TR201910569A2 - Hücresel uygulamalar i̇çi̇n manyeti̇k kuvvetleri̇ kullanan kismi̇ yerçeki̇mi̇ platformu tasarim ve üreti̇mi̇ - Google Patents

Abstract

Buluş, uzay biyolojisi alanında bilgi üretmek amacıyla manyetik prensiplerden yararlanarak tasarlanmış canlı hücrelerin üzerindeki ağırlık kuvvetlerini azaltarak, farklı gezegen ve uydulardaki kütle çekimine maruz kalan hücrelerin morfolojik ve fonksiyonel adaptasyonlarını test edebilecek bir hücre kültürü platformu ile ilgilidir.

Description

TARIFNAME HÜCRESEL UYGULAMALAR IÇIN MANYETIK KUWETLERI KULLANAN KISMI YERÇEKIMI PLATFORMU TASARIM VE ÜRETIMI Bulusun Ilgili Oldugu Teknik Alan Bulus, uzay biyolojisi alanIa bilgi üretmek amaclsîla manyetik prensipler kullanüârak tasarlanmlgl hücre kültürüne olanak saglayan biyoteknolojik bir platform ile ilgilidir.

Bulusla Ilgili Teknigin Bilinen Durumu (Önceki Teknik) Mekanik kuwetler canlüdokularia saglllZllZlform ve fonksiyonun olusmasIa rol oynayan temel parametrelerin arasIia yer almaktadIEve bu mekanik kuvvetlerin ortadan kalktlgllîlkosullar, canllZldokular için yllZlElZletki meydana getirebilmektedir. Bu yllZIEEletki, insanlar. uzun süreli olarak uzayda kalmalarII önündeki en büyük engel olarak görülmektedir. Insan hücre, doku ve organlarII aglEIIEIleE ortama adaptasyonunu anlamak amacljîla hücre ya da organizma tabanlEl birçok biyoteknolojik metod yaygI olarak kullanllüiaktadlü Fakat uzay yolculuklarII uzun vadedeki en önemli hedeflerinden birisi bu yolculuklar sonunda bir uydu ya da gezegenin kolonize edilmesidir. Örnegin Ay (g=1.6 m/sz) ya da Mars (g=3.7 m/sz) gibi astronomik cisimler üzerinde Dünya'ya oranla daha küçük fakat sülîljan farklElkütle çekimleri bulunmaktadE Teknigin bilinen durumunda bu cisimlerin yüzeylerinde kolonizasyon baslad [gllia oraya adapte olacak ya da orada dogacak insanlarül geçirecegi biyolojik adaptasyonlar ile ilgili öngörü yapmaya yarayacak teknolojiler oldukça limitlidir.

Uzay biyoteknolojisi konusu yaygI olarak çallgEhamakla beraber, stratejik önem tasIiaktadlE Uzay ile ilgili faaliyetler, haberlesme, gözlem, kesif ve savunma gibi insanslîl olarak yapllâbilecegi gibi, artan bir oranda uzayda insan varl[g]Il10runlu kllâcak gelismelerin de yasanacag Elîbeklenmektedir.

Uzay biyolojisi üzerine çallglan bilim insanlari. ortak motivasyonu yerçekiminin degistigi uzay farkllîilioktalara canll]]1g]I gelismesinin mümkün olup olmadlgllüinlamaktlü Bu çerçevede gerçeklestirilen güncel bilimsel çallgmalar etki degeri oldukça yüksek bilimsel çllîtllâr sunabilmektedir. Buna ragmen, uzay biyolojisi konusunda yapllân çallghîalar ya tamamen aglElllllelîl ortam üzerine ya da kütle çekim etkilerini tamamen göz ardlîlederek kimyasal ve termodinamik kompozisyonlar üzerinden yürütülmektedir.

Prensipte, cisim üzerine etki eden kütle çekim kuvvetlerine ters yönde uygulanan manyetik kuwet aracUJgEIIIe cismin agElliglII klgmî olarak azaltilâbilecegi (manyetik hafiftetme) ve bu sayede uydu ve gezegenlerdeki farklElkütle çekiminlerinin modellenebilecegi bilinmektedir. Teknigin bilinen durumunda manyetik kuwetler cisimlerin Ievitasyonunu saglamak amaclîla kullanilIhlgl ve azaltilüilgl kütle çekimi olusturulmasElamaclýla manyetik kuwetlerin dereceli kontrolünü saglayan bir manyetik hafifletme teknigi daha önce tanIilanmamlStE Bahsi geçen önceki teknikte, CN106471370 numaralEbatent dokümanü heterojen bir hücre toplulugunu manyetik olarak duyarlElbir ortam içerisinde ve manyetik alan gradyende manyetik kuvvet ve yerçekimi kuvvetlerinin dengelendigi pozisyonlari farklHJgllEldan yararlanarak ayßbilen bir sistemi tanIilamaktadE Söz konusu bulus sisteminde hücreler ayrlStEllüiakta ve tamamen aglElllllelîlolarak süspanse bükiüiaktadlü Bu nedenle yer çekiminin klginî olarak azaltIJEiasElve farklEbstronomik ortamlarda etkili olan degisken yer çekiminin biyolojik etkilerinin arastlîlüiasl imkan vermemektedir.

Bulusun Klâla Açililamasljlie Amaçlarü Bulusun öncelikli amacElkolonizasyonu planlanan uydu ya da gezegenin kütle çekimini dünyada modelleyebilmektir.

Bulus ile canllZhücrelerin üzerindeki aglEllllZ] kuvvetlerini azaltarak, farklEgezegen ve uydulardaki kütle çekimine maruz kalan hücrelerin morfolojik ve fonksiyonel adaptasyonlarll] test edebilecek bir hücre kültürü platformu olusturulmustur.

Bulus konusu olan hücre kültürü platformu, degisen kütle çekim kosullarültlda farkllZl dokular. davran Elarliile ilgili hipotezlerin hücresel seviyede analiz imkânlZile test edilmesine olanak saglamaktadlB Bulus ile Dünya'da yer çekimine maruz kalan tüm kütleler üzerinde olusan aglEllüZl kuwetinin ters yönde ve siddeti ayarlanabilen manyetik kuvvetler araclügllýla istenen oranda azaltliîhasßaglanmaktadm Bulus platformu günes sisteminde kolonizasyon ihtimali bulunan gezegen ve uydularda canllZlhücrelerin gösterecegi mekanik adaptasyonlarEl modellenmesi aç-an tasarlanan ilk ürün olma özelligine sahiptir.

Bulus uzayda gerçeklestirilen deneylere klýbsla çok daha kolay ve ucuz bir platform sunmakta, uzay biyolojisi konusu ile ilgili bilgi üretimini kolaylastlîlnaylîlve hlîlandünaylîl hedeflemektedir.

Bulus aynElzamanda farklEluygulamalarda kullanIi potansiyeli de tasIiaktadlE Diyamanyetik bir cisim üzerindeki kuvvetleri manipüle edebilen bu sistem ve metot dizisi uzay biyolojisi çallgfnalarEl/e mekanik kuvvetlerin biyolojik etkisini inceleyen çalismalar. yanElslß mikro-manipülasyonu bir araç olarak kullanan diger arastlElnalara da etki saglama potansiyeli tasIiaktadIB Örnegin, biyolojik yapllârla temas edecek ve doku ile bütünlük saglamaslîl beklenen biyomateryallerin gelistirilmesinde son derece kritik olan biyomateryal-hücre etkilesim gücü, biyolojik test sistemleri gibi birçok saglllg uygulamasIa önemli olan biyo- molekül afinitesi bu bulusta tan lanacak prensip ile incelenebilmektedir.

Bulusu Aç[liilayan Sekillerin TanlBilarEl Bu bulusla gelistirilen, hücre kültür platformunun daha iyi anlasüâbilmesi için hazlîlianan sekiller asagi açllîlanmaktadE Sekil 1: Paramanyetik ortam içerisinde küresel bir parçacigiE dengelenme öncesi ve sonrasEl üzerine etkiyen kuwetler (Önceki Teknik).

Sekil 2: Manyetik kuvvet vektörü (FM) ve yerçekimi vektörünün (F9) etkisi ile; manyetik Sekil 3: Silindirik ve delikli tip neodimiyum mIIZhatlglar arasIa konumlandlElBwEl hücre kültürü platformundan olusan, hücreler üzerinde kismi aglîllilîl yüklemesi saglayan bulus Sekil 4: Silindirik ve delikli tip neodimiyum m[lZhat|5lar arasIa konumlandEllBilSl hücre kültürü platformundan olusan bulus sistemi içerisinde, (A) 30, (B) 45 ve (C) 60 mM Gd3+ konsantrasyonu içeren ortamda süspanse edilmis 1.05 g/mL yogunluga sahip hücrelere alt mllZhatE yüzeyinde ve alt mllZhatEtan belirli uzaklllîlarda (a: mlEhatE yüzeyi, b: 0.5 mm uzaklllg c: 1 mm uzakl[lZl d: 1.5 mm uzakl[lZl) etki eden toplam ivmeyi gösterir grafikler.

Hücreler üzerindeki ivme degisimi COMSOL Multiphysics modelleme yaz[l]]îiil:l ile çözümlenmistir.

Sekil 5: Silindirik ve delikli tip neomydium mllZhatlglar arasIa konumlandlEIIBiE hücre kültürü platformundan olusan bulus sistemi içerisinde, (A) 30, (B) 45 ve (C) 60 mM Gd3+ konsantrasyonu içeren ortamda süspanse edilmis 1.1 g/mL yogunluga sahip hücrelere alt mllZhatlîl yüzeyinde ve alt milZhatEtan belirli uzakliEIarda (a: m[lZhatlg yüzeyi, b: 0.5 mm uzakltlg, c: 1 mm uzaklilîl d: 1.5 mm uzakllKD etki eden toplam ivmeyi gösterir grafikler.

Hücreler üzerindeki ivme degisimi COMSOL Multiphysics modelleme yazlüElilîl ile çözümlenmistir.

Bulusu Olusturan UnsurlarIII/KIEIIE'iIar[Parçalar TanlB'ilarEl Bu bulusla gelistirilen canlEhücrelerin üzerindeki aglEllilg kuvvetlerini azaltarak, farklEI gezegen ve uydulardaki kütle çekimine maruz kalan hücrelerin morfolojik ve fonksiyonel adaptasyonlarIiZtest edebilecek hücre kültürü platformunun daha iyi açiElanabilmesi için hazlîibnan sekillerde yer alan parçalar/k-ilar/unsurlar ayrEayrEhumaralandIElBiEI olup her bir numaranE açiElamasßsag- verilmektedir. 1: Delikli Neodimiyum (N52) M[Ehatlîl 2: Hücre Kültür Platformu 3: Hücre Kültür LamEi 4: YapEkan Band : Delinmis Polimer Kuyu D: Denge Pozisyonu Z: Hücre Kültürü Haznesinin Zemini Bulusun AyrItfülIAçüilamasEl Manyetik prensipler: Siîlîiçerisinde hücre kültürü haznesinin zemini (Z) üzerinde bulunan ve manyetik kuwet etkisindeki bir parçacüZl (ya da hücre) üzerine sistemde denge pozisyonuna (D) gelene kadar etki eden net kuvvet (FA/et): manyetik kuvvet (FM), sürüklenme kuweti (FD) ve yerçekimi kuwetinin (FG) bileskesidir (denklem 1 seti) (Sekil 1). Bu sistemde, eylemsizlik kuvveti (inertial force, F,) mikroaklgkan manyetoferizindeki düsük Reynolds sayEEl sebebiyle, Brownian kuwetin (F5) ise sadece yeterince küçük parçaciEIarI (yaklasiEl olarak 510 nm) hareketini anlamllîdlerecede etkilemesi sebebiyle göz ardlîdilebilmektedir.

FNet=îd+F7+F7 ise ma=îj+îJ+Fî Bir parçacllîl üzerine etki eden FM; B: manyetik aklîlyogunlugu (Tesla, T), V: del operatörü, ü : manyetik dipol degerlerine bagIIE (denklem 2). B milZhat- yüzeyinden uzaklastllîça azalmaktadlE Buradan paramanyetik tuz solüsyonunda ya da ferro slîllçerisinde düsük manyetik alanda üretilen manyetik dipole ulasilâbilmektedir (denklem 3).

H,“:mvß (2) ve magi (3) Bu denklemde; i/E parçac[g]I hacmi, po: boslugun geçirgenligi (1.2566 x10'6 kg'm'A'Z's'z), Ax: parçacllZl ile onu çevreleyen ortamI manyetik duygunluk (magnetic susceptibility) farklîüxp-xm) olarak düzenlenerek FM degeri ifade edilebilmektedir (denklem 4).

(E. @E kartezyen koordinat sisteminde genisletilerek: (B. V)B= kßxaîwyîyw'î_y) (5) üç boyutta manyetik aklZIdegerIerine ulasllâbilmektedir. Belirtilen kosullarda küresel bir parçaclgll üzerine etki eden bir diger kuvvet olan süekme kuweti (drag force) FD; R (parçaclglE çapm n (dinamik viskozite), @(5ürüklenme katsaymve vpj/e (parçaciglliîl hlîm baglüilarak degisecektir (denklem 6). = 6nRnfd(vp) (6) ParçaclEl üzerine etki eden diger kuvvet FG ise; I/: parçaclgll hacmi, Ap : parçaclEl ile onu çevreleyen ortamI hacimsel yogunluk farkllûp- pm), g. yerçekimi ivmesi (9.8 m's'z) baglEl olarak hesaplanabilmektedir (denklem 7).

F7 = Vûpg (7) Bu durumda, parçacgl denge noktasi (D) ulasana kadar Üzerine etki eden kuwet düzenlenerek (denklem 8) denge noktasi (D) ulasI[g]Ia parçacigll hElElÜEolacagEiçin (FD: 0) FNetküresel parçaclgll denge haline göre düzenlenebilmektedir (denklem 9).

FNet - +m)(B V)B + 6uRnfd(vp) + V(pp- :w )9 (8) ve Hücreler gibi diyamanyetik olan parçacilîlar manyetik alan uygulandigiia manyetik alana antiparalel sekilde hizalanmlgl bir manyetik dipol olusturmakta ve bu sebeple manyetik alanlEl minimum oldugu alana dogru bir manyetik kuvvet olusmaktadlEl Olusan bu manyetik dipol ise parçacllîl ile onu çevreleyen ortamI manyetik duygunluk degerine göre degismektedir. Bulusta, yukarüia ayrütllârüa açllZlanan fiziksel olaylardan yararlanüârak platform içerisindeki hücrelerin üzerine etki eden manyetik kuvvetin ve dolayisiyla net kuwetin azaltllE'iaslsîl besi ortamII manyetik duygunluk degeri (xm) ve manyetik akEl yogunlugu (B) degistirilerek saglanmaktadE Hücreleri çevreleyen besi ortamin manyetik duygunluk degeri, besi ortam. farkIElkonsantrasyonIarda paramanyetik iyon ilave edilerek, hücrelerin bulundugu ortam& manyetik akEIyogunIugu ve dagilIEliElise mllZhatlîI ya da mllZhatElarI farkIESekillerde yerlestirilmesi ile elde edilmektedir. Sonuç olarak hücrelerin üzerine etki eden yerçekimi kuvveti istenen ölçüde azaltllârak bu degisikligin biyolojik etkilerinin arastlElIhasElçin kullanllâbilecek bir platform ortaya konmaktadE(Sekil 2).Bulus hücresel uygulamalar için manyetik kuvvetleri kullanan yer çekimi platformu olup, silindirik ve delikli tip neodimiyum mllZhatlîl (1) üzerinde konumlandlEllEilgl hücrelerin üzerine etki eden net kuweti yerçekimine ters yönde magnetik kuwet olusturarak azaltan, hücre kültürü lamII ürerinde yer alan , delinmis bir polimer kuyu (5) içeren bir hücre kültürü platformu(2) olarak karakterize edilmektedir.

Bahsi geçen silindirik ve delikli tip neodimiyum mllZhat- (1) hem olusturdugu manyetik kuwet vektörü düzenli ve yüksektir, hem de ortasIda bulunan delik mikroskopta dogrudan hücre görüntülemesine izin vermektedir. MilZhat- (1) üzerine yerlestirilen hücre kültürü platformu (2), hücre kültürü larnII (3) (hücre kültürü yüzeyi) üzerine yaplgkan bant (4) ile birlesen hassas olarak delinmis bir polimer kuyudan (hücre kültürü haznesi) (5) olusmaktadü Hücre kültürü yüzeyinin mllZhatlgan (1) uzakl[g]ü kültür yüzeyinde bulunan hücrelerin üzerinde olusan ters ivmelenmenin siddetini belirleyen bir faktördür. Bu ters ivmelenme mEIZhatlEtan (1) uzaklasliEça azalmaktadIE Hücreler üzerinde yer çekimine ters yönlü ivme yaratabilen ve kismi aglflllEl yüklenmesini saglayan bu sistem; hücre kültürü platformunun (2) alt. ve üstüne, aynlZl kutuplarEl birbirine dönük olacak sekilde konumlandEIJ-:hlg delikli N52 neodimiyum milihatlâlardan (1) 0lusmaktadB(Sekil 3). Bu platformda, alt mllZhatE yüzeyinde ve alt miIZhatEtan belirli uzaklllZIarda hücrelere etki eden ivme COMSOL Multiphysics modelleme yazl]]]îlil:lle çözümlenmistir. FarklEl/ogunluklara sahip hücreler üzerindeki aglEllllZl kuvvetlerinin bu bulus ile azaltüâbilecegini göstermek amaclîla, bu sistem ile yogunlugu 1.05 g/mL (Sekil 4) ve 1.1 g/mL (Sekil 5) olan hücreler üzerine etki eden ivmelenme modellenmistir. Bu modelleme yap[[[lîlken hücrelerin üç farkIEGadoIinyum (III) (Gd3+) konsantrasyonunda süspanse edildigi durumda alt mlEhatlgl yüzeyinde ve yüzeyden 0.5, 1 ve 1.5 mm uzakllElarda hücreye etki eden ivmelenme modellenmistir.

Grafiklerdeki (Sekil 4 ve Sekil 5) pozitif ivme degerleri yerçekimi kuvveti ile aynü/öndedir ve sonuçlar seçilen yüzey ve uzakllEJarda hücreler üzerindeki agEIliKi kuvvetlerini azaltacak sekilde gerekli ivmelenmenin sistem tarafIdan saglanabilecegini göstermektedir.

Yukarßla açlElanan ve hücreler üzerinde yer çekimine ters yönlü ivme yaratabilen sistem benzer sekilde; (I) hücre kültürü platformunun sadece altlEb delikli milZhatlîl yerlestirerek ve (ii) hücre kültürü platformunun altlEta, deliginin içerisine aynlîlkutuplarEl birbirine dönük olacak sekilde baska bir silindirik mlEhatlîI konumlandlElEiE delikli mlEhatEI yerlestirerek de olusturulabilmektedir.

Claims (1)

1. ISTEMLER . Hücresel uygulamalar için manyetik kuvvetleri kullanan yerçekimi platformu olup Özelligi; en az bir miighatlîl (1) üzerine konumlandlElIJ-:hlgl hücrelerin üzerine etki eden net kuvveti yerçekimine ters yönde manyetik kuvvet olusturarak azaltan, hücre kültürü IamIlEl (3) üzerinde yer alan, delinmis bir polimer kuyu (5) içeren bir hücre kültür platformu (2) olarak karakterize edilmesidir. . Istem 1'e uygun hücre kültür platformu olup özelligi; hücre kültürü platformunun (2) alt. ve üstüne, ayn Ekutuplarlîiîbirbirine dönük olacak sekilde konumlandiEilIhlgi miEhatlglarI silindirik ve/veya delikli tip neodimiyum milihatlîlolmas- . Istem l'e uygun hücre kültür platformu olup özelligi; hücre kültür platformunun hücre kültür IamEiiIe söz konusu IamI üzerinde yaplgkan bant (4) ile birlestirilmesidir. . Hücre kültür platformu haziEliama yöntemi olup özelligi; platform içerisindeki hücrelerin üzerine etki eden manyetik kuvvetin arttlEIliîasDve dolayElsîla net kuwetin azaltlEhaleliEl; besi ortamiEliEl manyetik doygunluk degeri (xm) ve manyetik akiÃiogunlugu (B) degistirilerek saglanmasIEi . Istem 4 `e uygun hücre kültür platformu hazlElianma yöntemi olup özelligi; hücreleri çevreleyen besi ortamII farkIEmanyetik doygunluk degerlerinin (xm), besi ortam. farkliZIkonsantrasyonIarda paramanyetik iyon ilave edilmesi ile saglanmasIE . Istem 4 `e uygun hücre kültür platformu hazlIlianma yöntemi olup özelligi; hücrelerin bulundugu ortamI fakllîh'ianyetik akEyogunIugu ve daglIIEiiII en az bir miEhat- farklEfekilIerde yerlestirilmesi ile elde edilmesidir.