Circulating tumor cells (CTCs) are cancerous cells detached from a primary tumor site and enter the bloodstream, causing the development of new tumors in a secondary site. Therefore, their detection in blood is critical to assess the metastatic progression and to guide the line of the therapy. However, the rarity of CTCs in the bloodstream and the lack of suitable detection tool hinders their use as a biomarker in malignancies. Recent advances in microfluidic technologies enabled development of point-of-care (POC) medical diagnostic tools, which offers low cost, rapid, and sensitive analysis of variety of clinical disorders, especially in resource-limited settings. Integration of microfluidic systems with on-chip mechanical and electronic parts have been enabled by Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology, allowing low-cost fabrication of fully integrated microfluidic detection tools. Dielectrophoresis (DEP) is a technique used for separating particles with different sizes and/or dielectric properties. Fabrication of microelectrodes thanks to MEMS technology, allows DEP to be applied in biomedical applications such as manipulation, separation and enrichment of targeted cells from untargeted ones without any labeling. Among numerous applications, rare cell detection from blood occupies an important place in diagnostics of fatal diseases such as cancer. Because of the difficulties in detecting only a few rare cells inside of billions of blood cells in 1 ml blood, rare cell enrichment from blood becomes essential. Starting from this point of view, enrichment of CTCs from blood by using DEP is decided as the main objective of the thesis. One of the most critical issue related to successful design of a DEP-based enrichment device is that DEP spectra of the targeted particles should accurately be known. In this content, DEP spectrum analysis method was developed. This study presents an approach for analyzing the dielectrophoretic (DEP) spectra of biological cells without ascertaining their membrane and cytoplasmic properties. For the proof of DEP spectrum investigation of the biological cells with the proposed analysis method, MEMS-based DEP spectrum device was designed. In this design, reciprocal V-shaped planar electrodes were utilized to generate non-uniform electric field in the chamber that holds the cell solution. Fabrication flow for this design was developed and fabrication of these devices was performed. Testing of the proof of concept DEP spectrum devices was carried out with polymoprhonuclear leukocytes and mononuclear leukocytes obtained from 2 different healthy donors and MCF7 cells (human breast adenocarcinoma cell line) for 15 different frequencies in the range from 100 kHz to 50 MHz at 10 Vpp. The results reveal that at 1 MHz, a significant velocity difference occurs between MCF7 cells (33.99 μm/s) and leukocytes, mononuclear leukocytes (7.9 μm/s) and polymorphonuclear leukocytes (13.82 μm/s), which can be utilized as the working frequency for DEP-based enrichment of MCF7 cancer cells from WBCs as a future work.Considering the problems associated with the experimental setup, testing and post-processing of the proof of concept devices, the proposed DEP spectrum study was improved. The design of the device used in the improved DEP spectrum study was the same as the proof of concept device, except the gap between the electrodes was increased from 20 µm to 30 µm in order to generate more proper electric field gradient distribution on the surface. Testing of the improved analysis was carried out with leukocytes obtained from single donor and MCF7 cells at 10 Vpp for 9 different frequencies in the range from 500 kHz to 10 MHz, by considering the results presented for the proof of concept analysis. The results reveal that there are significant velocity differences occur between MCF7 cells and leukocytes at 500 kHz, 850 kHz and 1 MHz with the ratios 3.58, 3.37 and 3.12, respectively. With the improved DEP spectrum study, the examination method was automated and approximately 130 MCF7 cells were examined for each frequency value. By considering the results obtained from DEP spectrum analysis, DEP-based enrichment microfluidic device was designed. In this design, rectangular and evenly spaced planar electrodes rotated with a certain degree relative to the main flow (13º) were utilized at the bottom of parylene microchannel with 1000 µm in wide. The proposed structure performs the separation of the cells focused on the microchannel wall (with the help of hydrodynamic focusing principle) by using the positive dielectrophoresis (pDEP) method in the active DEP area. Fabrication flow for this design was developed and fabrication of these devices was performed. Testing of the fabricated devices was started with the selection of experimental parameters to examine hydrodynamic focusing and expected cell movements. Later, CTC enrichment experiments of the DEP-based enrichment devices were conducted with MCF7 and leukocyte mixture. Recovery rate result for MCF7 cells were calculated as 83.3% at 10 Vpp. Cell enrichment factor for these rare cells were calculated as 3, which means the desired rare cell ratio was increased to 3 fold at the output relative to the input.

CTC'ler birincil tümör bölgesinden koparak kan dolaşımına karışan ve başka bir dokuya yerleşerek ikincil tümörlerin oluşumuna yola açan metastatik kanser hücreleridir. Bu nedenle, CTC'lerin erken tespiti ve tedavi süresince takibi, hastalık seyrini ve uygun tedavi yöntemini belirlemede kritik öneme sahiptir. Ancak CTC sayısının metastazın ilk aşamalarında oldukça az olması ve tespitinin zor olması, bunun biyolojik bir işaret (biomarker) olarak kullanılmasını kısıtlamaktadır. Son yıllarda mikroakışkan teknolojisindeki gelişmeler, özellikle laboratuvar olanaklarının kısıtlı olduğu bölgelerde çeşitli hastalıkların hızlı, hassas ve düşük maliyetli teşhisi için `hasta başı test` (Point-of-Care, POC) cihazlarının geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Diğer taraftan, Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS) teknolojisi mikroakışkan sistemlerin çip-üstü mekanik ve elektronik sistemlerle entegre edilmesine olanak sağlamakta ve kendi başına çalışabilen, düşük maliyetli tam-entegre biyomedikal analiz platformlarının geliştirilebilmesinin önünü açmaktadır. Dielektroforez (DEF), boyutları ve/veya dielektrik özellikleri farklı parçacıkları ayrıştırmakta kullanılan bir tekniktir. MEMS teknolojisi sayesinde üretilebilen mikroelektrotlar, hedeflenen hücrelerin etiketleme olmaksızın yönlendirilmesi, hedeflenmeyen hücrelerden ayrıştırılması ve zenginleştirilmesi gibi biyomedikal uygulamalarda dielektroforezin uygulanmasına olanak sağlar. Sayısız uygulamalar arasında, kanser gibi ölümcül hastalıkların tanısında kandan ender hücre tespiti önemli bir yere sahiptir. 1 ml kandaki milyarlarca kan hücresi arasından sadece bir kaç adet ender hücrenin tespit edilmesindeki zorluklar nedeniyle, kandan ender hücre zenginleştirmesi vazgeçilmez hale gelmektedir. Bu bakış açısı ile DEF yöntemi kullanılarak kandaki CTC'lerin zenginleştirilmesi tezin amacı olarak belirlenmiştir.DEF bazlı zenginleştirme cihazının başarılı bir şekilde tasarlanmasıyla ilgili en kritik konulardan biri, hedeflenen parçacıkların dielektroforetik (DEF) spektrumlarının doğru olarak bilinmesidir. Bu kapsamda, DEF spektrum analiz yöntemi geliştirilmiştir. Bu çalışma, biyolojik hücrelerin membran ve sitoplazmik özelliklerini tespit etmeden DEF)spektrumlarını analiz etmek için bir yaklaşım sunmaktadır. Önerilen analiz yöntemiyle biyolojik hücrelerin DEF spektrumlarının araştırılmasının yapılabileceğinin kanıtlanması için MEMS tabanlı DEF spektrum cihazı tasarlanmıştır. Bu tasarımda, hücre çözeltisini tutan haznede düzgün olmayan elektrik alan oluşturmak için karşılıklı V-şekilli düzlemsel elektrotlar kullanılmıştır. Bu dizayn için üretim akışı geliştirilerek, bu çiplerin üretimi yapılmıştır. Bu cihazların tesleri 2 farklı sağlıklı donörden elde edilen polimorfonükleer ve mononükleer lökositler ve MCF7 meme kanseri hücreleri ile 10 Vpp'te 100 kHz'den 50 MHz'e kadar 15 farklı frekansta gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar 1 MHz'de MCF7 hücreleri (33.99 µm/s) ve lökositler, mononükleer lökositler (7.9 µm/s) ve polimorfonükleer lökositler (13.82 µm/s) arasında önemli bir hız farkı olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu frekans değeri, gelecek çalışma olan MCF7 hücrelerinin akyuvar hücrelerinden DEF-tabanlı zenginleştirilmesi için çalışma frekansı olarak kullanılabilir. Önerilen DEF spektrum çalışması, ilk tasarım için oluşturulan deney düzeneği, test ve test sonrası incelemelerde karşılaşılan sorunlar göz önüne alınarak geliştirilmiştir. Geliştirilmiş DEF spektrum çalışmasında kullanılan cihazın tasarımı, yüzey üzerinde daha uygun elektrik alan gradyan dağılımı oluşturmak için elektrotlar arasındaki boşluğun 20 µm'den 30 µm'ye yükseltilmesi haricinde, konsept cihazın tasarımı ile aynıdır. İyileştirilmiş analizin test edilmesi, ilk aşamada sunulan sonuçlar göz önünde bulundurularak, tek donörden elde edilmiş lökosit ve MCF7 hücreleri ile 10 Vpp'te 500 kHz'den 10 MHz'e kadar 9 farklı frekans için gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, MCF7 hücreleri ile akyuvarlar arasında 500 kHz'de, 850 kHz'de ve 1 MHz'de, sırasıyla 3.58, 3.37 ve 3.12 oranlarında önemli hız farklılıkları olduğunu ortaya koymaktadır. Geliştirilen DEF spektrum çalışması ile inceleme yöntemi otomatize edilmiş olup, her frekans değeri için yaklaşık 130 MCF7 hücresi incelenmiştir. DEF spektrum analizinden elde edilen sonuçlar göz önüne alınarak DEF-bazlı mikroakışkan zenginleştirme cihazı tasarlanmıştır. Bu tasarımda, ana akışa göre belirli bir derece (13º) ile döndürülen dikdörtgen ve eşit aralıklı düzlemsel elektrotlar, 1000 µm genişliğindeki parilen mikrokanalın tabanında kullanılmıştır. Önerilen yapı, aktif DEF bölgesinde pozitif dielektroforez (pDEF) yöntemini kullanarak mikrokanal duvarına (hidrodinamik odaklama prensibini yardımıyla) odaklanan hücrelerin ayrıştırılmasını gerçekleştirmektedir. Bu dizayn için üretim akışı geliştirilerek, bu çiplerin üretimi yapılmıştır. Hidrodinamik odaklamayı ve beklenen hücre hareketlerini incelemek için, fabrikasyonu tamamlanan cihazların test edilmesi deneysel parametrelerin belirlenmesine dair testler ile başlatılmıştır. Daha sonra DEF-bazlı zenginleştirme cihazlarının CTC zenginleştirme deneyleri, MCF7 ve lökosit karışımı ile gerçekleştirilmiştir. MCF7 hücreleri için geri kazanım oranı, 10 Vpp'te %83.3 olarak hesaplanmıştır. Bu nadir hücreler için zenginleştirme faktörü 3 olarak hesaplanmıştır. Bu değer, nadir hücre oranının kanal girişine göre çıkışta 3 misline yükseltildiği anlamına gelmektedir.