Optisesti luotujen sähkökenttien käyttö mikrofluidistiikan ja solumanipuloinnin sovelluksissa

This thesis is a part of OPTIMI (Optically actuated microfluidics) project supported by Academy of Finland. The participants of the project were Tampere University of Technology (TUT) and Helsinki University of Technology (HUT). The goal of the project was to develop a flexible biomedical microfluidic system composed from completely optically induced components. Electrowetting is a mechanism to transport microscale droplets electrically. In electrowetting-based manipulation, droplet is moved by locally modifying the surface tension of liquid. In this thesis, optically induced electrowetting, named as optoelectrowetting, that is using a photoconductive surface for addressing electric fields used for electrowetting, is presented. Optoelectrowetting provides a flexible, illumination-based creation of electric fields that are used to control surface tension of liquid. The scope of this thesis work is to develop a system where the optoelectrowetting mechanism could be implemented to enable manipulation of microliter droplets. This thesis focuses on modelling the optoelectrowetting device in order to provide the requirements for effective optoelectrowetting system. The idea is that these requirements could be used as a guideline for developing a reconfigurable microliter droplet manipulation platform using optoelectrowetting. Theoretical backgrounds of the optoelectrowetting together with the closely related phenomena are discussed in the first part of this thesis. It includes also a short overview of applications, where optically triggered photoconductive layer have already been used. Furthermore, some potential applications are outlined in this part. The second part of this thesis consists of experimental work and modelling. Based on the requirements for the effective optoelectrowetting manipulation presented in the experimental part, an optoelectrowetting device is proposed. Experiments that are supporting the proposed model are reported. In the last part of this work, the refined requirements for effective optoelectrowetting manipulation are presented. As a result of the proposed model, the usability of the system is considered. In the end of this thesis, possible future development with the outlined device is discussed. /Kir10Tämä diplomityö on osa Suomen Akatemian rahoittamaa OPTIMI – projektia (Optisesti ohjattava mikrofluidistiikka), jossa tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmiä integroida useita erilaisia optisia ohjausmenetelmiä yhdelle alustalle. Projektin tavoitteena oli siinä kehitettyjen menetelmien hyödyntäminen mikrofluidistiikan eri sovelluksissa, esimerkiksi lääketieteellisessä diagnostiikassa ja analysoinnissa. Tampereen teknillisen yliopiston lisäksi projektissa oli mukana Teknillisen korkeakoulun (kuuluu nykyisin Aalto-yliopistoon) Automaatio- ja systeemitekniikan laitos. Projektin ensimmäinen vaihe liittyi erilaisten optisesti ohjattujen menetelmien perehtymiseen ja arviointiin niiden toteuttamiskelpoisuudesta projektin puitteissa. Selvityksen perusteella tämän diplomityön aihe päätettiin rajata koskemaan vain mikropisaroiden manipulointia. Työn tavoitteena on mallintaa järjestelmä, jossa tilavuudeltaan mikrolitran kokoluokkaa olevaa pisaraa pystytään ohjaamaan valolla luotujen sähkökenttien avulla. Muut työn ydinaihetta läheisesti sivuavat aiheet, kuten valolla luotujen sähkökenttien käyttö solumanipuloinnin sovelluksissa, esitellään ainoastaan lyhyesti tässä työssä. Mikrofluidistiikan avulla monet perinteiset laboratoriotestit voidaan siirtää yhdelle alustalle. Samalla testianalyysien automatisointiastetta on mahdollista kasvattaa, mikäli vain löydetään ratkaisu useamman eri toiminnon integroimiseen samalle alustalle. Lisäksi analyyseihin tarvittavaa aikaa pystytään pienentämään mikrofluidistiikan avulla, koska useat prosessit, esimerkiksi analyyseissä yleiset kemialliset reaktiot, tapahtuvat huomattavasti nopeammin pienemmässä tilavuudessa. Täten mikrofluidistiikka mahdollistaa analyysien nopeuden ja määrän merkittävän kasvattamisen. Massatuotannossa edullisten mikrofluidistiikkaan perustuvien analyysialustojen etuja perinteisiin menetelmiin verrattaessa ovat myös vähäisempi käytettävien aineiden, kuten kemikaalien, käyttö ja kulutus sekä kannettavien laitteiden suoma mahdollisuus paikan päällä tapahtuvaan seurantaan. Perinteisessä mikrofluidistiikassa järjestelmät ovat rakennettu miniatyrisoimalla makromaailmassa käytettyjä komponentteja. Esimerkiksi nesteen liikuttelu tapahtuu tyypillisesti alustaan liitettyjen mikropumppujen avulla mikrokanavissa, joiden poikkileikkausmitat ovat yleensä alle millimetrin kokoluokkaa. Mittasuhteiden pienentäminen aiheuttaa muun muassa sen, että nesteen virtausnopeus tietyllä paineella hidastuu mikrokanavassa verrattuna suurempaan kanavaan. Pienenemisestä johtuvat ilmiöt saattavatkin aiheuttaa merkittäviä pullonkauloja erityisesti nopeutta vaativissa analyyseissa. Seurauksena on helposti se, että kaikkien tarvittavien komponenttien, erityisesti tarpeeksi tehokkaiden pumppujen, miniatyrisointi yhdelle sirulle ei onnistu. Tästä johtuen viime aikoina onkin kehitelty useita erilaisia mikroluokan nesteiden siirtoon perinteisiä menetelmiä paremmin soveltuvia tekniikoita. Yksi kiinnostavimmista uusista tekniikoista on niin kutsuttu digitaalinen mikrofluidistiikka, jossa perinteinen jatkuva nestevirtaus mikrokanavissa on korvattu erillisten pisaroiden ohjaamisella. Digitaalisessa mikrofluidistiikassa fyysiset mikrokanavat on korvattu pinnalla, jonka alla sijaitsee ohjattava elektrodimatriisi. Pisaroiden liikutteleminen tapahtuu niin kutsuttua electrowetting-periaatetta hyväksikäyttäen. Kyseisessä menetelmässä nestepisaran manipulointi onnistuu muuttamalla sen pintajännitystä tarpeeksi suuren sähkökentän avulla. Pintajännityksen vaihtuminen aiheuttaa muutoksen pisaran ja pinnan väliseen kontaktikulmaan. Kytkettäessä sähkökenttä vain yhdelle nestepisaran puolelle, pystytään pisaraan pintajännitystä muokkaamaan paikallisesti. Tällöin nestepisaran kontaktikulman muutos on erisuuruinen pisaran vastakkaisilla puolilla, luoden paine-eron pisaran sisälle, joka saa aikaan pisaran liikkumisen. Elektrodimatriisia sopivasti ohjaamalla pystytään samanaikaisesti manipuloimaan useampia pisaroita, täten mahdollistaen samanaikaisesti suuren määrän yksilöllisesti ohjattavia rinnakkaisia operaatioita. Tyypillisesti järjestelmän mikroelektrodit valmistetaan perinteisillä mikropiirien valmistusmenetelmillä. Koska pienin mahdollinen liikuteltavissa oleva pisaran koko määräytyy käytettyjen mikroelektrodien perusteella, vähentää niiden käyttö alustojen uudelleenkäytettävyyttä erisuuruisten pisaroiden liikuttamisessa. Lisäksi, mikäli elektrodeja halutaan edelleen pienentää pienempien pisaroiden ohjaamista varten, niiden kytkeminen vaikeutuu. Tästä johtuen hiljattain on esitetty konsepti, jossa pisaran manipulointi perustuu esitettyyn electrowetting-periaatteeseen ilman yllä esitettyjä ongelmia. Sen toiminta perustuu valojohtavan kerroksen käyttämiseen sähkökenttien osoittamisessa. Kyseisen kerroksen johtavuutta pystytään paikallisesti kasvattamaan sopivalla valaistuksella. Esitetyssä järjestelmässä pisaran hallitsemiseen tarvittavat sähkökentät luodaan virtuaalisesti säädettävällä valolla. Koska koko elektrodikerros on samassa potentiaalissa, myös elektrodien yksilöllisestä osoituksesta aiheutuva ongelma poistuu. Toimintaperiaate on se, että kun valoa ei tuoda järjestelmään, valojohtavan kerroksen impedanssi on suuri. Tämä estää merkittävän sähkökentän vaikutuksen pisaraan. Valaistaessa valojohtavan kerroksen impedanssi pienenee, sallien pisaran valo-ohjatun kontrolloimisen. Tämä mahdollistaa joustavan ja uudelleen muokattavan järjestelmän rakentamisen mikrofluidistiikan eri sovelluksiin, ratkaisten samalla suurimmat perinteisessä digitaalisessa mikrofluidistiikassa esiintyvät ongelmat. Tämän työn tarkoituksena on suunnitella laite, jolla mikroskooppisen mikropisaran ohjaaminen onnistuu optisesti luotujen sähkökenttien avulla. Yhteistyö projektissa oli päätetty niin, että Teknillinen korkeakoulu kehittää ja valmistaa analyyseissä käytettävän alustan, kun taas Tampereen teknillinen yliopisto keskittyy alustan implementoimiseen mikrofluidistiikan sovelluksiin. Tästä johtuen tämän diplomityön pääpaino on optisesti luotujen sähkökenttien käytön mallintamisessa mikrofluidistiikan sovelluksiin. Työn keskittyessä mallintamiseen, ilmiön taustan kartoittaminen perustui suurelta osin muiden tutkimusryhmien raportointeihin. Tässä katsauksessa tuli selkeästi esille, kuinka esitetyt mallit ja tutkimustulokset aiheesta ovat vielä ristiriitaisia. Koska projektin tavoitteena oli mahdollisimman monipuolisen ja toimivan järjestelmän rakentaminen, on tarkasteltavan ilmiön yksityiskohtainen tietämys erittäin tarpeellista. Työssä olikin ensiarvoisen tärkeää ymmärtää, miten optisesti luodut sähkökentät vaikuttavat nestepisaran käyttäytymiseen. Työn ensisijaisena tavoitteena oli rakentaa malli, joka kuvaisi tarpeellisen tarkasti käsiteltyä ilmiötä. Julkaisuiden osittain ristiriitaisesta ilmiön esittämisestä johtuen tämän työn tuloksena ehdotetun mallin toimintaperiaate on uusi, vaikka se käyttääkin ilmiön mallintamisessa hyödyksi jo olemassa olevia ekvivalenttipiirejä. Huolimatta siitä, että uusi malli onkin hyvin pelkistetty, alustavien testien perusteella se todettiin olevan käyttökelpoinen ja siten soveltuvan haluttuun käyttötarkoitukseensa. Järjestelmän suunnittelussa aluksi muodostetaan sitä vastaava ekvivalenttipiiri, jossa eri kerrokset on mallinnettu niille sopivilla komponenteilla. Tämän jälkeen mallin avulla lasketaan näiden eri komponenttien arvot kyseisessä järjestelmässä. Kun saadut arvot sijoitetaan ekvivalenttipiiriin, on mahdollista laskea nestepisaran pintajännitykseen vaikuttavan voiman suuruus. Tämän perusteella pystytään arvioimaan, kuinka nestepisara käyttäytyy pinnalla. Mallin avulla on mahdollista myös tutkia, kuinka järjestelmän parametrien muuttaminen vaikuttaisi laitteen toimintaan. Tätä voidaan käyttää hyväksi kahdessa eri tapauksessa. Ensinnäkin, muodostettua mallia apuna käyttäen on mahdollista määritellä parhaiten sopivia ohjausparametreja jo valmiina oleviin järjestelmiin, sen avulla voidaan esimerkiksi löytää tietyn järjestelmän optimaalisin sähkökentän taajuusalue. Mallin avulla pystytään myös suunnittelemaan järjestelmä, joka mahdollistaa nestepisaran tehokkaan liikuttamisen optisesti luotujen sähkökenttien avulla. Työssä kehitellyn mallin perusteella ehdotetun järjestelmän pitäisi mahdollistaa toivottu nestepisaran manipulointi optisest luotujen sähkökenttien avulla. Mahdollisessa jatkokehityksessä on ensiarvoisen tärkeää, että alustan rakentamiseen liittyvät ongelmat saadaan ratkaistua. Esimerkiksi elektrodien päällystäminen valojohtavalla kerroksilla todettiin erittäin haasteelliseksi. Valmistuksesta johtuvat vaikeudet tulivat konkreettisesti esille erityisesti omien mittausten aikana. Koska ilmiö on verrattain uusi eikä kattavaa teoriaa ole esitetty, on myös ensisijaisen tärkeätä panostaa ohjausmenetelmän taustalla vaikuttavien ilmiöiden tarkempaan teoreettiseen ja kokeelliseen tutkimiseen

Simulation-Based Study of Control Strategies for Beating of Human Cardiomyocyte Cultures

Peer reviewe

Compartmentalized organ-on-a-chip structure for spatiotemporal control of oxygen microenvironments

Hypoxia is a condition where tissue oxygen levels fall below normal levels. In locally induced hypoxia due to blood vessel blockage, oxygen delivery becomes compromised. The site where blood flow is diminished the most forms a zero-oxygen core, and different oxygenation zones form around this core with varying oxygen concentrations. Naturally, these differing oxygen microenvironments drive cells to respond according to their oxygenation status. To study these cellular processes in laboratory settings, the cellular gas microenvironments should be controlled rapidly and precisely. In this study, we propose an organ-on-a-chip device that provides control over the oxygen environments in three separate compartments as well as the possibility of rapidly changing the corresponding oxygen concentrations. The proposed device includes a microfluidic channel structure with three separate arrays of narrow microchannels that guide gas mixtures with desired oxygen concentrations to diffuse through a thin gas-permeable membrane into cell culture areas. The proposed microfluidic channel structure is characterized using a 2D ratiometric oxygen imaging system, and the measurements confirm that the oxygen concentrations at the cell culture surface can be modulated in a few minutes. The structure is capable of creating hypoxic oxygen tension, and distinct oxygen environments can be generated simultaneously in the three compartments. By combining the microfluidic channel structure with an open-well coculture device, multicellular cultures can be established together with compartmentalized oxygen environment modulation. We demonstrate that the proposed compartmentalized organ-on-a-chip structure is suitable for cell culture.publishedVersionPeer reviewe

Electrophysiological Changes of Human-Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes during Acute Hypoxia and Reoxygenation

publishedVersionPeer reviewe

Self-assembled cellulose nanofiber-carbon nanotube nanocomposite films with anisotropic conductivity

In this study, a nanocellulose-based material showing anisotopic conductivity is introduced. The material has up to 1000 times higher conductivity along the dry-line boundary direction than along the radial direction. In addition to the material itself, the method to produce the material is novel and is based on the alignment of cationic cellulose nanofibers (c-CNFs) along the dry-line boundary of an evaporating droplet composed of c-CNFs in two forms and conductive multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). On the one hand, c-CNFs are used as a dispersant of MWCNTs, and on the other hand they are used as an additional suspension element to create the desired anisotropy. When the suspended c-CNF is left out, and the nanocomposite film is manufactured using the high energy sonicated c-CNF/MWCNT dispersion only, conductive anisotropy is not present but evenly conducting nanocomposite films are obtained. Therefore, we suggest that suspending additional c-CNFs in the c-CNF/MWCNT dispersion results in nanocomposite films with anisotropic conductivity. This is a new way to obtain nanocomposite films with substantial anisotropic conductivity.publishedVersionPeer reviewe

Optisesti luotujen sähkökenttien käyttö mikrofluidistiikan ja solumanipuloinnin sovelluksissa

This thesis is a part of OPTIMI (Optically actuated microfluidics) project supported by Academy of Finland. The participants of the project were Tampere University of Technology (TUT) and Helsinki University of Technology (HUT). The goal of the project was to develop a flexible biomedical microfluidic system composed from completely optically induced components. Electrowetting is a mechanism to transport microscale droplets electrically. In electrowetting-based manipulation, droplet is moved by locally modifying the surface tension of liquid. In this thesis, optically induced electrowetting, named as optoelectrowetting, that is using a photoconductive surface for addressing electric fields used for electrowetting, is presented. Optoelectrowetting provides a flexible, illumination-based creation of electric fields that are used to control surface tension of liquid. The scope of this thesis work is to develop a system where the optoelectrowetting mechanism could be implemented to enable manipulation of microliter droplets. This thesis focuses on modelling the optoelectrowetting device in order to provide the requirements for effective optoelectrowetting system. The idea is that these requirements could be used as a guideline for developing a reconfigurable microliter droplet manipulation platform using optoelectrowetting. Theoretical backgrounds of the optoelectrowetting together with the closely related phenomena are discussed in the first part of this thesis. It includes also a short overview of applications, where optically triggered photoconductive layer have already been used. Furthermore, some potential applications are outlined in this part. The second part of this thesis consists of experimental work and modelling. Based on the requirements for the effective optoelectrowetting manipulation presented in the experimental part, an optoelectrowetting device is proposed. Experiments that are supporting the proposed model are reported. In the last part of this work, the refined requirements for effective optoelectrowetting manipulation are presented. As a result of the proposed model, the usability of the system is considered. In the end of this thesis, possible future development with the outlined device is discussed. /Kir10Tämä diplomityö on osa Suomen Akatemian rahoittamaa OPTIMI – projektia (Optisesti ohjattava mikrofluidistiikka), jossa tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmiä integroida useita erilaisia optisia ohjausmenetelmiä yhdelle alustalle. Projektin tavoitteena oli siinä kehitettyjen menetelmien hyödyntäminen mikrofluidistiikan eri sovelluksissa, esimerkiksi lääketieteellisessä diagnostiikassa ja analysoinnissa. Tampereen teknillisen yliopiston lisäksi projektissa oli mukana Teknillisen korkeakoulun (kuuluu nykyisin Aalto-yliopistoon) Automaatio- ja systeemitekniikan laitos. Projektin ensimmäinen vaihe liittyi erilaisten optisesti ohjattujen menetelmien perehtymiseen ja arviointiin niiden toteuttamiskelpoisuudesta projektin puitteissa. Selvityksen perusteella tämän diplomityön aihe päätettiin rajata koskemaan vain mikropisaroiden manipulointia. Työn tavoitteena on mallintaa järjestelmä, jossa tilavuudeltaan mikrolitran kokoluokkaa olevaa pisaraa pystytään ohjaamaan valolla luotujen sähkökenttien avulla. Muut työn ydinaihetta läheisesti sivuavat aiheet, kuten valolla luotujen sähkökenttien käyttö solumanipuloinnin sovelluksissa, esitellään ainoastaan lyhyesti tässä työssä. Mikrofluidistiikan avulla monet perinteiset laboratoriotestit voidaan siirtää yhdelle alustalle. Samalla testianalyysien automatisointiastetta on mahdollista kasvattaa, mikäli vain löydetään ratkaisu useamman eri toiminnon integroimiseen samalle alustalle. Lisäksi analyyseihin tarvittavaa aikaa pystytään pienentämään mikrofluidistiikan avulla, koska useat prosessit, esimerkiksi analyyseissä yleiset kemialliset reaktiot, tapahtuvat huomattavasti nopeammin pienemmässä tilavuudessa. Täten mikrofluidistiikka mahdollistaa analyysien nopeuden ja määrän merkittävän kasvattamisen. Massatuotannossa edullisten mikrofluidistiikkaan perustuvien analyysialustojen etuja perinteisiin menetelmiin verrattaessa ovat myös vähäisempi käytettävien aineiden, kuten kemikaalien, käyttö ja kulutus sekä kannettavien laitteiden suoma mahdollisuus paikan päällä tapahtuvaan seurantaan. Perinteisessä mikrofluidistiikassa järjestelmät ovat rakennettu miniatyrisoimalla makromaailmassa käytettyjä komponentteja. Esimerkiksi nesteen liikuttelu tapahtuu tyypillisesti alustaan liitettyjen mikropumppujen avulla mikrokanavissa, joiden poikkileikkausmitat ovat yleensä alle millimetrin kokoluokkaa. Mittasuhteiden pienentäminen aiheuttaa muun muassa sen, että nesteen virtausnopeus tietyllä paineella hidastuu mikrokanavassa verrattuna suurempaan kanavaan. Pienenemisestä johtuvat ilmiöt saattavatkin aiheuttaa merkittäviä pullonkauloja erityisesti nopeutta vaativissa analyyseissa. Seurauksena on helposti se, että kaikkien tarvittavien komponenttien, erityisesti tarpeeksi tehokkaiden pumppujen, miniatyrisointi yhdelle sirulle ei onnistu. Tästä johtuen viime aikoina onkin kehitelty useita erilaisia mikroluokan nesteiden siirtoon perinteisiä menetelmiä paremmin soveltuvia tekniikoita. Yksi kiinnostavimmista uusista tekniikoista on niin kutsuttu digitaalinen mikrofluidistiikka, jossa perinteinen jatkuva nestevirtaus mikrokanavissa on korvattu erillisten pisaroiden ohjaamisella. Digitaalisessa mikrofluidistiikassa fyysiset mikrokanavat on korvattu pinnalla, jonka alla sijaitsee ohjattava elektrodimatriisi. Pisaroiden liikutteleminen tapahtuu niin kutsuttua electrowetting-periaatetta hyväksikäyttäen. Kyseisessä menetelmässä nestepisaran manipulointi onnistuu muuttamalla sen pintajännitystä tarpeeksi suuren sähkökentän avulla. Pintajännityksen vaihtuminen aiheuttaa muutoksen pisaran ja pinnan väliseen kontaktikulmaan. Kytkettäessä sähkökenttä vain yhdelle nestepisaran puolelle, pystytään pisaraan pintajännitystä muokkaamaan paikallisesti. Tällöin nestepisaran kontaktikulman muutos on erisuuruinen pisaran vastakkaisilla puolilla, luoden paine-eron pisaran sisälle, joka saa aikaan pisaran liikkumisen. Elektrodimatriisia sopivasti ohjaamalla pystytään samanaikaisesti manipuloimaan useampia pisaroita, täten mahdollistaen samanaikaisesti suuren määrän yksilöllisesti ohjattavia rinnakkaisia operaatioita. Tyypillisesti järjestelmän mikroelektrodit valmistetaan perinteisillä mikropiirien valmistusmenetelmillä. Koska pienin mahdollinen liikuteltavissa oleva pisaran koko määräytyy käytettyjen mikroelektrodien perusteella, vähentää niiden käyttö alustojen uudelleenkäytettävyyttä erisuuruisten pisaroiden liikuttamisessa. Lisäksi, mikäli elektrodeja halutaan edelleen pienentää pienempien pisaroiden ohjaamista varten, niiden kytkeminen vaikeutuu. Tästä johtuen hiljattain on esitetty konsepti, jossa pisaran manipulointi perustuu esitettyyn electrowetting-periaatteeseen ilman yllä esitettyjä ongelmia. Sen toiminta perustuu valojohtavan kerroksen käyttämiseen sähkökenttien osoittamisessa. Kyseisen kerroksen johtavuutta pystytään paikallisesti kasvattamaan sopivalla valaistuksella. Esitetyssä järjestelmässä pisaran hallitsemiseen tarvittavat sähkökentät luodaan virtuaalisesti säädettävällä valolla. Koska koko elektrodikerros on samassa potentiaalissa, myös elektrodien yksilöllisestä osoituksesta aiheutuva ongelma poistuu. Toimintaperiaate on se, että kun valoa ei tuoda järjestelmään, valojohtavan kerroksen impedanssi on suuri. Tämä estää merkittävän sähkökentän vaikutuksen pisaraan. Valaistaessa valojohtavan kerroksen impedanssi pienenee, sallien pisaran valo-ohjatun kontrolloimisen. Tämä mahdollistaa joustavan ja uudelleen muokattavan järjestelmän rakentamisen mikrofluidistiikan eri sovelluksiin, ratkaisten samalla suurimmat perinteisessä digitaalisessa mikrofluidistiikassa esiintyvät ongelmat. Tämän työn tarkoituksena on suunnitella laite, jolla mikroskooppisen mikropisaran ohjaaminen onnistuu optisesti luotujen sähkökenttien avulla. Yhteistyö projektissa oli päätetty niin, että Teknillinen korkeakoulu kehittää ja valmistaa analyyseissä käytettävän alustan, kun taas Tampereen teknillinen yliopisto keskittyy alustan implementoimiseen mikrofluidistiikan sovelluksiin. Tästä johtuen tämän diplomityön pääpaino on optisesti luotujen sähkökenttien käytön mallintamisessa mikrofluidistiikan sovelluksiin. Työn keskittyessä mallintamiseen, ilmiön taustan kartoittaminen perustui suurelta osin muiden tutkimusryhmien raportointeihin. Tässä katsauksessa tuli selkeästi esille, kuinka esitetyt mallit ja tutkimustulokset aiheesta ovat vielä ristiriitaisia. Koska projektin tavoitteena oli mahdollisimman monipuolisen ja toimivan järjestelmän rakentaminen, on tarkasteltavan ilmiön yksityiskohtainen tietämys erittäin tarpeellista. Työssä olikin ensiarvoisen tärkeää ymmärtää, miten optisesti luodut sähkökentät vaikuttavat nestepisaran käyttäytymiseen. Työn ensisijaisena tavoitteena oli rakentaa malli, joka kuvaisi tarpeellisen tarkasti käsiteltyä ilmiötä. Julkaisuiden osittain ristiriitaisesta ilmiön esittämisestä johtuen tämän työn tuloksena ehdotetun mallin toimintaperiaate on uusi, vaikka se käyttääkin ilmiön mallintamisessa hyödyksi jo olemassa olevia ekvivalenttipiirejä. Huolimatta siitä, että uusi malli onkin hyvin pelkistetty, alustavien testien perusteella se todettiin olevan käyttökelpoinen ja siten soveltuvan haluttuun käyttötarkoitukseensa. Järjestelmän suunnittelussa aluksi muodostetaan sitä vastaava ekvivalenttipiiri, jossa eri kerrokset on mallinnettu niille sopivilla komponenteilla. Tämän jälkeen mallin avulla lasketaan näiden eri komponenttien arvot kyseisessä järjestelmässä. Kun saadut arvot sijoitetaan ekvivalenttipiiriin, on mahdollista laskea nestepisaran pintajännitykseen vaikuttavan voiman suuruus. Tämän perusteella pystytään arvioimaan, kuinka nestepisara käyttäytyy pinnalla. Mallin avulla on mahdollista myös tutkia, kuinka järjestelmän parametrien muuttaminen vaikuttaisi laitteen toimintaan. Tätä voidaan käyttää hyväksi kahdessa eri tapauksessa. Ensinnäkin, muodostettua mallia apuna käyttäen on mahdollista määritellä parhaiten sopivia ohjausparametreja jo valmiina oleviin järjestelmiin, sen avulla voidaan esimerkiksi löytää tietyn järjestelmän optimaalisin sähkökentän taajuusalue. Mallin avulla pystytään myös suunnittelemaan järjestelmä, joka mahdollistaa nestepisaran tehokkaan liikuttamisen optisesti luotujen sähkökenttien avulla. Työssä kehitellyn mallin perusteella ehdotetun järjestelmän pitäisi mahdollistaa toivottu nestepisaran manipulointi optisest luotujen sähkökenttien avulla. Mahdollisessa jatkokehityksessä on ensiarvoisen tärkeää, että alustan rakentamiseen liittyvät ongelmat saadaan ratkaistua. Esimerkiksi elektrodien päällystäminen valojohtavalla kerroksilla todettiin erittäin haasteelliseksi. Valmistuksesta johtuvat vaikeudet tulivat konkreettisesti esille erityisesti omien mittausten aikana. Koska ilmiö on verrattain uusi eikä kattavaa teoriaa ole esitetty, on myös ensisijaisen tärkeätä panostaa ohjausmenetelmän taustalla vaikuttavien ilmiöiden tarkempaan teoreettiseen ja kokeelliseen tutkimiseen

Modeling and Control of Microscale Cell Culture Environments

Culturing cells in vitro is one of the core techniques used in a wide range of biomedical engineering areas. Special care is required to successfully grow cells in an artificial environment. It is essential to ensure that the culture environment is cell-friendly and sterile, supplies important products such as nutrients and growth factors, and provides a proper physiological microenvironment. To optimize long-term cell culturing, parameters such as pH, oxygen concentration, and temperature, should be precisely maintained at the desired levels. Furthermore, it is sometimes desirable to change environmental parameter(s) in a controlled way to study the cell response.Bioreactors are typically used for cell culture in vitro. However, precise control of each cell culture’s microenvironment is difficult, leading to uneven culture conditions that can affect cell behavior. Furthermore, studying how certain environmental parameter affect the cultures is challenging, as it is difficult, or even impossible, to vary certain parameters in a controlled manner between each culture.Microscale cell culture systems, known as microbioreactors, have recently been extensively studied to enhance control and improve long-term cell culturing by better mimicking cells’ microenvironments. Microbioreactors provide better environment control, thereby enhancing long-term cell cultivation. Unfortunately, integrating microbioreactors with the required sensors, actuators, electronics and other required devices can be challenging. Implementing sensors near the cell culture can also disturb them or prevent other measurements, such as optical microscopy. Certain measurements, such as direct longterm pH measurement, can be impossible, as there are no suitable microscale sensors available.For these reasons, there is a huge demand for methods that can be used to study and develop proper microbioreactors. This thesis includes several studies in which modeling was used as design tools to improve and control culture environments. First, an analytical model to study gravity-driven flows in microfluidic devices is developed. Next, developed finite element method (FEM) computer models are used to study fluid flow profiles, drug distributions, shear stress levels on cells, and sensitivity of a calorimetric flow measurement system. A FEM model of carbon dioxide transport and liquid pH is also created. Additionally, the thesis proposes a novel method to indirectly control the cell culture temperature. Using system identification techniques, a developed estimation model can precisely control temperature with a sensor that does not disturb cells or other measurements. Although this thesis only demonstrates temperature control in the cell culture, the method can potentially be used to control other environment parameters as well. Lastly, this thesis considers the limitations of the presented models and control methods, and provides recommendations for future studies

Indirect Temperature Measurement and Control Method for Cell Culture Devices

Microfluidic devices are promising tools with which to create an environment that mimics a cell's natural microenvironment more closely than traditional macroscopic cell culture approaches. In these devices, temperature is one of the most important environmental factors to monitor and control. However, direct temperature measurement at the cell area can disturb cell growth and potentially prevent optical monitoring, and is typically difficult to implement. On the other hand, indirect measurement could overcome these challenges. Therefore, using the system identification method, we have developed models to estimate the cell area temperature from external measurements without interfering cells. In order to validate the proposed models, we performed large sets of experiments. The results show that the models are able to catch the dynamics of temperature in a desired area with a high level of accuracy, which means that indirect temperature measurement using the model can be implemented in the future cell culture studies. The usefulness of the model is also demonstrated by simulations that use estimated temperature as a feedback signal in a closed-loop system. We also present tuning of a model-based controller and a noise study, which shows that the tuned controller is robust for typical ambient room temperature variations.acceptedVersionPeer reviewe

Cardiac Ischemia On-a-Chip : Antiarrhythmic Effect of Levosimendan on Ischemic Human-Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes

Ischemic heart disease (IHD) is one of the leading causes of mortality worldwide. Preserv-ing functionality and preventing arrhythmias of the heart are key principles in the management of patients with IHD. Levosimendan, a unique calcium (Ca2+) enhancer with inotropic activity, has been introduced into clinical usage for heart failure treatment. Human-induced pluripotent cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) offer an opportunity to better understand the pathophysio-logical mechanisms of the disease as well as to serve as a platform for drug screening. Here, we developed an in vitro IHD model using hiPSC-CMs in hypoxic conditions and defined the effects of the subsequent hypoxic stress on CMs functionality. Furthermore, the effect of levosimendan on hiPSC-CMs functionality was evaluated during and after hypoxic stress. The morphology, contrac-tile, Ca2+-handling, and gene expression properties of hiPSC-CMs were investigated in response to hypoxia. Hypoxia resulted in significant cardiac arrhythmia and decreased Ca2+ transient ampli-tude. In addition, disorganization of sarcomere structure was observed after hypoxia induction. Interestingly, levosimendan presented significant antiarrhythmic properties, as the arrhythmia was abolished or markedly reduced with levosimendan treatment either during or after the hypoxic stress. Moreover, levosimendan presented significant protection from the sarcomere alterations induced by hypoxia. In conclusion, this chip model appears to be a suitable preclinical representation of IHD. With this hypoxia platform, detailed knowledge of the disease pathophysiology can be ob-tained. The antiarrhythmic effect of levosimendan was clearly observed, suggesting a possible new clinical use for the drug.publishedVersionPeer reviewe

Human induced pluripotent stem cell-based platform for modeling cardiac ischemia

Ischemic heart disease is a major cause of death worldwide, and the only available therapy to salvage the tissue is reperfusion, which can initially cause further damage. Many therapeutics that have been promising in animal models have failed in human trials. Thus, functional human based cardiac ischemia models are required. In this study, a human induced pluripotent stem cell derived-cardiomyocyte (hiPSC-CM)-based platform for modeling ischemia–reperfusion was developed utilizing a system enabling precise control over oxygen concentration and real-time monitoring of the oxygen dynamics as well as iPS-CM functionality. In addition, morphology and expression of hypoxia-related genes and proteins were evaluated as hiPSC-CM response to 8 or 24 h hypoxia and 24 h reoxygenation. During hypoxia, initial decrease in hiPSC-CM beating frequency was observed, after which the CMs adapted to the conditions and the beating frequency gradually increased already before reoxygenation. During reoxygenation, the beating frequency typically first surpassed the baseline before settling down to the values close the baseline. Furthermore, slowing on the field potential propagation throughout the hiPSC-CM sheet as well as increase in depolarization time and decrease in overall field potential duration were observed during hypoxia. These changes were reversed during reoxygenation. Disorganization of sarcomere structures was observed after hypoxia and reoxygenation, supported by decrease in the expression of sarcomeric proteins. Furthermore, increase in the expression of gene encoding glucose transporter 1 was observed. These findings indicate, that despite their immature phenotype, hiPSC-CMs can be utilized in modeling ischemia–reperfusion injury.publishedVersionPeer reviewe