Enhancing the performance of a coagulometer through optimization of microfluidic cartridge and fiber optic-based optomechanical systems

Abstract

More than 800 million clotting tests are performed each year in hospitals and clinical laboratories for emergencies, surgical operations, and periodic monitoring of patients. Monitoring of adequate anticoagulant dosage is essential to maintain the delicate balance between bleeding and thrombosis. The primary means of monitoring the response to warfarin (VKAs) is the Prothrombin Time (PT) test and the international normalized ratio (INR) while activated partial thrombosplastin time (aPTT) is used for heparin monitoring. Current clinical laboratory tests used to routinely measure blood coagulation still lack in rapidity and simplicity. Whole-blood Point-of-Care (PoC) coagulation devices that respond to the exact needs of both clinicians and patients are still emerging in the field. Portable PoC and self- care PT/INR monitoring devices are gaining in popularity as they provide crucial advantages over traditional laboratory methods such as ease of use, instant results, rapid turnaround for timely anticoagulant dose adjustment and improved patient convenience by removing the need for routine hospital/laboratory visits and venipunctures. Moreover, PoC devices are using whole capillary blood usually from a finger prick while conventional laboratory methods utilize centrifuged plasma obtained from citrated venous blood. This thesis presents several optimization activities that was performed on the disposable cartridge unit of an opto-mechanical-based Point-of-care and Self-care coagulometer. This study demonstrates several design optimization and validation activities undertaken during the product development stage in order to move the initial cartridge design into a commercializable product. Thus, this work focused of increasing the manufacturability and usability of the previous cartridge design developed by our group in terms of passive capillary flow/Microfluidics, biochemical functionalization, optical fiber assembly, and reagent optimization. Furthermore, the final cartridge design was used to conduct a proof-of-concept study in the topic of heparin monitoring and aPTT measurement on control plasma and blood samples, suggesting a reliable and rapid testing as a PoC device. A preclinical trial was conducted with an n=42 sample size to assess the correlation between our device and the standard hospital method, further validating its efficacy and potential for clinical use.

Hastanelerde ve klinik laboratuvarlarda her yıl 800 milyondan fazla pıhtılaşma testi, acil durumlar, cerrahi operasyonlar ve hastaların periyodik takibi amacıyla yapılır. Kanama ve tromboz arasındaki hassas dengeyi korumak için yeterli antikoagülan dozajının izlenmesi esastır. Varfarine verilen yanıtı (VKA'lar) izlemenin birincil yolu Protrombin Zamanı (PT) testi ve uluslararası normalleştirilmiş orandır (INR); heparin izleme için ise aktive edilmiş kısmi tromboplastin zamanı (aPTT) kullanılır. Kan pıhtılaşmasını rutin olarak ölçmek için kullanılan mevcut klinik laboratuvar testleri hâlâ hız ve basitlik açısından yetersizdir. Hem klinisyenlerin hem de hastaların ihtiyaçlarına tam olarak yanıt veren Tam Kan Bakım Noktası (PoC) pıhtılaşma cihazları, bu alanda hâlâ ortaya çıkmaktadır. Taşınabilir PoC ve kişisel bakım PT/INR izleme cihazları, kullanım kolaylığı, anlık sonuçlar, zamanında antikoagülan doz ayarlaması için hızlı geri dönüş ve rutin ihtiyacını ortadan kaldırarak gelişmiş hasta rahatlığı gibi geleneksel laboratuvar yöntemlerine göre çok önemli avantajlar sağladıklarından popülerlik kazanmaktadır. Hastane/laboratuvar ziyaretleri ve damar delme işlemleri gibi sıkıntıları azaltmalarının yanı sıra, PoC cihazları genellikle parmak ucundan alınan tam kılcal kanı kullanırlar, bu da geleneksel laboratuvar metotlarına kıyasla daha kullanışlı bir yöntem sunar. Bu tez, opto-mekanik tabanlı bir PoC koagülometresinin tek kullanımlık kartuş ünitesi üzerinde gerçekleştirilen çeşitli optimizasyon faaliyetlerini sunmaktadır. Bu çalışma, ilk kartuş tasarımını ticarileştirilebilir bir ürüne dönüştürmek için ürün geliştirme aşamasında gerçekleştirilen çeşitli tasarım optimizasyonu ve doğrulama faaliyetlerini göstermektedir. Dolayısıyla bu çalışma, grubumuz tarafından pasif kılcal akış/Mikroakışkanlar, biyokimyasal işlevselleştirme, optik fiber montajı ve reaktif optimizasyonu açısından geliştirilen önceki kartuş tasarımının üretilebilirliğini ve kullanılabilirliğini artırmaya odaklandı. Ayrıca son kartuş tasarımı, kontrol plazması ve kan örnekleri üzerinde heparin izleme ve aPTT ölçümü konusunda bir çalışma yürütmek için kullanıldı. Ayrıca klinik bir ön çalışma, cihazımızın standart hastane yöntemi ile olan korelasyonunu değerlendirmek için n=42 örneklem ile gerçekleştirildi, böylelikle etkililiğini ve klinik kullanım potansiyelini daha da doğrulayarak onayladı.