نظرة عامة على أجهزة BioMEM
الأنظمة الكهروميكانيكية الحيوية الدقيقة ، والتي تسمى أيضا BioMEMs ، هي أجهزة دقيقة تتيح استخدام أحجام العينات والكواشف الصغيرة لأجهزة التشخيص في الجسم…
من خلال استخدام أحجام منخفضة للعينات والكواشف بالإضافة إلى المعالجة المتوازية ، فإن تصغير الأجهزة التحليلية على المقياس الصغير يوفر الوقت والتكلفة. يشار إلى هذه الأدوات الصغيرة باسم الأجهزة الكهروميكانيكية الحيوية الدقيقة المعروفة أيضا باسم BioMEMs. تستخدم BioMEMs كأجهزة تشخيص مصغرة في الجسم الحي أو في المختبر ويمكنها أداء وظائف مختلفة مثل أخذ العينات أو تفاعلات الترشيح أو الكشف. بالإضافة إلى ذلك ، تتيح أبعادها تحسين الحساسية والانتقائية في الأجهزة التحليلية. سيقدم هذا الفيديو أجهزة BioMEMs الشائعة المستخدمة في البحث ، وطرق التصنيع البارزة ، والتحديات الرئيسية في هذا المجال.
عادة ما يتم تصنيع أجهزة BioMEM باستخدام تقنيات التصنيع الدقيق في غرفة نظيفة ولها بعد واحد على الأقل على مقياس الميكرومتر. عند التصنيع ، يتم دمج الجهاز في أجهزة أكبر. أجهزة BioMEM الشائعة هي أنظمة التحليل الجزئي ، وتسمى أيضا Lab-on-a-chip. تقوم هذه الأنظمة بإجراء تحليل معين بالكامل أو جزء منه. على سبيل المثال ، تعد أجهزة الموائع الدقيقة واحدة من أكثر أنواع أنظمة Lab-on-a-chip شيوعا. تمتلك أجهزة الموائع الدقيقة قنوات دقيقة على شريحة ، والتي تتيح إجراء عمليات الفصل والتفاعلات والقياسات بأحجام عينات صغيرة. بسبب الأبعاد الدقيقة ، تستخدم هذه الأجهزة تدفقا مدفوعا بالضغط أو عمل شعري لنقل التحليلات أو الكواشف عبر القنوات. نظرا لأن النظام يستخدم التدفق الصفحي ، فإن نقل الكتلة والخلط يعتمد على الانتشار. يفضل هذا على التدفق المضطرب ، حيث يكون الخلط فوضويا وغير منتظم. بالإضافة إلى ذلك ، تتيح الأبعاد نسبة عالية من السطح إلى الحجم في الأنظمة التي تستخدم محفزا أو إنزيما مرتبطا بالسطح. هذا يشجع التفاعلات المحسنة بين التحليلات في تيار السوائل والمكونات المرتبطة بالخدمة. أخيرا ، نظرا لصغر حجمها ، يمكن نقل الحرارة السريع والموحد. يتيح ذلك تحسين التحكم والتوحيد أثناء تسخين العينة. وبالتالي ، تستخدم هذه الأنظمة في مجموعة واسعة من التطبيقات التشخيصية أو حتى لتصنيع الجسيمات الدقيقة. الآن بعد أن قدمنا BioMEMs ، دعنا نلقي نظرة على كيفية تصنيعها عادة.
المادة الأكثر شيوعا المستخدمة في BioMEMs ، وخاصة أجهزة الدوائر المتكاملة ، هي السيليكون. تستخدم رقائق السيليكون بشكل نموذجي كمادة ركيزة حيث يتم إنشاء الأشكال والأنماط فوق السطح أو حتى محفورة فيه. غالبا ما تستخدم البوليمرات كما أنها أقل تكلفة وأحيانا أسهل في التلاعب بها وتحضيرها. تتيح البوليمرات النسخ المتماثل البسيط للهياكل المعقدة عن طريق القولبة بالحقن أو النقش أو القولبة المقلدة. أخيرا ، يتم دمج المعادن في BioMEMs لتمكين التصنيع المحسن للدوائر الدقيقة. يتم ترسيب المعادن مثل الذهب والفضة والكروم في طبقات باستخدام الطلاء الكهربائي أو التبخر. يتم تصنيع غالبية الهياكل المجهرية المعقدة باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية ، وهي تقنية تستخدم لتصميم الركيزة باستخدام الضوء. الركيزة ، عادة ما تكون رقاقة سيليكون ، مغلفة أولا بمادة تفاعلية للأشعة فوق البنفسجية تسمى مقاومة الضوء. ثم يتم نقل النمط من قناع إلى الركيزة المطلية باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية. بعد خطوات المعالجة المختلفة ، يتم حفر هذا النمط بشكل دائم في ركيزة السيليكون تاركا بنية ثلاثية الأبعاد. تقنية أخرى ، غالبا ما تستخدم جنبا إلى جنب مع الطباعة الحجرية الضوئية ، هي الطباعة الحجرية الناعمة. الطباعة الحجرية الناعمة هي تقنية تستخدم البوليمرات لتكرار الهياكل ثلاثية الأبعاد. يطلق عليه الطباعة الحجرية الناعمة لأن البوليمرات المرنة تستخدم عادة. المطاط الصناعي الأكثر شيوعا المستخدم لهذا هو بولي ديميثيل سيلوكسان ، أو PDMS. PDMS عبارة عن مطاط صناعي قائم على السيليكون وهو شفاف بصريا وغير سام وخامل. يتم سكب PDMS مباشرة على الهيكل الدقيق ، ثم يتم إزالة الغازات ومعالجتها. تتيح هذه التقنية تكرار الهياكل المعقدة دون الحاجة إلى خطوات معالجة معقدة أو مكلفة.
على الرغم من طرق التصنيع الراسخة ، إلا أن هناك تحديات مرتبطة بإعداد واستخدام أجهزة BioMEM. أولا ، تستخدم أجهزة BioMEM ميزات الميكرومتر الفرعي التي قد يكون من الصعب تصنيعها عندما تكون معقدة للغاية أو تتطلب طبقات متعددة. ويقدم التصغير أيضا تحديات مادية لن تتم مواجهتها على نطاق واسع. على سبيل المثال ، يتم تضخيم العيوب في خشونة السطح أو أقطار القناة أو الجزيئات المجمعة داخل الجهاز بسبب الحجم الصغير ، ويمكن أن تغير وظيفة الجهاز. التحدي الآخر هو التلوث. يجب أن تكون أجهزة BioMEM على اتصال بالبيئة ، ولكن يجب حمايتها منها في نفس الوقت. يمكن للغبار أو الجزيئات الحيوية غير المرغوب فيها أو الجسيمات الأخرى أن تلوث بسهولة الهياكل الصغيرة الحجم مما يقلل أو يدمر وظائف الجهاز تماما. وبالتالي ، يفضل تصنيع هذه الأجهزة في غرفة نظيفة من أجل تقليل التلوث. تستخدم هذه الأنظمة المصغرة أحيانا كدليل على أجهزة المفهوم التي يتم توسيع نطاقها في النهاية لاستيعاب تحليل الأحجام الكبيرة أو التحليل. ومع ذلك ، يمكن أن يمثل هذا تحديا كبيرا. على سبيل المثال ، سيؤدي تحجيم جهاز الموائع الدقيقة إلى أبعاد أكبر إلى تغييرات كبيرة في تدفق السوائل وسلوك نقل الكتلة. نتيجة لذلك ، لا يمكن تكرار النتيجة المرجوة على نطاق واسع مما يحد من التوسع في استخدام العديد من الأجهزة الأصغر.
تستخدم أجهزة BioMEM في مجموعة واسعة من التطبيقات في أبحاث التحليل الحيوي. على سبيل المثال ، يمكن استخدام أجهزة الموائع الدقيقة كمفاعلات حيوية صغيرة الحجم للغاية. في هذه الدراسة ، تم استخدام مفاعل حيوي بيكو لتر لتحليل الخلية الواحدة. دخلت الخلايا المفردة الغرفة وتمكنت من النمو والانقسام. مع زيادة كثافة الخلايا الإجمالية أثناء النمو ، خرجت الخلايا الفردية من المفاعل عبر قنوات صغيرة ، مما يتيح تحليل الخلية الواحدة. سمح ذلك بالقياس المباشر لمعدل النمو والتشكل وعدم التجانس الظاهري على مستوى الخلية الواحدة. تستخدم الموائع الدقيقة أيضا لتمكين الفصل السريع للجزيئات الحيوية والمكونات الدقيقة الأخرى. في هذا المثال ، تم استخدام أجهزة الموائع الدقيقة المتفرعة لفصل الخرز والخلايا ذات الحجم المماثل. تم تدفق الخرز والخلايا إلى القنوات ثم تم توصيل الجهاز بمصدر كهربائي للحث على مجال كهربائي. بدون المجال الكهربائي المطبق ، تدفقت الخرزات عبر جميع القنوات. ومع ذلك ، بمجرد تشغيل الحقل ، تم توجيه الخرزات من خلال واحدة فقط. يمكن بعد ذلك فصل خليط الخرز والخلايا إلى قنوات مختلفة باستخدام هذه التقنية. أخيرا ، غالبا ما تستخدم أجهزة BioMEM كإلكترونيات حيوية مصغرة. في هذا المثال ، تم إنشاء ترانزستور تأثير المجال ، أو FET ، على مقياس صغير. تستخدم FETs مجالا كهربائيا للتحكم في الموصلية الكهربائية لمادة أشباه الموصلات في الجهاز. تم تشغيل FET هذا باستخدام أسلاك السيليكون النانوية وجزيئات المسبار الحساسة للتغيرات في البيئة. ثم تم استخدامه لاستشعار الأهداف البيولوجية ، مثل الحمض النووي أو المؤشرات الحيوية.
لقد شاهدت للتو نظرة عامة على Jove حول BioMEMs. يجب أن تفهم الآن ماهية BioMEMs ، وبعض التقنيات الشائعة المستخدمة لتصنيعها ، وتحدياتها وكيفية استخدامها في مجال الهندسة الحيوية. شكرا للمشاهدة.
من خلال استخدام أحجام منخفضة للعينات والكواشف بالإضافة إلى المعالجة المتوازية ، فإن تصغير الأجهزة التحليلية على المقياس الصغير يوفر الوقت والتكلفة. يشار إلى هذه الأدوات الصغيرة باسم الأجهزة الكهروميكانيكية الحيوية الدقيقة المعروفة أيضا باسم BioMEMs. تستخدم BioMEMs كأجهزة تشخيص مصغرة في الجسم الحي أو في المختبر ويمكنها أداء وظائف مختلفة مثل أخذ العينات أو تفاعلات الترشيح أو الكشف. بالإضافة إلى ذلك ، تتيح أبعادها تحسين الحساسية والانتقائية في الأجهزة التحليلية. سيقدم هذا الفيديو أجهزة BioMEMs الشائعة المستخدمة في البحث ، وطرق التصنيع البارزة ، والتحديات الرئيسية في هذا المجال.
عادة ما يتم تصنيع أجهزة BioMEM باستخدام تقنيات التصنيع الدقيق في غرفة نظيفة ولها بعد واحد على الأقل على مقياس الميكرومتر. عند التصنيع ، يتم دمج الجهاز في أجهزة أكبر. أجهزة BioMEM الشائعة هي أنظمة التحليل الجزئي ، وتسمى أيضا Lab-on-a-chip. تقوم هذه الأنظمة بإجراء تحليل معين بالكامل أو جزء منه. على سبيل المثال ، تعد أجهزة الموائع الدقيقة واحدة من أكثر أنواع أنظمة Lab-on-a-chip شيوعا. تمتلك أجهزة الموائع الدقيقة قنوات دقيقة على شريحة ، والتي تتيح إجراء عمليات الفصل والتفاعلات والقياسات بأحجام عينات صغيرة. نظرا للأبعاد الدقيقة ، تستخدم هذه الأجهزة التدفق المدفوع بالضغط أو العمل الشعري لنقل التحليلات أو الكواشف عبر القنوات. نظرا لأن النظام يستخدم التدفق الصفحي ، فإن نقل الكتلة والخلط يعتمد على الانتشار. يفضل هذا على التدفق المضطرب ، حيث يكون الخلط فوضويا وغير منتظم. بالإضافة إلى ذلك ، تتيح الأبعاد نسبة عالية من السطح إلى الحجم في الأنظمة التي تستخدم محفزا أو إنزيما مرتبطا بالسطح. هذا يشجع التفاعلات المحسنة بين التحليلات في تيار السوائل والمكونات المرتبطة بالخدمة. أخيرا ، نظرا لصغر حجمها ، يمكن نقل الحرارة السريع والموحد. يتيح ذلك تحسين التحكم والتوحيد أثناء تسخين العينة. وبالتالي ، تستخدم هذه الأنظمة في مجموعة واسعة من التطبيقات التشخيصية أو حتى لتصنيع الجسيمات الدقيقة. الآن بعد أن قدمنا BioMEMs ، دعنا نلقي نظرة على كيفية تصنيعها عادة.
المادة الأكثر شيوعا المستخدمة في BioMEMs ، وخاصة أجهزة الدوائر المتكاملة ، هي السيليكون. تستخدم رقائق السيليكون بشكل نموذجي كمادة ركيزة حيث يتم إنشاء الأشكال والأنماط فوق السطح أو حتى محفورة فيه. غالبا ما تستخدم البوليمرات كما أنها أقل تكلفة وأحيانا أسهل في التلاعب بها وتحضيرها. تتيح البوليمرات النسخ المتماثل البسيط للهياكل المعقدة عن طريق القولبة بالحقن أو النقش أو القولبة المقلدة. أخيرا ، يتم دمج المعادن في BioMEMs لتمكين التصنيع المحسن للدوائر الدقيقة. يتم ترسيب المعادن مثل الذهب والفضة والكروم في طبقات باستخدام الطلاء الكهربائي أو التبخر. يتم تصنيع غالبية الهياكل المجهرية المعقدة باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية ، وهي تقنية تستخدم لتصميم الركيزة باستخدام الضوء. الركيزة ، عادة ما تكون رقاقة سيليكون ، مغلفة أولا بمادة تفاعلية للأشعة فوق البنفسجية تسمى مقاومة الضوء. ثم يتم نقل النمط من قناع إلى الركيزة المطلية باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية. بعد خطوات المعالجة المختلفة ، يتم حفر هذا النمط بشكل دائم في ركيزة السيليكون تاركا بنية ثلاثية الأبعاد. تقنية أخرى ، غالبا ما تستخدم جنبا إلى جنب مع الطباعة الحجرية الضوئية ، هي الطباعة الحجرية الناعمة. الطباعة الحجرية الناعمة هي تقنية تستخدم البوليمرات لتكرار الهياكل ثلاثية الأبعاد. يطلق عليه الطباعة الحجرية الناعمة لأن البوليمرات المرنة تستخدم عادة. المطاط الصناعي الأكثر شيوعا المستخدم لهذا هو بولي ديميثيل سيلوكسان ، أو PDMS. PDMS عبارة عن مطاط صناعي قائم على السيليكون وهو شفاف بصريا وغير سام وخامل. يتم سكب PDMS مباشرة على الهيكل الدقيق ، ثم يتم إزالة الغازات ومعالجتها. تتيح هذه التقنية تكرار الهياكل المعقدة دون الحاجة إلى خطوات معالجة معقدة أو مكلفة.
على الرغم من طرق التصنيع الراسخة ، إلا أن هناك تحديات مرتبطة بإعداد واستخدام أجهزة BioMEM. أولا ، تستخدم أجهزة BioMEM ميزات الميكرومتر الفرعي التي قد يكون من الصعب تصنيعها عندما تكون معقدة للغاية أو تتطلب طبقات متعددة. ويقدم التصغير أيضا تحديات مادية لن تتم مواجهتها على نطاق واسع. على سبيل المثال ، يتم تضخيم العيوب في خشونة السطح أو أقطار القناة أو الجزيئات المجمعة داخل الجهاز بسبب الحجم الصغير ، ويمكن أن تغير وظيفة الجهاز. التحدي الآخر هو التلوث. يجب أن تكون أجهزة BioMEM على اتصال بالبيئة ، ولكن يجب حمايتها منها في نفس الوقت. يمكن للغبار أو الجزيئات الحيوية غير المرغوب فيها أو الجسيمات الأخرى أن تلوث بسهولة الهياكل الصغيرة الحجم مما يقلل أو يدمر وظائف الجهاز تماما. وبالتالي ، يفضل تصنيع هذه الأجهزة في غرفة نظيفة من أجل تقليل التلوث. تستخدم هذه الأنظمة المصغرة أحيانا كدليل على أجهزة المفهوم التي يتم توسيع نطاقها في النهاية لاستيعاب تحليل الأحجام الكبيرة أو التحليل. ومع ذلك ، يمكن أن يمثل هذا تحديا كبيرا. على سبيل المثال ، سيؤدي تحجيم جهاز الموائع الدقيقة إلى أبعاد أكبر إلى تغييرات كبيرة في تدفق السوائل وسلوك نقل الكتلة. نتيجة لذلك ، لا يمكن تكرار النتيجة المرجوة على نطاق واسع مما يحد من التوسع في استخدام العديد من الأجهزة الأصغر.
تستخدم أجهزة BioMEM في مجموعة واسعة من التطبيقات في أبحاث التحليل الحيوي. على سبيل المثال ، يمكن استخدام أجهزة الموائع الدقيقة كمفاعلات حيوية صغيرة الحجم للغاية. في هذه الدراسة ، تم استخدام مفاعل حيوي بيكو لتر لتحليل الخلية الواحدة. دخلت الخلايا المفردة الغرفة وتمكنت من النمو والانقسام. مع زيادة كثافة الخلايا الإجمالية أثناء النمو ، خرجت الخلايا الفردية من المفاعل عبر قنوات صغيرة ، مما يتيح تحليل الخلية الواحدة. سمح ذلك بالقياس المباشر لمعدل النمو والتشكل وعدم التجانس الظاهري على مستوى الخلية الواحدة. تستخدم الموائع الدقيقة أيضا لتمكين الفصل السريع للجزيئات الحيوية والمكونات الدقيقة الأخرى. في هذا المثال ، تم استخدام أجهزة الموائع الدقيقة المتفرعة لفصل الخرز والخلايا ذات الحجم المماثل. تم تدفق الخرز والخلايا إلى القنوات ثم تم توصيل الجهاز بمصدر كهربائي للحث على مجال كهربائي. بدون المجال الكهربائي المطبق ، تدفقت الخرزات عبر جميع القنوات. ومع ذلك ، بمجرد تشغيل الحقل ، تم توجيه الخرزات من خلال واحدة فقط. يمكن بعد ذلك فصل خليط الخرز والخلايا إلى قنوات مختلفة باستخدام هذه التقنية. أخيرا ، غالبا ما تستخدم أجهزة BioMEM كإلكترونيات حيوية مصغرة. في هذا المثال ، تم إنشاء ترانزستور تأثير المجال ، أو FET ، على مقياس صغير. تستخدم FETs مجالا كهربائيا للتحكم في الموصلية الكهربائية لمادة أشباه الموصلات في الجهاز. تم تشغيل FET هذا باستخدام أسلاك السيليكون النانوية وجزيئات المسبار الحساسة للتغيرات في البيئة. ثم تم استخدامه لاستشعار الأهداف البيولوجية ، مثل الحمض النووي أو المؤشرات الحيوية.
لقد شاهدت للتو نظرة عامة على Jove حول BioMEMs. يجب أن تفهم الآن ماهية BioMEMs ، وبعض التقنيات الشائعة المستخدمة لتصنيعها ، وتحدياتها وكيفية استخدامها في مجال الهندسة الحيوية. شكرا للمشاهدة.
Q1: What are BioMEMs and why are they used in research?
BioMEMs, or Bio Micro-Electro-Mechanical Devices, are miniaturized diagnostic instruments with at least one dimension on the micrometer scale. They enable cost and time savings through reduced sample and reagent volumes while performing functions like sampling, filtration, reactions, and detection. Their microscale dimensions provide improved sensitivity and selectivity in analytical applications.
Q2: How do microfluidic devices work as Lab-on-a-chip systems?
Microfluidic devices possess microscale channels that enable separations, reactions, and measurements with small sample volumes. They utilize pressure-driven flow or capillary action to transport analytes through channels. The laminar flow creates diffusion-based mass transfer and mixing, while the high surface-to-volume ratio enhances interactions between analytes and surface-bound components.
Q3: What materials are commonly used to fabricate BioMEMs?
Silicon is the most common material for BioMEMs, used as a substrate where patterns are etched into the surface. Polymers are also widely used because they are less expensive and enable simple replication of complex structures via injection molding or embossing. Metals like gold, silver, and chromium are deposited in layers using electroplating or evaporation to enable micro-scale circuitry.
Q4: What is photolithography and how is it used in BioMEM fabrication?
Photolithography is a technique that patterns a substrate using light to create complex microstructures. A silicon wafer is coated with UV-reactive photoresist, then a pattern is transferred using UV light through a mask. After processing steps, the pattern is permanently etched into the silicon, leaving a three-dimensional structure. This is a primary method for microfabrication biomem devices via photolithography.
Q5: How does soft lithography differ from photolithography in BioMEM production?
Soft lithography uses elastomeric polymers, typically polydimethylsiloxane (PDMS), to replicate three-dimensional structures without complicated processing steps. PDMS is poured onto a microstructure, then degassed and cured to create a replica. This technique is often used with photolithography and enables replication of complex structures more simply and cost-effectively than traditional photolithography alone.
Q6: What are the main challenges in miniaturizing BioMEM devices?
Fabricating sub-micrometer features becomes difficult when structures are extremely complex or require multiple layers. Defects in surface roughness or channel diameters are amplified at small scales and can alter device function. Contamination from dust or unwanted biomolecules easily damages micro-scale structures, requiring fabrication in clean rooms. Scaling up microfluidic devices to larger dimensions also changes fluid flow behavior, making replication difficult.
Q7: How are BioMEMs applied in bioanalytical research and diagnostics?
BioMEMs serve as miniature bioreactors for single-cell analysis, enabling measurement of growth rate and phenotypic heterogeneity. Branched microfluidic devices separate cells and beads using electrical fields for sorting applications. Field effect transistors fabricated on the microscale and functionalized with silicon nanowires detect biological targets like DNA and biomarkers, functioning as miniature bioelectronics for sensing.