AI-augmented 3DP microfluidic bio-reaction system for point-of-detection of Mpox via LAMP-on-a-Chip

Abstract

Microfluidic devices hold enormous potential for high-throughput, low-cost, and point-of-care (PoC) biological assays, yet current fabrication and control strategies limit their scalability and automation. In this thesis, we first demonstrate that digital light processing (DLP) 3D printing provides a rapid and economical alternative to conventional soft lithography by reproducing a complex organ-on-chip. We then integrate finite element modeling (FEM) simulations with machine learning (ML) tools to create a user-friendly interface for designing single-phase flow circuits that achieve target flow rates with high accuracy. Next, we introduce programmable 3D microfluidic reaction reservoirs that utilize pressure-dependent two-phase (water/air) fluid control in hydrophobic channels. Adjusting the inlet pressure allows fluid to be temporarily retained in these reservoirs for precisely timed reactions, and then released into following reservoirs, facilitating automated consecutive or parallel assays. To further expand accessibility, a low-cost, portable pressure pump was developed to eliminate reliance on bulky, expensive equipment. The utility of the integrated approach is demonstrated through a PoC Loop-mediated Isothermal Amplification (LAMP)-on-chip assay targeting monkeypox markers. The sample fluid, heated to 65°C for 30 minutes, interacts with pre-immobilized LAMP primers within the reservoir, producing a distinct colorimetric shift that confirms the presence of the pathogen. The automated control of fluid handling and reaction timing proved the system's potential for PoC diagnostics. Collectively, the presented methodologies pave the way for more accessible, precise, and autonomous PoC bioassays.Mikroakışkan cihazlar, yüksek verimli, düşük maliyetli ve bakım noktasında (PoC) biyolojik analizler için büyük bir potansiyele sahiptir ancak mevcut üretim ve kontrol stratejileri, bu sistemlerin ölçeklenebilirliğini ve otomasyonunu sınırlamaktadır. Bu tezde öncelikle dijital ışık işleme (DLP) 3 boyutlu (3B) yazım yöntemiyle, karmaşık bir organ-çipi başarıyla üretilerek geleneksel litografi yöntemine hızlı ve ekonomik bir alternatif sunulduğunu gösteriyoruz. Ardından, sonlu elemanlar modelleme (FEM) simülasyonlarını ve makine öğrenimi (ML) araçlarını birleştirerek, yüksek doğrulukla hedef akış hızlarına ulaşabilen tek fazlı akış devrelerini tasarlamaya yönelik kullanıcı dostu bir arayüz geliştiriyoruz. Bu yaklaşım, mikroakışkan düzeneklerin üretimini ve optimizasyonunu kolaylaştırmaktadır. Sonrasında hidrofobik kanallarda basınca bağlı iki fazlı (su/hava) akışkan kontrolünden yararlanan programlanabilir 3B mikroakışkan reaksiyon rezervuarlarını tanıtıyoruz. Giriş basıncı ayarlanarak sıvı, bu rezervuarlarda belirli bir süre reaksiyon için tutulabilmektedir ve ardından sırasıyla bir sonraki rezervuarlara aktarılabilmektedir. Bu, ardışık veya paralel analizlerin otomatize bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlar. Ayrıca, erişilebilirliği artırmak amacıyla, büyük ve pahalı ekipmanlara olan bağımlılığı ortadan kaldıran düşük maliyetli ve taşınabilir bir basınç pompası geliştirilmiştir. Pompa ile entegre bir şekilde çalıştırılan, maymun çiçeği hastalığı işaretçilerini hedef alan bir LAMP mikroçipi ile PoC hastalık teşhisi gerçekleştirilmiştir. Numune akışkan, rezervuarda önceden immobilize edilmiş LAMP primerleriyle etkileşime girerek, 65°C'de 30 dakika boyunca ısıtılmış ve patojenin varlığını doğrulayan belirgin bir renk değişimi gözlenmiştir. Önceden yazılmış bir kodla akışkanın yönetimi ve reaksiyon zamanlaması, sistemin PoC teşhisleri için potansiyelini kanıtlamıştır. Sunulan yöntemler, daha erişilebilir, hassas ve bağımsız PoC biyolojik analizlere giden yolu açmaktadır.