生物微机电系统设备概述

通过使用微量样品和试剂以及并行处理，将分析设备微型化至微米尺度可节省时间和成本。这些微型仪器被称为生物微机电系统（Bio Micro-Electro-Mechanical Devices），也称为 BioMEMs。BioMEMs 可作为体内或体外的微型诊断设备，能够执行取样、过滤、反应或检测等多种功能。此外，其尺寸特征使得分析设备的灵敏度和选择性得到提高。本视频将介绍科研中常用的 BioMEMs 设备、主要的制备方法以及该领域面临的关键挑战。

生物微机电系统 设备通常在洁净室中利用微加工技术制造，至少有一个维度处于微米尺度。制造完成后，该设备将集成到更大的仪器系统中。常见的生物微机电系统 设备为微全分析系统，也称为芯片实验室。这些系统可完成特定分析的全部或部分流程。例如，微流控设备就是芯片实验室系统中最常见的类型之一。微流控设备在芯片上具有微尺度通道，能够利用微量样品体积实现分离、反应和检测。由于其微尺度的结构特征，这些设备采用压力驱动流动。 或通过毛细作用将分析物或试剂输送通过通道。由于系统采用层流，物质传递和混合依赖于扩散。相较于湍流（其混合过程混乱且不规则），层流更受青睐。此外，微流控系统的微小尺寸使其在使用表面固定化催化剂或酶的体系中具有较高的表面积与体积比，从而促进流体流中分析物与表面固定组分之间的增强相互作用。最后，由于其尺寸微小，可实现快速且均匀的热传递，从而在样品加热过程中实现更佳的控制性和均匀性。因此，这类系统被广泛应用于多种诊断场景，甚至可用于制备微粒。在我们介绍了生物微机电系统（BioMEMs）之后，接下来将探讨其典型的 fabrication（制备）方法。

生物微机电系统（BioMEMs）中最常用的材料，尤其是集成电路器件，是硅。硅晶圆通常作为基底材料，其表面可加工出各种形状和图案，甚至可将结构刻蚀到表面内部。聚合物也常被使用，因为它们成本较低，且在某些情况下更易于操作和制备。聚合物可通过注塑成型、压印或复制成型实现复杂结构的简单复制。最后，金属被集成到生物微机电系统中，以改善微尺度电路的制造。金、银和铬等金属通过电镀或蒸发法分层沉积。大多数复杂的微结构采用光刻技术制造，该技术利用光在基底上形成图案。基底通常是硅晶圆，首先在其表面涂覆一种对紫外光敏感的物质，称为光刻胶。然后通过紫外光将掩模上的图案转移到已涂覆的基底上。经过一系列加工步骤后，该图案被永久刻蚀到硅基底中，形成三维结构。另一种常与光刻技术结合使用的技术是软光刻。软光刻是一种利用聚合物复制三维结构的技术。之所以称为“软”光刻，是因为通常使用弹性体聚合物。最常用的弹性体是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS是一种基于硅的弹性体，具有光学透明、无毒、惰性的特性。将PDMS直接浇注在微结构上，随后进行脱气和固化。该技术能够在无需复杂或昂贵加工步骤的情况下实现复杂结构的复制。

尽管制备方法已较为成熟，但在制备和使用BioMEM 器件时仍存在诸多挑战。首先，BioMEM 器件采用亚微米级结构，当结构极为复杂或需要多层加工时，制造难度较大。微型化还会带来在宏观尺度下不会出现的物理挑战。例如，由于尺寸微小，表面粗糙度、通道直径或器件内组装分子的缺陷会被放大，从而影响器件功能。另一个挑战是污染问题。BioMEM 器件必须与环境接触，但同时又需避免环境对其造成影响。灰尘、非目标生物分子或其他微粒极易污染微尺度结构，导致器件功能下降甚至完全失效。因此，最好在洁净室环境中制造这些器件，以最大限度减少污染。这些微型系统有时仅作为概念验证器件使用，后续需放大以适应大体积样品或分析物的检测。然而，这可能带来显著挑战。例如，将微流控器件放大至更大尺寸时，流体流动和传质行为将发生显著变化，导致原本在微尺度下实现的理想结果无法在宏观尺度重现，从而限制了放大过程的应用，通常只能通过并行使用多个小型器件来实现规模化。

生物微机电系统（BioMEM ）器件在生物分析研究的多种应用中被广泛使用。例如，微流控器件可作为极小体积的生物反应器。在本研究中，一个皮升级的生物反应器被用于单细胞分析。单个细胞进入反应腔室后，能够在其中生长和分裂。随着细胞总体密度在生长过程中增加，单个细胞通过微小通道离开反应器，从而实现单细胞分析。这使得研究人员能够在单细胞水平上直接测量细胞生长速率、形态特征以及表型异质性。微流控技术还可用于实现生物分子及其他微尺度组分的快速分离。在此示例中，采用分支式微流控器件对尺寸相近的微珠和细胞进行分离。将微珠和细胞注入通道后，将器件连接至电源以施加电场。在未施加电场时，微珠流经所有通道；而一旦电场开启，微珠仅被引导进入其中一条通道。利用该技术，可将微珠与细胞的混合物分流入不同的通道中实现分离。最后，生物微机电系统（BioMEM ）器件也常被用作微型生物电子器件。在此示例中，一种微米级的场效应晶体管（FET）被构建出来。FET利用电场调控器件中半导体材料的电导率。该FET通过硅纳米线和探针分子进行功能化修饰，使其对环境变化具有敏感性，随后被用于检测DNA或生物标志物等生物靶标。

您刚刚观看了 JoVE 关于生物微机电系统（BioMEMs）的概述。现在您应该了解了什么是生物微机电系统、常用的制造技术、其面临的挑战以及它们在生物工程领域的应用。感谢观看。