Überblick über BioMEM-Geräte

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.