Resumen de dispositivos BioMEM
Sistemas microelectromecánicos bio, también llamados BioMEMs, son dispositivos de microescala que permiten el uso de pequeños volúmenes de muestra y r…
Mediante el uso de muestra bajo volúmenes de reactivo como procesamiento paralelo, miniaturizar dispositivos analíticos en la micro escala ahorra tiempo y costo. Estos pequeños instrumentos se denominan Bio micro-electro-mecánicos dispositivos también denominado BioMEMs. BioMEMs se utilizan como dispositivos miniaturizados de diagnóstico in vivo o in vitro y puede realizar diversas funciones tales como muestreo, reacciones de filtración o detección. Además, sus dimensiones permiten mayor sensibilidad y selectividad en dispositivos analíticos. Este video presenta dispositivos BioMEMs comunes utilizados en la investigación, métodos de fabricación prominente y retos en el campo.
Dispositivos BioMEMs se hacen típicamente usando técnicas de microfabricación en una sala limpia y tendrán al menos una dimensión en la escala del micrómetro. Sobre la fabricación, el dispositivo está integrado a mayor instrumentación. Dispositivos BioMEMs comunes son Micro-total análisis de sistemas, también llamados Lab on a chip. Estos sistemas realizan todo o parte de un análisis específico. Por ejemplo dispositivos microfluídicos son uno de los tipos más comunes de sistemas Lab-on-a-chip. Dispositivos microfluídicos poseen canales de micro escala en un chip que permiten separaciones, reacciones y medidas a realizar con volúmenes de muestra pequeños. Debido a las dimensiones de micro escala, estos dispositivos utilizan presión impulsada por el flujo, o acción capilar para el transporte de analitos o reactivos a través de los canales. Puesto que el sistema utiliza Flujo Laminar, transferencia de masa y la mezcla es la difusión basado. Esto se prefiere sobre el turbulento donde mezcla es caótico e irregular. Además, la dimensiones permiten una superficie alta al cociente del volumen en sistemas utilizando una superficie límite catalizador o enzima. Esto anima a mejorado las interacciones entre los analitos en el flujo y servicio limitado de componentes. Finalmente, debido a su pequeño tamaño, transferencia de calor rápida y uniforme es posible. Esto permite mejor control y uniformidad durante el calentamiento de la muestra. Así, estos sistemas se utilizan para una amplia gama de usos de diagnóstico o incluso para la fabricación de micropartículas. Ahora que hemos introducido BioMEMs, echemos un vistazo de cómo normalmente se fabrican.
El material más común usado para BioMEMs, especialmente dispositivos de circuito integrado, es el silicio. Las obleas de silicio son típicas utilizado como el substrato material donde formas y patrones creados en la parte superior del o incluso grabados en la superficie. Polímeros se utilizan así como que son menos costosos y a veces más fácil de manipular y preparar. Polímeros permiten la simple replicación de estructuras complejas mediante moldeo por inyección, estampado o moldeado de réplica. Finalmente, los metales están integrados en BioMEMs para permitir la mejor fabricación de circuitos de micro escala. Metales como oro, plata y cromo se depositan en capas mediante galvanoplastia o evaporación. La mayoría de las microestructuras complejas se fabrica utilizando Fotolitografía, una técnica utilizada para un sustrato utilizando la luz del patrón. El sustrato, generalmente una oblea de silicio, primero está cubierto con una sustancia reactiva UV llamada resistencia foto. El patrón entonces se transfiere de una máscara al sustrato revestido utilizando luz UV. Después de vario proceso pasos este patrón entonces están permanentemente grabado en el sustrato de silicio, dejando una estructura tridimensional. Otra técnica, de uso frecuente conjuntamente con Fotolitografía, es litografía blanda. Litografía suave es una técnica que utiliza polímeros para replicar estructuras 3D. Es llamada litografía blanda porque normalmente se utilizan polímeros elastoméricos. El elastómero más común utilizado para esto es polidimetilsiloxano PDMS. PDMS es un elastómero de silicona base que es ópticamente transparente, no tóxico, inerte. PDMS es vertido directamente en la micro estructura, entonces sin gas y curado. Esta técnica permite la replicación de estructuras complejas sin necesidad de pasos de proceso complicado o costoso.
A pesar de los métodos de fabricación bien establecido, hay problemas asociados con la preparación y uso de dispositivos BioMEMs. En primer lugar, los dispositivos BioMEMs utilizan funciones de secundario-micrómetro que pueden ser difíciles de fabricar cuando son muy complejos o requieren múltiples capas. Miniaturización también presenta desafíos físicos que no se encuentran en gran escala. Por ejemplo, defectos de rugosidad, diámetros de canal o moléculas montadas en el dispositivo, se amplifican debido a la pequeña escala y puede cambiar la función del dispositivo. Otro desafío es la contaminación. Dispositivos BioMEMs deben estar en contacto con el medio ambiente, pero deben estar protegidos de él al mismo tiempo. Polvo, biomoléculas no deseados u otras partículas pueden contaminar fácilmente las estructuras micro escala disminuyendo o destruyendo completamente la funcionalidad del dispositivo. Fabricación de estos dispositivos en un cuarto limpio es preferido así, con el fin de minimizar la contaminación. Estos sistemas miniaturizados se utilizan a veces como prueba de concepto de dispositivos de que eventualmente se escalan para arriba para el análisis de grandes volúmenes o un analito. Sin embargo, esto puede presentar un reto significativo. Por ejemplo, escala de un dispositivo de microfluidos para dimensiones más grandes producirá cambios significativos en el flujo de fluido y el comportamiento de transferencia de masa. Como resultado, el resultado deseado no pueden repetirse en la gran escala limitando escala hasta el uso de muchos dispositivos más pequeños.
Dispositivos BioMEMs se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en investigación bioanalítica. Por ejemplo, pueden emplearse dispositivos microfluídicos como bio-reactores de volumen extremadamente pequeño. En este estudio se utilizó un bio-reactor de litros para el análisis unicelular. Las células entraron en la cámara y fueron capaces de crecer y dividirse. Aumento de la densidad celular durante el crecimiento, las células individuales salieron del reactor a través de pequeños canales, permitiendo análisis unicelular. Esto permitió la medición directa de la tasa de crecimiento, morfología y heterogeneidad fenotípica en el nivel unicelular. Microfluídica también es utilizada para permitir la rápida separación de biomoléculas y otros componentes de micro escala. En este ejemplo, ramificado microfluídicos dispositivos fueron utilizados para separar los granos y las células de tamaño similar. Granos y las células de fluido en los canales y el dispositivo entonces conectadas a una toma eléctrica para inducir un campo eléctrico. Sin el campo eléctrico aplicado, las cuentas atravesado todos los canales. Sin embargo, una vez que el campo estaba encendido, los granos fueron dirigidos sólo a través de uno. La mezcla de granos y de las células entonces podría ser separada en diferentes canales utilizando esta técnica. Por último, dispositivos BioMEMs se utilizan a menudo como Bioelectrónica miniatura. En este ejemplo, un transistor de efecto de campo o FET, se hizo en la escala micro. FETs utilizan un campo eléctrico para controlar la conductividad del material semiconductor en el dispositivo. Este FET fue funcionalizado con nano-cables de silicona y las moléculas que son sensibles a los cambios en el entorno de la punta de prueba. Entonces fue utilizado para detectar dianas biológicas como ADN o biomarcadores.
Tienes el resumen del reloj justo Jove de BioMEMs. Ahora debe comprender cuáles son BioMEMs, algunas técnicas comunes utilizados para la fabricación de ellos, sus desafíos y cómo se utilizan en el campo de la bioingeniería. Gracias por ver.
Mediante el uso de bajos volúmenes de muestras y reactivos, así como el procesamiento paralelo, la miniaturización de los dispositivos analíticos a microescala ahorra tiempo y costes. Estos diminutos instrumentos se conocen como Dispositivos Bio Micro-Electro-Mecánicos, también conocidos como BioMEMs. Los BioMEMs se utilizan como dispositivos de diagnóstico miniaturizados in vivo o in vitro y pueden realizar diversas funciones, como muestreo, reacciones de filtración o detección. Además, sus dimensiones permiten mejorar la sensibilidad y selectividad en los dispositivos analíticos. Este video presentará los dispositivos BioMEMs comunes utilizados en la investigación, los métodos de fabricación destacados y los desafíos clave en el campo.
Los dispositivos BioMEM se fabrican normalmente utilizando técnicas de microfabricación en una sala limpia y tienen al menos una dimensión a escala micrométrica. Tras la fabricación, el dispositivo se integra a una instrumentación más grande. Los dispositivos BioMEM comunes son sistemas de análisis micrototal, también llamados Lab-on-a-chip. Estos sistemas realizan todo o parte de un análisis específico. Por ejemplo, los dispositivos microfluídicos son uno de los tipos más comunes de sistemas Lab-on-a-chip. Los dispositivos microfluídicos poseen canales a microescala en un chip, que permiten realizar separaciones, reacciones y mediciones con pequeños volúmenes de muestra. Debido a las dimensiones a microescala, estos dispositivos utilizan un flujo impulsado por presión o acción capilar para transportar analitos o reactivos a través de los canales. Dado que el sistema utiliza flujo laminar, la transferencia de masa y la mezcla se basan en la difusión. Esto es preferible al flujo turbulento, donde la mezcla es caótica e irregular. Además, las dimensiones permiten una alta relación superficie-volumen en sistemas que utilizan un catalizador o enzima unido a la superficie. Esto fomenta mejores interacciones entre los analitos en el flujo de fluido y los componentes vinculados al servicio. Finalmente, debido a su pequeño tamaño, es posible una transferencia de calor rápida y uniforme. Esto permite un mejor control y uniformidad durante el calentamiento de la muestra. Por lo tanto, estos sistemas se utilizan para una amplia gama de aplicaciones de diagnóstico o incluso para fabricar micropartículas. Ahora que hemos presentado los BioMEMs, echemos un vistazo a cómo se fabrican normalmente.
El material más común utilizado para los BioMEMs, especialmente los dispositivos de circuitos integrados, es el silicio. Las obleas de silicio se utilizan normalmente como material de sustrato donde se crean formas y patrones sobre la superficie o incluso se graban en ella. Los polímeros se utilizan a menudo, ya que son menos costosos y, a veces, más fáciles de manipular y preparar. Los polímeros permiten la replicación sencilla de estructuras complejas mediante moldeo por inyección, estampado o moldeo de réplicas. Por último, los metales se integran en los BioMEMs para permitir una mejor fabricación de circuitos a microescala. Los metales como el oro, la plata y el cromo se depositan en capas mediante galvanoplastia o evaporación. La mayoría de las microestructuras complejas se fabrican mediante fotolitografía, una técnica utilizada para modelar un sustrato utilizando la luz. El sustrato, generalmente una oblea de silicona, primero se recubre con una sustancia reactiva a los rayos UV llamada fotorresistencia. A continuación, el patrón se transfiere de una mascarilla al sustrato recubierto mediante luz ultravioleta. Después de varios pasos de procesamiento, este patrón se graba permanentemente en el sustrato de silicona, dejando una estructura tridimensional. Otra técnica, a menudo utilizada junto con la fotolitografía, es la litografía blanda. La litografía blanda es una técnica que utiliza polímeros para replicar estructuras en 3D. Se llama litografía blanda porque normalmente se utilizan polímeros elastoméricos. El elastómero más común utilizado para esto es el polidimetilsiloxano o PDMS. El PDMS es un elastómero a base de silicio que es ópticamente transparente, no tóxico e inerte. El PDMS se vierte directamente sobre la microestructura, luego se desgasifica y se cura. Esta técnica permite la replicación de estructuras complejas sin la necesidad de pasos de procesamiento complicados o costosos.
A pesar de los métodos de fabricación bien establecidos, existen desafíos asociados con la preparación y el uso de dispositivos BioMEM. En primer lugar, los dispositivos BioMEM utilizan características submicrométricas que pueden ser difíciles de fabricar cuando son extremadamente complejas o requieren múltiples capas. La miniaturización también introduce desafíos físicos que no se encontrarían a gran escala. Por ejemplo, los defectos en la rugosidad de la superficie, los diámetros de los canales o las moléculas ensambladas dentro del dispositivo se amplifican debido a la pequeña escala y pueden cambiar la función del dispositivo. Otro desafío es la contaminación. Los dispositivos BioMEM deben estar en contacto con el medio ambiente, pero al mismo tiempo deben estar protegidos de él. El polvo, las biomoléculas no deseadas u otras partículas pueden contaminar fácilmente las estructuras a microescala, disminuyendo o destruyendo por completo la funcionalidad del dispositivo. Por lo tanto, se prefiere la fabricación de estos dispositivos en una habitación limpia para minimizar la contaminación. Estos sistemas miniaturizados se utilizan a veces como dispositivos de prueba de concepto que finalmente se amplían para acomodar el análisis de grandes volúmenes o un analito. Sin embargo, esto puede presentar un desafío significativo. Por ejemplo, escalar un dispositivo microfluídico a dimensiones más grandes dará como resultado cambios significativos en el flujo de fluido y el comportamiento de la transferencia de masa. Como resultado, el resultado deseado no se puede replicar a gran escala, lo que limita el escalado al uso de muchos dispositivos más pequeños.
Los dispositivos BioMEM se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en la investigación bioanalítica. Por ejemplo, los dispositivos microfluídicos se pueden emplear como biorreactores de volumen extremadamente pequeño. En este estudio se utilizó un biorreactor de picolitros para el análisis de una sola célula. Las células individuales entraron en la cámara y pudieron crecer y dividirse. A medida que la densidad celular general aumentaba durante el crecimiento, las células individuales salían del reactor a través de pequeños canales, lo que permitía el análisis de una sola célula. Esto permitió la medición directa de la tasa de crecimiento, la morfología y la heterogeneidad fenotípica a nivel de una sola célula. La microfluídica también se utiliza para permitir la separación rápida de biomoléculas y otros componentes a microescala. En este ejemplo, se utilizaron dispositivos microfluídicos ramificados para separar perlas y celdas de tamaño similar. Las perlas y las células fluían hacia los canales y el dispositivo se conectaba a una fuente eléctrica para inducir un campo eléctrico. Sin el campo eléctrico aplicado, las cuentas fluían a través de todos los canales. Sin embargo, una vez que se encendió el campo, las cuentas se dirigieron solo a través de una. La mezcla de cuentas y células podría separarse en diferentes canales utilizando esta técnica. Por último, los dispositivos BioMEM se utilizan a menudo como bioelectrónica en miniatura. En este ejemplo, se hizo un transistor de efecto de campo, o FET, en la microescala. Los FET utilizan un campo eléctrico para controlar la conductividad eléctrica del material semiconductor en el dispositivo. Este FET se funcionalizó con nanocables de silicio y moléculas de sonda que son sensibles a los cambios en el medio ambiente. Luego se utilizó para detectar objetivos biológicos, como el ADN o los biomarcadores.
Acabas de ver el resumen de Jove sobre los BioMEMs. Ahora debería comprender qué son los BioMEMs, algunas técnicas comunes utilizadas para fabricarlos, sus desafíos y cómo se utilizan en el campo de la bioingeniería. Gracias por mirar.
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.