Überblick über BioMEM-Geräte
Bio-mikroelektromechanische Systeme, auch genannt BioMEMs, sind Microscale-Geräte, die den Einsatz von Probe und Reagenz Kleinmengen für Diagnosegerät…
Durch den Einsatz von niedrigen Probe und Reagenz Bände sowie Parallelverarbeitung spart Miniaturisierung Analysegeräte auf der Mikroskala Zeit und Kosten. Diese kleinen Instrumente sind als Bio-Micro-Electro-Mechanical-Geräte auch bekannt als BioMEMs bezeichnet. BioMEMs dienen als miniaturisierte Diagnosegeräte in vivo oder in vitro und können verschiedene Funktionen wie z.B. Probenahmen, Filtration Reaktionen oder Erkennung durchführen. Darüber hinaus ermöglichen ihre Abmessungen verbesserte Empfindlichkeit und Selektivität in analytischen Geräten. Dieses Video wird gemeinsame BioMEMs Geräte in Forschung, prominente Herstellungsmethoden und Herausforderungen im Bereich vorstellen.
BioMEMs Geräte werden in der Regel mit Mikro-Fertigungstechniken in einem Reinraum hergestellt und haben mindestens eine Dimension auf den Mikrometer Skala. Bei der Herstellung ist das Gerät zu größeren Instrumentierung integriert. Gemeinsame BioMEMs Geräte sind Micro-Gesamt-Analyse-Systeme, auch genannt Lab-on-a-Chip. Diese Systeme erfüllen alle oder einen Teil einer spezifischen Analyse. Zum Beispiel sind mikrofluidischen Geräte eine der am häufigsten verwendeten Typen von Lab-on-a-Chip-Systemen. Mikrofluidische Geräte besitzen Mikromaßstab Kanäle auf einem Chip, die Trennungen, Reaktionen und Messungen mit kleinen Probenvolumina ermöglichen. Aufgrund der Abmessungen Mikromaßstab nutzen diese entwirft Druck angetrieben, Flow, oder haarartige Tätigkeit Analyten oder Reagenzien durch die Kanäle zu transportieren. Da laminare Strömung verwendet, ist Stoffaustausch und mischen Diffusion basiert. Dies wird bevorzugt über turbulente Strömung wo ist mischen, chaotisch und unregelmäßig. Darüber hinaus die Dimensionen ermöglichen eine erhöhte Fläche zum Volumenverhältnis in Systemen unter Verwendung einer Oberfläche Katalysator oder Enzym gebunden. Dies fördert die verstärkte Wechselwirkungen zwischen Analyten in der Fluidstrom und Dienst gebunden Komponenten. Schließlich ist die schnelle und gleichmäßige Wärmeübertragung aufgrund ihrer geringen Größe möglich. Dies ermöglicht bessere Kontrolle und Einheitlichkeit beim Aufheizen der Probe. Diese Systeme dienen somit für ein breites Spektrum diagnostischer Anwendungen oder sogar Mikropartikel zu fabrizieren. Jetzt, wo wir BioMEMs vorgestellt haben, werfen Sie einen Blick an wie sie in der Regel hergestellt werden.
Silizium ist die am häufigsten verwendete Material für BioMEMs, vor allem integrierte Schaltung Geräte verwendet. Silizium-Wafer sind typische verwendet als Substratmaterial dem Formen und Mustern erstellt oben auf oder sogar in die Oberfläche geätzt. Polymere werden häufig so gut wie sie sind weniger teuer und manchmal leichter zu manipulieren und vorzubereiten. Polymere ermöglichen die einfache Replikation komplexer Strukturen durch Spritzgießen, Prägungen oder Replikat-Spritzgießen. Zu guter Letzt sind Metalle BioMEMs ermöglichen die verbesserten Herstellung von Mikromaßstab Schaltung integriert. Metalle wie Gold, Silber und Chrom sind in Schichten mit Galvanik oder Verdunstung hinterlegt. Die Mehrheit der komplexen Mikrostrukturen sind hergestellt mit Fotolithografie, eine Technik verwendet, um ein Substrat mit Licht-Muster. Das Substrat, in der Regel einen Silizium-Wafer, wird zunächst mit einer UV reaktive Substanz namens Fotolack beschichtet. Das Muster wird dann von einer Maske auf das beschichtete Substrat mit UV-Licht übertragen. Nachdem verschiedene dieses Muster Verarbeitungsschritte wird dann dauerhaft in der Silizium-Substrat, so dass eine dreidimensionale Struktur geätzt. Eine andere Technik, oft in Verbindung mit Fotolithografie, verwendet ist weiche Lithographie. Weiche Lithographie ist eine Technik, die Polymere verwendet, um 3-d-Strukturen zu replizieren. Es ist Anruf weiche Lithographie, weil normalerweise Elastomere Polymere verwendet werden. Die am häufigsten verwendete Elastomer verwendet hierfür ist Polydimethylsiloxan PDMS. PDMS ist ein siliziumbasierten Elastomer, die optisch klar, ungiftig, inert. PDMS ist direkt auf die Mikro-Struktur gegossen dann de-vergast und geheilt. Diese Technik ermöglicht die Nachbildung von komplexen Strukturen ohne die Notwendigkeit für komplizierte oder teure Verarbeitungsschritte.
Trotz der etablierten Herstellungsmethoden gibt es Herausforderungen im Zusammenhang mit der Vorbereitung und Verwendung von BioMEMs Geräten. Erstens nutzen BioMEMs Geräte Sub-Mikrometer-Features, die schwierig sein können, wenn sie äußerst komplex sind und erfordern mehrere Schichten zu fabrizieren. Miniaturisierung führt auch körperliche Herausforderungen, die nicht auf der großen Skala angetroffen werden würden. Z. B. defekte Oberflächenrauheit, Kanal Durchmesser oder zusammengesetzte Moleküle innerhalb des Gerätes sind aufgrund des geringen Umfangs verstärkt und Gerätefunktion ändern können. Eine weitere Herausforderung ist die Verschmutzung. BioMEMs Geräte müssen in Kontakt mit der Umwelt sein, doch gleichzeitig von ihm geschützt werden müssen. Staub, unerwünschte Biomoleküle oder anderen Partikeln können leicht die Mikromaßstab Strukturen verringern oder vollständig zerstört Gerätefunktionalität verunreinigen. Somit ist Herstellung dieser Geräte in einem gereinigten Zimmer bevorzugt, um Kontamination zu minimieren. Diese miniaturisierte Systeme werden manchmal als Nachweis der Konzept-Geräte verwendet, die schließlich oben skaliert werden, um die Analyse von großen Mengen oder eines Analyten unterzubringen. Allerdings kann dies eine große Herausforderung darstellen. Z. B. führt Skalierung ein mikrofluidischen Gerät in größeren Dimensionen Veränderungen im Flüssigkeitsstrom und Stoffaustausch Verhalten. Infolgedessen kann das gewünschte Ergebnis auf der großen Skala Skala bis die Verwendung von vielen kleineren Geräten eingeschränkt repliziert werden.
BioMEMs Geräte sind in einer Vielzahl von Anwendungen in der bioanalytischen Forschung verwendet. Beispielsweise können mikrofluidischen Geräte als sehr kleines Volumen-Bioreaktoren eingesetzt werden. In dieser Studie wurde ein Pico-Liter-Bio-Reaktor für die einzelne Zelle Analyse genutzt. Einzelzellen trat in die Kammer und waren in der Lage zu wachsen und sich teilen. Mit zunehmender insgesamt Zelldichte während des Wachstums verlassen einzelne Zellen des Reaktors durch kleine Kanäle, was einzelne Zelle Analyse ermöglicht. Dies ermöglichte die direkte Messung der Wachstumsrate, Morphologie und phänotypische Heterogenität auf der Ebene der einzelnen Zelle. Mikrofluidik werden auch verwendet, um die schnelle Trennung von Biomolekülen und andere Mikromaßstab Komponenten ermöglichen. In diesem Beispiel verzweigte mikrofluidischen verwendeten Geräte wurden Perlen und Zellen von ähnlicher Größe zu trennen. Perlen und Zellen waren flossen in die Kanäle und das Gerät dann angeschlossen an eine Stromquelle, ein elektrisches Feld induzieren. Ohne das angewandte elektrische Feld floss die Perlen durch alle Kanäle. Sobald das Feld aktiviert wurde, waren die Perlen jedoch nur durch eine gerichtet. Die Mischung aus Perlen und Zellen kann dann in verschiedene Kanäle, die mit dieser Technik getrennt werden. Schließlich sind BioMEMs Geräte oft als Miniatur Bioelektronik verwendet. In diesem Beispiel, ein Feldeffekt-Transistors oder FET wurde auf der Mikro-Skala. FETs verwenden ein elektrisches Feld um die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter-Material in das Gerät zu steuern. Dieser FET wurde mit Silicium Nano-Drähte funktionalisiert und Sonde Moleküle, die empfindlich auf Veränderungen in der Umwelt sind. Es wurde dann zur biologische Zielen wie DNA oder Biomarker zu spüren.
Du hast nur zuschauen Jove Überblick über BioMEMs. Sie sollten jetzt verstehen, was BioMEMs, sind einige gängige Techniken verwendet, um sie, fertigen ihre Herausforderungen und ihre Verwendung im Bereich Biotechnologie. Danke fürs Zuschauen.
Durch die Verwendung geringer Proben- und Reagenzienvolumina sowie der parallelen Verarbeitung spart die Miniaturisierung von Analysegeräten auf den Mikromaßstab Zeit und Kosten. Diese winzigen Instrumente werden als biomikro-elektromechanische Geräte, auch BioMEMs genannt, bezeichnet. BioMEMs werden als miniaturisierte Diagnosegeräte in vivo oder in vitro eingesetzt und können verschiedene Funktionen wie Probenahme, Filtrationsreaktionen oder Detektion erfüllen. Darüber hinaus ermöglichen ihre Abmessungen eine verbesserte Empfindlichkeit und Selektivität in Analysegeräten. In diesem Video werden gängige BioMEMs-Geräte, die in der Forschung verwendet werden, wichtige Herstellungsmethoden und die wichtigsten Herausforderungen in diesem Bereich vorgestellt.
BioMEM-Geräte werden in der Regel mit Mikrofabrikationstechniken in einem Reinraum hergestellt und haben mindestens eine Dimension auf der Mikrometerskala. Bei der Herstellung wird das Gerät in größere Instrumente integriert. Gängige BioMEM-Geräte sind Mikro-Gesamtanalysesysteme, auch Lab-on-a-Chip genannt. Diese Systeme führen eine bestimmte Analyse ganz oder teilweise durch. So sind beispielsweise mikrofluidische Geräte eine der gebräuchlichsten Arten von Lab-on-a-Chip-Systemen. Mikrofluidische Geräte verfügen über mikroskalige Kanäle auf einem Chip, die es ermöglichen, Trennungen, Reaktionen und Messungen mit kleinen Probenvolumina durchzuführen. Aufgrund der mikroskaligen Abmessungen nutzen diese Geräte eine druckgetriebene Strömung oder Kapillarwirkung, um Analyten oder Reagenzien durch die Kanäle zu transportieren. Da das System mit laminarer Strömung arbeitet, basiert der Stofftransport und die Durchmischung auf Diffusion. Dies wird gegenüber turbulenten Strömungen bevorzugt, bei denen die Durchmischung chaotisch und unregelmäßig ist. Darüber hinaus ermöglichen die Abmessungen ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis in Systemen, die einen oberflächengebundenen Katalysator oder ein Enzym verwenden. Dies fördert die Interaktion zwischen Analyten im Flüssigkeitsstrom und servicegebundenen Komponenten. Schließlich ist aufgrund ihrer geringen Größe eine schnelle und gleichmäßige Wärmeübertragung möglich. Dies ermöglicht eine verbesserte Kontrolle und Gleichmäßigkeit während der Probenerwärmung. Diese Systeme werden somit für eine Vielzahl von diagnostischen Anwendungen oder auch zur Herstellung von Mikropartikeln eingesetzt. Nachdem wir nun BioMEMs vorgestellt haben, werfen wir einen Blick darauf, wie sie typischerweise hergestellt werden.
Das gebräuchlichste Material, das für BioMEMs, insbesondere integrierte Schaltkreise, verwendet wird, ist Silizium. Siliziumwafer werden typischerweise als Substratmaterial verwendet, bei dem Formen und Muster auf der Oberfläche erzeugt oder sogar in die Oberfläche geätzt werden. Polymere werden oft verwendet, da sie kostengünstiger und manchmal einfacher zu handhaben und zuzubereiten sind. Polymere ermöglichen die einfache Nachbildung komplexer Strukturen durch Spritzguss, Prägung oder Replica Molding. Schließlich werden Metalle in BioMEMs integriert, um die Herstellung von Schaltkreisen im Mikromaßstab zu verbessern. Metalle wie Gold, Silber und Chrom werden durch Galvanik oder Verdampfung schichtweise abgeschieden. Die meisten komplexen Mikrostrukturen werden mit Hilfe der Photolithographie hergestellt, einer Technik, mit der ein Substrat mit Hilfe von Licht strukturiert wird. Das Substrat, in der Regel ein Siliziumwafer, wird zunächst mit einer UV-reaktiven Substanz namens Photoresist beschichtet. Das Muster wird dann mit Hilfe von UV-Licht von einer Maske auf das beschichtete Substrat übertragen. Nach verschiedenen Verarbeitungsschritten wird dieses Muster dann dauerhaft in das Siliziumsubstrat geätzt, so dass eine dreidimensionale Struktur entsteht. Eine weitere Technik, die häufig in Verbindung mit der Fotolithographie verwendet wird, ist die Softlithographie. Die Softlithographie ist eine Technik, bei der Polymere verwendet werden, um 3D-Strukturen zu replizieren. Sie wird als weiche Lithographie bezeichnet, da normalerweise elastomere Polymere verwendet werden. Das gebräuchlichste Elastomer, das dafür verwendet wird, ist Polydimethylsiloxan oder PDMS. PDMS ist ein Elastomer auf Silikonbasis, das optisch klar, ungiftig und inert ist. PDMS wird direkt auf die Mikrostruktur gegossen, dann entgast und ausgehärtet. Diese Technik ermöglicht die Replikation komplexer Strukturen, ohne dass komplizierte oder teure Verarbeitungsschritte erforderlich sind.
Trotz der etablierten Herstellungsmethoden gibt es Herausforderungen bei der Herstellung und Verwendung von BioMEM-Geräten. Erstens verwenden BioMEM-Geräte Submikrometer-Funktionen, die schwierig herzustellen sein können, wenn sie extrem komplex sind oder mehrere Schichten erfordern. Die Miniaturisierung bringt auch physische Herausforderungen mit sich, die im großen Maßstab nicht anzutreffen wären. Zum Beispiel werden Defekte in der Oberflächenrauheit, Kanaldurchmessern oder zusammengesetzten Molekülen innerhalb des Geräts aufgrund der kleinen Skala verstärkt und können die Funktion des Geräts verändern. Eine weitere Herausforderung ist die Kontamination. BioMEM-Geräte müssen in Kontakt mit der Umwelt stehen und gleichzeitig vor ihr geschützt werden. Staub, unerwünschte Biomoleküle oder andere Partikel können die mikroskaligen Strukturen leicht kontaminieren und die Funktionalität des Geräts verringern oder vollständig zerstören. Daher wird die Herstellung dieser Geräte in einem gereinigten Raum bevorzugt, um die Kontamination zu minimieren. Diese miniaturisierten Systeme werden manchmal als Proof-of-Concept-Geräte verwendet, die schließlich skaliert werden, um die Analyse großer Volumina oder eines Analyten zu ermöglichen. Dies kann jedoch eine große Herausforderung darstellen. Zum Beispiel führt die Skalierung eines mikrofluidischen Geräts auf größere Abmessungen zu signifikanten Veränderungen der Flüssigkeitsströmung und des Stofftransportverhaltens. Infolgedessen kann das gewünschte Ergebnis nicht in großem Maßstab repliziert werden, wodurch die Skalierung auf die Verwendung vieler kleinerer Geräte beschränkt wird.
BioMEM-Geräte werden in der bioanalytischen Forschung in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. So können mikrofluidische Geräte beispielsweise als Bioreaktoren mit extrem kleinen Volumina eingesetzt werden. In dieser Studie wurde ein Piko-Liter-Bioreaktor für die Einzelzellanalyse verwendet. Einzelne Zellen drangen in die Kammer ein und konnten wachsen und sich teilen. Als die Gesamtzelldichte während des Wachstums zunahm, verließen einzelne Zellen den Reaktor durch kleine Kanäle, was die Analyse einzelner Zellen ermöglichte. Dies ermöglichte die direkte Messung der Wachstumsrate, der Morphologie und der phänotypischen Heterogenität auf Einzelzellebene. Mikrofluidik wird auch eingesetzt, um die schnelle Trennung von Biomolekülen und anderen mikroskaligen Bestandteilen zu ermöglichen. In diesem Beispiel wurden verzweigte mikrofluidische Geräte verwendet, um Kügelchen und Zellen ähnlicher Größe zu trennen. Perlen und Zellen wurden in die Kanäle geströmt und das Gerät dann an eine elektrische Quelle angeschlossen, um ein elektrisches Feld zu induzieren. Ohne das angelegte elektrische Feld flossen die Kügelchen durch alle Kanäle. Sobald das Feld jedoch eingeschaltet war, wurden die Perlen nur durch eine gerichtet. Das Gemisch aus Kügelchen und Zellen konnte dann mit dieser Technik in verschiedene Kanäle getrennt werden. Schließlich werden BioMEM-Geräte häufig als Miniatur-Bioelektronik eingesetzt. In diesem Beispiel wurde ein Feldeffekttransistor (FET) auf der Mikroskala hergestellt. FETs verwenden ein elektrisches Feld, um die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials im Baustein zu steuern. Dieser FET wurde mit Silizium-Nanodrähten und Sondenmolekülen funktionalisiert, die empfindlich auf Veränderungen in der Umgebung reagieren. Es wurde dann verwendet, um biologische Ziele wie DNA oder Biomarker zu erfassen.
Sie haben sich gerade Joves Übersicht über BioMEMs angesehen. Sie sollten nun verstehen, was BioMEMs sind, einige gängige Techniken, die zu ihrer Herstellung verwendet werden, welche Herausforderungen sie haben und wie sie im Bereich des Bioengineerings eingesetzt werden. Danke fürs Zuschauen.
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.