Preparation of electrode with 3D printing technique for electrochemical biosensor applications

Bu çalışmada 3 boyutlu baskı tekniği ile elektrokimyasal biyosensör uygulamalarında kullanılmak üzere üçlü elektrot sisteminin bir parçası olan çalışma elektrotları hazırlanmıştır. Tasarlanan elektrotlar önce 3 boyutlu katı modelleme programı ile çizilip daha sonra 3 boyutlu yazıcı ile karbon siyahı/polilaktik asit (CB/PLA) bazlı filament kullanılarak üretilmiştir. Tasarlanan bu elektrotların (3DcbE) ilk önce elektrokimyasal uygulamaları saptanmasının ardından elektrokimyasal biyosensörlere uygulama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında ilk olarak, modellenen elektrotların dilimleyici bir program ile G-koda dönüştürülmesinin ardından kaynaşmış birikim modellemesi (FDM) yöntemi ile çalışan bir 3 boyutlu yazıcı ile üretilmişlerdir. Çalışma elektordu kapasitelerinin araştırılması amacıyla 1 mM [Fe(CN)6]-3/-4 varlığında döngüsel (CV) ve diferansiyel puls voltametrisi (DPV) teknikler ile elektrokimyasal ölçümler alınmıştır. Farklı kalınlıklardaki iletkenlik düzeyleri ve 3 boyutlu yazıcı baskı prosedürü sırasındaki üretim kolaylığı dikkate alınarak en uygun elektrot boyutu seçilmiştir. Boyutları belirlenen elektrotların iletkenlik düzeylerini iyileştirmek adına farklı yüzey aktivasyon işlemlerine (mekanik, kimyasal, elektrokimyasal) tabi tutulmuşlardır. En uygun (kimyasal/elektrokimyasal) yüzey hazırlama tekniği saptanmasının ardından bu elektrotların iletkenlik düzeyinin iyileştirilmesi çalışmalarına devam edilmiş böylece biyosensör uygulamaları için optimizasyon işlemler tamamlanmıştır. Tüm bunların ardından elektrokimyasal DNA biyosensörlerinde sensör yüzeyi olarak kullanıma başlanmıştır. Buna yönelik yapılan ilk çalışmalarda balık sperminden elde edilmiş çift sarmal DNA (dsDNA) kullanılmış ve bu molekülün işaretsiz (label- free) olarak biyoelektronik tayinine yönelik biyosensör geliştirilmesi çalışmalarına devam edilmiştir. Bu amaçla, 3DcbE ile dsDNA'nın çözelti içinde, adsorbe yüzeyde ve kovalent bağlı yüzeylerde DPV ile ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalarda Guanin bazının elektrokimyasal sinyali (1.0V) esas alınmış ve en uygun yüzey bağlama tekniği optimize edilmiştir. 3DcbE yüzeyler ile dsDNA'nın elektrokimyasal olarak görüntülenmesinin ardından sensör yüzeylerinde kısa oligonükleotit dizileri kullanılarak hibridizasyon işlemi gerçekleştirilmiş ve DPV ile görüntülenmiştir. Hazırlanan çalışma elektrotları kullanılarak alınan ölçümler elektrokimyasal çalışmalarda sıklıkla tercih edilen tek kullanımlık kalem grafit elektrotlar (PGE) ve Perde Baskılı Elektrotlar (SPE) ile elektrokimyasal yanıt, DNA bağlama kapasitesi, LOD, LOQ, maliyet gibi parametreler esas alınarak karşılaştırmalar yapılmıştır. 3 boyutlu baskı teknolojisinin yenilikçi yönü, farklı boyutlarda hazırlanabilmesi, düşük maliyet gibi özellikleri ile yeni nesil minyatürize edilebilir biyosensörlerin geliştirilmesine olanak sağlamaktadır. Tez kapsamında tasarlanan 3DcbE elektrotlar ile hastalıkların teşhisinde son yıllarda ticari olarak geliştirilebilir, hasta başında analize uyumlu (Point of care –POC) tanı yöntem ve cihazlarının tasarımlarını mümkün kılacaktır.
In this study, working electrodes, which are a part of the triple electrode system, were prepared to be used in electrochemical biosensor applications with 3D printing technique. The designed electrodes were first drawn with a 3D solid modeling program and then produced with a 3D printer using carbon black/polylactic acid (CB/PLA) based filament. After the electrochemical applications of these designed electrodes (3DcbE) were determined first, application studies were carried out on electrochemical biosensors. Within the scope of the study, firstly, after the modeled electrodes were converted to G-code with a slicer program, they were produced with a 3D printer working with the fused deposition modeling (FDM) method. In order to investigate the working electrode capacities, electrochemical measurements were taken with cyclic (CV) and differential pulse voltammetry (DPV) techniques in the presence of 1 mM [Fe(CN)6]-3/-4. The most suitable electrode size was chosen considering the conductivity levels in different thicknesses and the ease of production during the 3D printer printing procedure. In order to improve the conductivity levels of the electrodes whose sizes were determined, they were subjected to different surface activation processes (mechanical, chemical, electrochemical). After the determination of the most suitable (chemical/electrochemical) surface preparation technique, studies to improve the conductivity level of these electrodes were continued, thus optimization processes for biosensor applications were completed. After all, it started to be used as a sensor surface in electrochemical DNA biosensors. In the first studies conducted for this purpose, double-stranded DNA (dsDNA) obtained from fish sperm was used and biosensor development studies for the label-free bioelectronic determination of this molecule were continued. For this purpose, measurements of 3DcbE and dsDNA in solution, on adsorbed surfaces and on covalently bonded surfaces with DPV were carried out. In these studies, the electrochemical signal (1.0V) of the guanine base was based and the most suitable surface bonding technique was optimized. After electrochemical imaging of dsDNA with 3DcbE surfaces, hybridization was performed using short oligonucleotide sequences on the sensor surfaces and visualized with DPV. Measurements taken using the prepared working electrodes were compared with disposable graphite pencil electrodes (PGE) and Screen Printed Electrodes (SPE), which are frequently preferred in electrochemical studies, on the basis of parameters such as electrochemical response, DNA binding capacity, LOD, LOQ, cost. The innovative aspect of 3D printing technology allows the development of new generation miniaturizable biosensors with its features such as being prepared in different sizes and low cost. With the 3DcbE electrodes designed within the scope of the thesis, it will enable the designs of diagnostic methods and devices that can be developed commercially in recent years and are compatible with point of care (POC) analysis in the diagnosis of diseases.