος σε πραγματικές συνθήκες με πολύ αξιόλογα αποτελέσματα. Στο παράρτημα υπάρχει το εγχειρίδιο χρήσης της συσκευής στα αγγλικά.

Abstract

This work presents the development of an in-vitro system for studies utilising a microfluidic device that allows for the simulation of human epithelium and allows constant flow of bacteria and phages on the epithelium surfaces. Microbial imbalance in asthma can be correlated with underlying phage imbalance. The present work which was done in cooperation with National & Kapodistrian University of Athens, B’ pediatric clinic attempts to investigate tripartite interactions and the symbiotic/competitive relations between bacteria, phage and epithelial cells, aiming to better understand the effects of phages on human health. The microfluidic part of the device, developed in cooperation with Mr. Koutsis Julian, Phd student of the dept. of Electrical and Electronics Engineering, contains the culture and the nutritional solutions. The part also contains necessary electrodes for BIOImpedance measurements. For the electronic part of the device a lab prototype PCB was fabricated featuring a TI CC3200 MCU, with the necessary analog front-end for generation and processing of required signals in the 10Hz-10kHz spectrum of interest for BIO-EIS. Measurements are 4-point galvanostatic and a full spectrum is obtained within ≈7s. The system is wireless (WI-FI) and can operate within an incubator and close to the cell culture using batteries. Additionally, an Android mobile application was developed to facilitate the control of the device and presentation-processing of data. Extensive testing and verification of the system have been performed using equivalent electrical circuits. Experiments have been carried out under real conditions, with very satisfactory results. In the appendix we include the user manual of the device in English.