7 research outputs found
Prostat Kanseri Biyobelirteçlerinin Tayini İçin Nanoplazmonik Platformların Hassasiyetinin Arttırılması
ABSTRACT
ENHANCING THE SENSITIVITY OF NANOPLASMONIC
PLATFORMS FOR DETECTING PROSTATE CANCER
BIOMARKERS
Semih ÇALAMAK
Doctor of Philosophy, Department of Nanotechnology and
Nanomedicine
Supervisor: Prof. Dr. Kezban ULUBAYRAM
JUNE 2018, 148 pages
Early detection of cancer biomarkers in body fluids has significant importance for
early diagnosis of cancer. LSPR technologies are the most powerful optical
biosensors that can be used for label-free detection of biomolecules at ultra-low
concentrations (ag/mL). Despite these advantages, the detection limits for many
biomolecules are not at the desired levels. Especially biomarkers with low molecular
weight can not be detected with LSPR sensors. The aim of the thesis is to develop
the easy and cost-effective way to improve the sensitivity of nanoplasmonic
platforms to detect low molecular weight biomarkers with enhanced plasmon
coupling and in-situ gold nanoparticle growth method under static and dynamic
conditions (in microfluidic platforms). In the first part of the thesis theoretical analysis
of the electric field interactions of gold nanoparticles were investigated to determine
the most suitable gold nanoparticle size and configurations for more precise
measurement. The electric field enhancements on gold nanoparticles (20, 50, 80
and 100 nm) were investigated using Mie theory and the highest electric field
enhancement was observed on the gold nanoparticle, which has the size of 50 nm.
After that, double, triple and quadruple gold nanoparticle (50 nm) arrays were
assembled and the highest electric field enhancement was calculated for quadruple
nanoparticle array with 40.85 V/m electric field and 11.10 electric field enhancement
factor. In the second part of the thesis, gold nanoparticles were functionalized on
PS surface via polyethyleneimine (PEI). It was found that the nanoplasmonic
iv
surfaces showed the sharpest LSPR signal on the PS surfaces modified with 1
mg/mL PEI at 548 ± 1.5 nm maximum wavelength. In the third part of the thesis, a
cost-effective new approach has been developed to increase the sensitivity of
nanoplasmonic platforms. In this new approach, gold nanoparticles which were
functionalized on PS surface were grown (in-situ) under static and dynamic (laminar
and dynamic flow) using microfluidic platforms. In microfluidic chips with laminar and
turbulence flow regimes, gold nanoparticles were grown more homogeneously and
single row sequences on PS surface with increasing LSPR signal. Gold
nanoparticles, which have 50 nm of particle size reached 110 ± 14, 123 ± 12 and
175 ± 6 average particle size in static media, laminar flow, and turbulence flow media
after in-situ particle growth, respectively. The maximum wavelengths of
nanoplasmonic surfaces were shown red shifts from 548 ± 4 nm to 569 ± 3, 570 ± 2
and 577 ± 4 nm for static in-situ, laminar in-situ and turbulence in-situ
nanoplazmonik surfaces, respectively. Furthermore, after in-situ particle growth,
turbulence in-situ nanoplasmonic surfaces showed significant red shifts in maximum
wavelength along with an increase in extinction intensity in the LSPR signals three
times more compared to the standard nanoplasmonic surface. In the last part of the
study, detection studies of prostate cancer biomarkers (BSA (66 kDa), TGF-β1 (12.8
kDa) and BMP-2 (13 kDa)) with various molecular weights were carried out on
standard, static in-situ and turbulent in-situ nanoplasmonic surfaces. Turbulent insitu
nanoplasmonic surfaces were found more sensitive than standard
nanoplasmonic surfaces and static in-situ nanoplasmonic surfaces from 1 pg/mL
concentration of high (BSA) and low molecular weight (TGF-β1 and BMP-2) prostate
cancer biomarkers. These results have shown that the nanoplasmonic platforms
integrated into the microchips are reliable, accurate, reproducible and applicable.İÇİNDEKİLER DİZİNİ
ÖZET ........................................................................................................................ i
ABSTRACT ............................................................................................................ iii
TEŞEKKÜR ............................................................................................................. v
İÇİNDEKİLER DİZİNİ ............................................................................................ vii
ÇİZELGELER DİZİNİ .............................................................................................. xi
ŞEKİLLER DİZİNİ .................................................................................................. xii
SİMGELER VE KISALTMALAR .......................................................................... xxv
1. GİRİŞ .............................................................................................................. 1
1.1. LSPR Tabanlı Plazmonik Sensörler ............................................................ 2
1.1.1.Temel İlkeler ...................................................................................... 2
1.1.2. Nanoparçacıkların Plazmonu ve LSPR Teorisi ................................ 4
1.1.3. LSPR Tabanlı Plazmonik Sensörlerin Uygulama Alanları ................ 7
1.1.4. LSPR tabanlı sensörlerin hassasiyetini artırmak için kullanılan
yaklaşımlar ......................................................................................................... 9
1.4.4.1. Enzimatik yüzey arttırımı ....................................................... 9
1.4.4.2. Plazmonik nanopartikül eşleşmesine dayalı sinyal arttırılması
...................................................................................................................... 10
1.2. Altın Nanoparçacıkların Elektrik Alan Etkileşimlerinin Teorik Analizi ......... 13
1.2.1.Teorik Modelleme ............................................................................ 15
1.2.1.1. Kısmı Statik Yaklaşım .......................................................... 16
1.2.1.2. Mie Teorisi ........................................................................... 17
1. 2.2. Plazmon Eşleşmesi ve Elektrik Alan Arttırımı ................................ 19
1.3. Altın Nanoparçacıkların Sentezi ve Nanoplazmonik Özellikleri ................. 21
viii
1.3.1. Altın Nanomalzemelerin Üretiminde Aşağıdan-Yukarı (Bottom-Up)
ve Yukarıdan (Top- Down) Aşağı Üretim Teknikleri .......................................... 21
1.3.1.1. Altın nanopartiküllerin sentezinde çekirdek büyütme (Seed
and Growth) yöntemi ..................................................................................... 24
1.3.1.2. Altın nanopartikül sentezinde fotokimyasal yöntemler ......... 24
1.3.2. Altın Nanopartiküllerin İşlevselleştirilmiş Yüzeylere
İmmobilizasyonunu ........................................................................................... 25
1.4. Mikroakışkan Sistemler ve Sensör Teknolojilerindeki Yeri ........................ 26
1.4.1. Mikroakışkan sistemlerde akış rejimleri .......................................... 27
1.4.2. Türbülans akış rejiminin partikül büyümesi üzerine etkisi ............... 29
1.5. Prostat Kanseri Biyobelirteçleri ve Teşhisindeki Zorluklar ......................... 29
1.5.1. Prostat Kanseri Biyobelirteçleri ...................................................... 31
1.5.1.1. Sığır serum albümin (BSA) .................................................. 31
1.5.1.2. Transforme edici büyüme faktörü beta 1 (TGF-β1) ............. 31
1.5.1.3. Kemik morfojenetik proteini 2 (BMP-2) ................................ 32
1.5.2. Kanser Teşhisinde Mikroakışkan Çipler ......................................... 33
2. MATERYAL VE METOD ............................................................................... 35
2.1. Teorik Modelleme Basamakları ................................................................. 35
2.1.2. Altın nanopartikül dizilerinin elektrik alan etkileşimlerinin teorik
analizi ............................................................................................................... 36
2.1.3. Mikroakışkan çiplerin modellenmesi ve akış rejimleri ..................... 38
2.2. Altın Nanoyapıların Sentezi ....................................................................... 39
2.2.1. Farklı boyutlarda altın nanopartiküllerin sentezi ............................. 39
2.2.2. Altın nanoçubukların sentezi .......................................................... 41
2.2.3. Altın nanoyapıların karakterizasyonu ............................................. 41
2.3. Nanoplazmonik Platformların Geliştirilmesi ............................................... 42
ix
2.3.1. Altın nanopartiküllerin polistiren yüzeylere direkt immobilizasyonu ile
nanoplazmonik yüzeylerin hazırlanması ........................................................... 42
2.3.2. Nanoplazmonik yüzeylerin mikrokakışkan çiplere entegrasyonu ... 43
2.3.2.1. Mikroakışkan çiplerin hazırlanması ...................................... 43
2.3.2.2. Altın nanopartiküllerin PS yüzeylerde kontrollü olarak
büyütülmesi (In-Situ) ..................................................................................... 46
2.3.3. Plazmonik Yüzeylerin Analizi ......................................................... 48
2.4. Geliştirilen Nanoplazmonik Platformlarda Prostat Kanser Biyobelirteçlerinin
Tayini .................................................................................................................... 50
2.4.1.Prostat Kanser Biyobelirteçlerinin Hazırlanması ............................. 50
2.4.2. Prostat Kanseri Biyobelirteçlerinin Nanoplazmonik Platformlarla
Etkileştirilmesi ................................................................................................... 51
2.4.3. Nanoplazmonik Yüzeylerin Karakterizasyonu ve LSPR Sinyallerinin
Ölçülmesi .......................................................................................................... 51
2.4.3.1. UV-Vis görüntüleme ............................................................ 51
2.4.3.2. Data Analizi ......................................................................... 53
2.5.İstatik Analizi .............................................................................................. 54
3. BULGULAR VE TARTIŞMA .......................................................................... 55
3.1. Altın Nanopartikül Boyut ve Dizilimlerinin Elektrik Alan Etkileşimlerine Etkisi
............................................................................................................................. 55
3.2. Plazmonik Yüzeyler için Sentezlenen Altın Nanoyapıların Özellikleri ve
Yüzey Plazmon Rezonansı Üzerine Etkileri ......................................................... 67
3.2.1. Altın nanopartiküller ....................................................................... 67
3.2.2. Altın Nanoçubuklar ......................................................................... 73
3.3. Geliştirilen Nanoplazmonik Platformların Değerlendirilmesi ...................... 75
3.3.1. Altın nanopartiküllerin polistiren yüzeylere direkt immobilizasyonu ile
hazırlanan plazmonik yüzeyler.......................................................................... 75
x
3.3.2. Altın nanopartiküllerin “in-situ” olarak PS yüzeylerde büyütülmesiyle
geliştirilen nanoplazmonik yüzeyler .................................................................. 83
3.3.3. Mikroçip sistemlerde akış dinamiklerinin nanoplazmonik yüzeylere
etkisi ................................................................................................................. 91
3.3.4. Prostat kanseri biyobelirteçlerinin nanoplazmonik yüzeylerde tayini
.......................................................................................................................... 99
3.3.4.1. Standart nanoplazmonik yüzeylerde prostat kanseri
biyobelirteçlerinin tayini ............................................................................... 100
3.3.4.2. Altın nanopartiküllerin PS yüzeylerde in-situ olarak
büyütüldüğü nanoplazmonik yüzeyler ......................................................... 113
4. SONUÇ .......................................................................................................... 140
KAYNAKLAR ...................................................................................................... 143
ÖZGEÇMİŞ ........................................................................................................ 149ÖZET
PROSTAT KANSERİ BİYOBELİRTEÇLERİNİN TAYİNİ İÇİN
NANOPLAZMONİK PLATFORMLARIN HASSASİYETİNİN
ARTTIRILMASI
Semih ÇALAMAK
Doktora, Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Kezban Ulubayram
Haziran 2018, Sayfa 148
Vücut sıvılarından kanser biyobelirteçlerinin tayini erken teşhis açısından büyük
önem taşımaktadır. Lokalize yüzey plazmon rezonans (LSPR) bazlı sistemler hiçbir
işaretleyici ajana gerek duymadan ultra-düşük (ag/mL) konsantrasyonlarda
biyomoleküllerin tayininde kullanılan en güçlü optik biyosensör sistemleridir. Bu
avantajlarına rağmen birçok biyomolekül için tespit limitleri istenilen seviyelerde
değildir. Özellikle düşük moleküler ağırlına sahip belirteçler tespit edilememektedir.
Bu tez çalışmasının amacı nanoplazmonik platformların hassiyetinin arttırılması ve
düşük molekül ağırlıklı belirteçlerin tayini için altın nanopartiküllerin dinamik
koşullarda (mikroakışkan platformlarda) “in-situ” olarak büyütürek plazmonik
eşleşmelerin arttırılması ve böylece hassasiyeti arttırılmış, kolay ve maliyetsiz
nanoplazmonik platformlar geliştirmektir. Tezin ilk bölümünde altın nanopartiküllerin
elektrik alan etkileşimlerinin teorik analizleri yapılarak daha hassas bir ölçüm için en
uygun altın nanopartikül boyutu ve konfigürasyonu incelenmiştir. Bu amaçla farklı
partikül boyutuna sahip altın nanopartiküllerin (20, 50, 80 ve 100 nm) Mie teorisi
yöntemi kullanılarak altın nanopartiküllerin yüzeylerinde meydana gelen elektrik
alanlar incelenmiş ve en yüksek elektrik alan oluşturan nanopartikül boyutunun 50
nm olduğu bulunmuştur. Daha sonra 50 nm partikül boyutuna sahip altın
nanopartikülün ikili, üçlü ve dörtlü dizileri oluşturulmuş en yüksek elektrik alan
arttırımının 40.85 V/m ile dörtlü nanopartikül dizisinde olduğu ve 11.10 artış
ii
faktorüne (enhancement factor) sahip olduğu gösterilmiştir. Çalışmanın ikinci
bölümünde ise elde edilen teorik veriler ışığında farklı partikül boyutuna sahip altın
nanopartiküllerin polistiren (PS) yüzeylere polietilenimin (PEI) aracılığıyla
immobilize edilerek yüzeylerin nanoplazmonik özellikleri incelenmiş ve
nanoplazmonik yüzeylerin en keskin LSPR sinyalini 548±1.5 nm ile 1 mg/mL PEI ile
immobilize edildiği yüzeylerin gösterdiği bulunmuştur. Tezin üçüncü bölümünde ise
nanoplazmonik platformların hassasiyetinin arttırılması için maliyetsiz yeni bir
yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde PS yüzeye immobilize edilmiş altın
nanopartiküller (50 nm) mikroakışkan platformlara entegre edilerek statik ve farklı
akış rejimleri gösteren dinamik ortamlarda (laminar ve türbülans akış) “in-situ” olarak
büyütülmüştür. Laminar ve türbülans akış rejiminin olduğu mikroakışkan çiplerde
altın nanopartiküller artan LSPR sinyaliyle birlikte PS yüzeylerde daha homojen
büyüdüğü ve tek sıra halinde diziler oluştuğu gözlenmiştir. “In-situ” partikül
büyümelerinden sonra yüzeye başlangıçta 50 nm olarak immobilize edilen altın
nanopartiküller statik ortam, laminar akış ve türbülans akış ortamlarında sırasıyla
110±14, 123±12 ve 175±6 ortalama partikül boyutuna ulaşmıştır. Ayrıca “in-situ”
partikül büyütmelerinden sonra türbülans “in-situ” nanoplazmonik yüzeylerin LSPR
sinyallerindeki sönüm yoğunluklarında 3 kata kadar artışla beraber maksimum
dalga boyunda anlamlı kaymalar (kırmızı) gözlemlenmiştir. Tezin son bölümünde
ise farklı molekül ağırlığına sahip prostat kanser biyobelirteçleri (BSA (66 kDa),
TGF-β1 (12.8 kDa) ve BMP-2 (13 kDa) standart, statik (in-situ) ve türbülans (in-situ)
nanoplazmonik yüzeylerde analiz edilmiştir. Türbülans (in-situ) nanoplazmonik
yüzeylerin yüksek (BSA) ve düşük molekül ağırlıklı (TGF-β1 ve BMP-2) prostat
kanseri biyobelirteçlerinin tayininde 1 pg/mL konsantrasyonundan itibaren standart
olarak hazırlanan nanoplazmonik yüzeyler ve statik (in-situ) nanoplazmonik
yüzeylere göre daha hassas olduğu gösterilmiştir. Bu sonuçlar, mikroçip içine
entegre edilmiş nanoplazmonik platformun güvenilir, doğru, tekrarlanabilir ve
uygulanabilir olduğunu göstermiştir
In situ silver nanoparticle synthesis on 3D-printed polylactic acid scaffolds for biomedical applications
An ultraviolet (UV) irradiation-based in situ silver nanoparticle (AgNP) synthesis approach has drawn significant attention for functionalizing a great variety of biomaterials. Here, we designed an AgNP-functionalized 3D-printed polylactic acid (PLA) composite scaffold with a green physical approach by employing the UV irradiation (1, 2, and 3 h) method without using any reducing agent or heat treatments. In situ AgNP synthesis was performed under different UV exposure times. The zeta sizer analysis results demonstrated that AgNPs were highly monodisperse with the particle size of 20 +/- 2.2, 30 +/- 3.6, and 50 +/- 4.8 nm under various UV light exposure times. In situ synthesis of AgNPs on 3D-printed PLA scaffolds significantly changed the surface hydrophilicity of the 3D-printed scaffolds. These results showed that UV irradiation-based in situ AgNP synthesis on 3D-printed PLA scaffolds can be useful in various biomedical applications, such as cell culture scaffolds, biosensors, and wound healing applications
Immobilization of heparin on chitosan-grafted polyurethane films to enhance anti-adhesive and antibacterial properties
Infections caused by bacteria adhering to implant surfaces are one of the main reasons for the failure of the implants. In this study, polyurethane (PU), which is the most commonly used polymer in the production of medical devices, was synthesized and surfaces of polyurethane films were modified by chitosan (CH) grafting and heparin (Hep) immobilization in order to enhance anti-adhesiveness and antibacterial properties. Functional groups present on the surface, topographical shapes, and free energies of the polyurethane films were determined. Pristine polyurethane, chitosan-grafted polyurethane (PU-CH), and heparin immobilized polyurethane (PU-CH-Hep) films demonstrated high anti-adhesive efficacy against bacteria in the given order, where PU-CH-Hep was the most effective one. When PU-CH-Hep samples were incubated with different bacteria, complete death was observed for Pseudomonas aeruginosa (Gram negative), Staphylococcus aureus (Gram positive), and Staphylococcus epidermidis (Gram positive). Some living Escherichia coli (Gram negative) were observed after 24h of incubation. Pristine and modified polyurethane samples demonstrated no adverse effect on proliferation of L929 fibroblast cells and were found to be biocompatible according to MTT cytotoxicity tests