Ανάπτυξη τεχνικών τροποποίησης, χαρακτηρισμού, οδήγησης και καλλιέργειας μαγνητικών κυττάρων

Abstract

Ο στόχος της διατριβής ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς μαγνητικά τροποποιημένων κυττάρων. Η έρευνα ξεκίνησε με τη μαγνητική τροποποίηση μικροφυκών. Υπάρχει πληθώρα μεθόδων τροποποίησης κυττάρων αλλά αυτή πραγματοποιείται με μη συνεχή τρόπο. Στο πλαίσιο της διατριβής και του ερευνητικού έργου Horizon 2020 Valuemag (No 745695) ήταν απαραίτητη η παραγωγή μεγάλης ποσότητας μαγνητικά τροποποιημένων μικροφυκών. Με αυτόν το γνώμονα, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια συσκευή ηλεκτροδιάτρησης η οποία επιτρέπει τη μαγνητική τροποποίηση μικροφυκών με συνεχή τρόπο. Κατ’ επέκταση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή μορίων, φαρμάκων ή άλλων βιολογικών οντοτήτων μέσα στο κυτταρόπλασμα κυττάρων όπου απαιτείται παραγωγή μεγάλης ποσότητας τροποποιημένων κυττάρων. Στη συνέχεια επιχειρήθηκε ο διαχωρισμός των μαγνητικών μικροφυκών από αυτά που δεν τροποποιήθηκαν. Οι υφιστάμενες μεθοδολογίες αφορούν το διαχωρισμό είτε πολύ μικρών ποσοτήτων μαγνητικού υλικού από διαλύματα με χρήση MEMS, είτε ορυκτών σε μεταλλευτικές εγκαταστάσεις. Στο πλαίσιο της διατριβής μελετήθηκε ο διαχωρισμός μαγνητικών κυττάρων από διάλυμα. Από τη διαδικασία εύρεσης τρόπου διαχωρισμού των μικροφυκών, προέκυψε μια διάταξη η οποία μπορεί να διαχωρίσει οποιοδήποτε μαγνητικό υλικό βρίσκεται διαλυμένο σε μορφή σκόνης σε κάποιο διάλυμα. Και πάλι λόγω των αναγκών της διατριβής και του προγράμματος Valuemag, η διάταξη αυτή σχεδιάστηκε έτσι ώστε να μπορεί να λειτουργεί με συνεχή τρόπο, επιτρέποντας έτσι το διαχωρισμό μεγάλης ποσότητας μορίων, κυττάρων αλλά ακόμα και βαρέων μετάλλων από μολυσμένα ύδατα. Έχοντας αναλύσει τις παραμέτρους διαχωρισμού, φυσική συνέχεια ήταν ο περαιτέρω έλεγχος των μαγνητικών σωματιδίων. Η έρευνα στράφηκε στη μελέτη οδήγησης μαγνητικού υλικού. Αναπτύχθηκε μια διάταξη η οποία μπορεί να ωθεί παραμαγνητικό υλικό παράγοντας μαγνητικά πεδία περίπλοκης βάθμωσης (οι μαγνήτες μπορούν μόνο να έλκουν παραμαγνητικά υλικά). Αυτή η διάταξη δίνει λύση στο βασικό πρόβλημα οδήγησης τροποποιημένων κυττάρων στο ανθρώπινο σώμα καθώς επιτρέπει την ώθηση σε σημεία όπου εναλλακτικά θα απαιτείτο σημαντικά ισχυρότερο πεδίο. Ένα βήμα παραπέρα, αναπτύχθηκε ένα σύστημα 4 ηλεκτρομαγνητών οι οποίοι βασιζόμενοι σε ένα σύστημα κλειστού βρόγχου μπορούν να οδηγούν μια παραμαγνητική σταγόνα (ferrofluid) σε προκαθορισμένη από το χρήστη τροχιά. Έπειτα, το ερευνητικό ενδιαφέρον στράφηκε στο χαρακτηρισμό παραμαγνητικού υλικού με μία καινοτόμο μέθοδο μέτρησης μαγνητικής επιδεκτικότητας, χαμηλού κόστους. Αναπτύχθηκε η διάταξη όσο και ο αλγόριθμος υπολογισμού της επιδεκτικότητας μαγνητικού υλικού. Η ίδια μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τη μέτρηση ιξώδους ενός ρευστού. Σημειώνεται πως οι αποκλίσεις που προέκυψαν από συγκριτικές μετρήσεις είναι αξιόλογες και απαιτείται περεταίρω έρευνα για τη βελτιστοποίηση της διάταξης. Τέλος, αναπτύχθηκαν τρεις βιοαντιδραστήρες για τη μελέτη της καλλιέργειας των μαγνητικών μικροφυκών. Η μέθοδος καλλιέργειας που επιλέχτηκε στο πλαίσιο του έργου Valuemag ήταν η ακινητοποίηση των μαγνητικά τροποποιημένων μικροφυκών στην επιφάνεια κωνικού αντιδραστήρα πάνω στην οποία ρέει φιλμ νερού. Έμφαση δόθηκε στην ανάπτυξη του συστήματος ελέγχου των συνθηκών και στην κατανομή του ρευστού πάνω στην επιφάνεια του αντιδραστήρα καθώς τα υπόλοιπα κομμάτια της έρευνας (τα οποία παρατίθενται αλλά δεν αναλύονται ενδελεχώς) πραγματοποιήθηκαν από άλλα μέλη της ομάδας.