Aperçu des dispositifs BioMEMS
Bio-microsystèmes électromécaniques, également appelés BioMEMs, sont des dispositifs de micro-échelle qui permettent l’utilisation de petits volumes d…
Grâce à l’utilisation de la faible échantillon et volumes de réactifs ainsi que traitement parallèle, miniaturisation des appareils d’analyse à l’échelle micro gagner du temps et coût. Ces petits instruments sont appelés Bio Micro-électro-mécaniques dispositifs également connu sous le nom de BioMEMs. BioMEMs sont utilisés comme dispositifs miniaturisés de diagnostic in vivo ou in vitro et peut effectuer diverses fonctions telles que l’échantillonnage, des réactions de filtration ou de détection. En outre, leurs dimensions permettent de sensibilité améliorée et la sélectivité dans les appareils d’analyse. Cette vidéo mettra en place des dispositifs BioMEMs courants utilisés en recherche, méthodes de fabrication de premier plan et principaux défis dans le domaine.
Dispositifs BioMEMs sont généralement faites à l’aide de techniques de microfabrication dans une salle blanche et ont au moins une dimension sur l’échelle du micromètre. À la fabrication, l’appareil est intégré à l’instrumentation plus grande. Dispositifs communs de BioMEMs sont des systèmes d’analyse Micro-total, également appelé Lab-on-a-chip. Ces systèmes d’effectuent tout ou partie d’une analyse spécifique. Par exemple des dispositifs microfluidiques sont l’un des types plus courants des systèmes Lab-on-a-chip. Dispositifs microfluidiques possèdent les chaînes de petite échelle sur une puce qui permettent des séparations, les réactions et les mesures prises avec des volumes de petit échantillon. À cause des dimensions de l’échelle microscopique, ces appareils utilisent pression mues flux ou à l’action capillaire pour le transport de substances à analyser ou réactifs à travers les canaux. Étant donné que le système utilise des hottes à flux laminaire, transfert de masse et le mélange est diffusion basée. C’est préférable un écoulement turbulent où mélange est chaotique et irrégulier. En outre, les dimensions permettent une surface élevée au rapport de volume dans les systèmes utilisant une surface engagée catalyseur ou enzymatique. Cela encourage les interactions améliorées entre les analytes dans le flux de fluide et service lié composants. Enfin, en raison de leur petite taille, transfert de chaleur rapide et uniforme est possible. Cela permet un contrôle amélioré et une uniformité au cours du chauffage de l’échantillon. Ces systèmes sont ainsi utilisés pour un large éventail d’applications de diagnostic ou même pour fabriquer des microparticules. Maintenant que nous avons présenté les BioMEMs, prenons regarder comment ils sont fabriqués en général.
Le matériau couramment utilisé pour BioMEMs, notamment les périphériques de circuit intégré, est le silicium. Plaquettes de silicium sont typiques utilisé comme matériau de substrat où les formes et des motifs sont créés sur le dessus d’ou encore gravés sur la surface. Polymères sont souvent utilisés aussi bien comme ils sont moins coûteux et parfois plus facile à manipuler et à préparer. Polymères permettent la reproduction simple de structures complexes par moulage par injection, gaufrage ou moulage de la réplique. Enfin, les métaux sont intégrés dans BioMEMs pour permettre la fabrication améliorée des circuits à micro-échelle. Les métaux comme l’or, argent et chrome sont déposés en couches à l’aide de galvanoplastie ou évaporation. La majorité des microstructures complexes est fabriquée en utilisant la photolithographie, une technique utilisée pour modèle un substrat à l’aide de la lumière. Le substrat, généralement une plaquette de silicium, est tout d’abord enduit d’une substance réactive UV appelée resist Photo. Le modèle est ensuite transféré d’un masque dans le substrat revêtu en utilisant la lumière UV. Après que traitement des divers étapes de ce modèle est ensuite définitivement gravée dans le substrat de silicium laissant une structure tridimensionnelle. Une autre technique, souvent utilisée en conjonction avec la photolithographie, est doux lithographie. Lithographie douce est une technique qui utilise des polymères pour reproduire des structures 3D. C’est appel Lithographie douce parce que les polymères élastomères sont normalement utilisés. L’élastomère plus commun utilisé pour cela est polydiméthylsiloxane, ou PDMS. PDMS est un élastomère de silicone basé qui est optiquement transparent, non toxique et inerte. PDMS est coulé directement sur la microstructure, puis vide de CO 2 et guéri. Cette technique permet la duplication de structures complexes sans la nécessité d’étapes de traitement compliqué ou coûteux.
Malgré les méthodes de fabrication bien établi, il y a les défis associés à la préparation et à l’aide de dispositifs BioMEMs. Tout d’abord, dispositifs BioMEMs utilisent les fonctions de micromètre secondaires qui peuvent être difficiles à fabriquer lorsqu’ils sont extrêmement complexes ou nécessitent plusieurs couches. Miniaturisation présente également des défis physiques qui ne seraient pas être rencontrées à grande échelle. Par exemple, défauts de rugosité de surface, diamètres de canal ou molécules assemblés au sein de l’appareil, sont amplifiées en raison de la petite échelle et peut changer de fonction de l’appareil. Un autre défi est la contamination. Dispositifs BioMEMs doivent être en contact avec l’environnement, mais doivent être protégés en même temps. Poussière, biomolécules indésirables ou autres particules peuvent facilement contaminer les structures de micro-échelle diminuant ou détruire complètement les fonctionnalités de l’appareil. Ainsi, la fabrication de ces dispositifs dans une chambre nettoyée est préférée afin de minimiser la contamination. Ces systèmes miniaturisés sont parfois utilisées comme preuve d’appareils de concept qui sont finalement renforcé pour tenir compte de l’analyse de gros volumes ou un analyte. Cependant, cela peut présenter un défi important. Par exemple, la mise à l’échelle un dispositif microfluidique de dimensions plus grandes se traduira par des changements significatifs dans les écoulements de fluides et le comportement de transfert de masse. En conséquence, le résultat souhaité ne peut être reproduit à grande échelle limitant ainsi l’échelle jusqu'à l’utilisation de nombreux appareils plus petits.
BioMEMs appareils sont utilisés dans un large éventail d’applications dans la recherche de la bioanalyse. Par exemple, les dispositifs microfluidiques peuvent être utilisés comme bio-réacteurs de très petit volume. Dans cette étude un pico-litre bio-réacteur a été utilisé pour l’analyse de cellules du même. Cellules individuelles entré dans la chambre et ont pu se développer et se divisent. Comme la densité globale de cellules a augmenté au cours de la croissance, les cellules individuelles sont sortis du réacteur par le biais de petits canaux, permettant ainsi des analyses unicellulaires. Ceci a permis pour la mesure directe du taux de croissance, la morphologie et l’hétérogénéité phénotypique au niveau de la cellule unique. Microfluidique est également utilisée pour permettre la séparation rapide des biomolécules et des autres composants de micro-échelle. Dans cet exemple, ramifiée microfluidique périphériques ont été utilisées pour séparer les cellules de taille semblable et de perles. Perles et cellules ont été coulés dans les canaux et l’appareil puis connectés à une source électrique pour induire un champ électrique. Sans le champ électrique appliqué, les perles s’écoulait à travers tous les canaux. Cependant, dès que le champ a été allumé, les perles ont été réalisés uniquement par le biais de l’un. Le mélange de perles et de cellules pourrait alors être séparé en différents canaux à l’aide de cette technique. Enfin, dispositifs BioMEMs servent souvent bioélectronique miniature. Dans cet exemple, un transistor à effet de champ ou FET, a été effectuée sur la micro-échelle. FETs utilisent un champ électrique pour contrôler la conductivité électrique du matériau semi conducteur dans l’appareil. Ce FET est fonctionnalisée avec silicium nano-fils et sonde de molécules qui sont sensibles aux changements dans l’environnement. Il a été utilisé pour détecter des cibles biologiques telles que l’ADN ou des biomarqueurs.
Vous avez aperçu de juste regarder Jove de BioMEMs. Vous devez maintenant comprendre quelles sont BioMEMs, quelques techniques courantes utilisées pour fabriquer des eux, leurs problèmes et comment ils sont utilisés dans le domaine de la bio-ingénierie. Merci de regarder.
Grâce à l’utilisation de faibles volumes d’échantillons et de réactifs ainsi qu’à un traitement parallèle, la miniaturisation des appareils analytiques à l’échelle microscopique permet d’économiser du temps et de l’argent. Ces minuscules instruments sont appelés dispositifs bio-micro-électromécaniques, également connus sous le nom de BioMEM. Les BioMEM sont utilisés comme dispositifs de diagnostic miniaturisés in vivo ou in vitro et peuvent remplir diverses fonctions telles que l’échantillonnage, les réactions de filtration ou la détection. De plus, leurs dimensions permettent d’améliorer la sensibilité et la sélectivité des appareils analytiques. Cette vidéo présentera les dispositifs BioMEM courants utilisés dans la recherche, les principales méthodes de fabrication et les principaux défis dans le domaine.
Les dispositifs BioMEM sont généralement fabriqués à l’aide de techniques de microfabrication dans une salle blanche et ont au moins une dimension à l’échelle micrométrique. Lors de la fabrication, l’appareil est intégré à une instrumentation plus grande. Les appareils BioMEM courants sont des systèmes d’analyse micro-totale, également appelés Lab-on-a-chip. Ces systèmes effectuent tout ou partie d’une analyse spécifique. Par exemple, les dispositifs microfluidiques sont l’un des types les plus courants de systèmes de laboratoire sur puce. Les dispositifs microfluidiques possèdent des canaux à l’échelle microscopique sur une puce, qui permettent d’effectuer des séparations, des réactions et des mesures avec de petits volumes d’échantillons. En raison de leurs dimensions à l’échelle microscopique, ces dispositifs utilisent l’écoulement entraîné par pression ou l’action capillaire pour transporter les analytes ou les réactifs à travers les canaux. Étant donné que le système utilise un flux laminaire, le transfert de masse et le mélange sont basés sur la diffusion. Il est préféré aux écoulements turbulents, où le mélange est chaotique et irrégulier. De plus, les dimensions permettent un rapport surface/volume élevé dans les systèmes utilisant un catalyseur ou une enzyme liée à la surface. Cela encourage des interactions améliorées entre les analytes dans le flux de fluide et les composants liés au service. Enfin, en raison de leur petite taille, un transfert de chaleur rapide et uniforme est possible. Cela permet un meilleur contrôle et une meilleure uniformité pendant le chauffage des échantillons. Ces systèmes sont donc utilisés pour un large éventail d’applications de diagnostic ou même pour fabriquer des microparticules. Maintenant que nous avons présenté les BioMEMs, voyons comment ils sont généralement fabriqués.
Le matériau le plus couramment utilisé pour les BioMEM, en particulier les dispositifs à circuits intégrés, est le silicium. Les plaquettes de silicium sont généralement utilisées comme matériau de substrat où des formes et des motifs sont créés sur la surface ou même gravés dans celle-ci. Les polymères sont souvent utilisés car ils sont moins chers et parfois plus faciles à manipuler et à préparer. Les polymères permettent la réplication simple de structures complexes par moulage par injection, gaufrage ou moulage de répliques. Enfin, les métaux sont intégrés dans les BioMEM pour permettre une meilleure fabrication de circuits à l’échelle microscopique. Les métaux tels que l’or, l’argent et le chrome sont déposés en couches par galvanoplastie ou par évaporation. La majorité des microstructures complexes sont fabriquées à l’aide de la photolithographie, une technique utilisée pour modeler un substrat à l’aide de la lumière. Le substrat, généralement une plaquette de silicium, est d’abord recouvert d’une substance réactive aux UV appelée photorésine. Le motif est ensuite transféré d’un masque au substrat enduit à l’aide de la lumière UV. Après diverses étapes de traitement, ce motif est ensuite gravé de manière permanente dans le substrat de silicium, laissant une structure tridimensionnelle. Une autre technique, souvent utilisée en conjonction avec la photolithographie, est la lithographie douce. La lithographie douce est une technique qui utilise des polymères pour reproduire des structures 3D. On l’appelle lithographie molle parce que les polymères élastomères sont normalement utilisés. L’élastomère le plus couramment utilisé pour cela est le polydiméthylsiloxane, ou PDMS. Le PDMS est un élastomère à base de silicium qui est optiquement transparent, non toxique et inerte. Le PDMS est versé directement sur la microstructure, puis dégazé et durci. Cette technique permet de reproduire des structures complexes sans avoir besoin d’étapes de traitement compliquées ou coûteuses.
Malgré les méthodes de fabrication bien établies, la préparation et l’utilisation des dispositifs BioMEM présentent des défis. Tout d’abord, les dispositifs BioMEM utilisent des caractéristiques submicrométriques qui peuvent être difficiles à fabriquer lorsqu’ils sont extrêmement complexes ou nécessitent plusieurs couches. La miniaturisation introduit également des défis physiques qui ne seraient pas rencontrés à grande échelle. Par exemple, les défauts de rugosité de surface, les diamètres des canaux ou les molécules assemblées à l’intérieur du dispositif sont amplifiés en raison de la petite échelle et peuvent modifier le fonctionnement du dispositif. Un autre défi est la contamination. Les appareils BioMEM doivent être en contact avec l’environnement, tout en étant protégés de celui-ci. La poussière, les biomolécules indésirables ou d’autres particules peuvent facilement contaminer les structures à l’échelle microscopique, diminuant ou détruisant complètement le fonctionnement de l’appareil. Ainsi, la fabrication de ces appareils dans une pièce nettoyée est préférable afin de minimiser la contamination. Ces systèmes miniaturisés sont parfois utilisés comme dispositifs de preuve de concept qui sont finalement mis à l’échelle pour s’adapter à l’analyse de grands volumes ou d’un analyte. Cependant, cela peut présenter un défi de taille. Par exemple, la mise à l’échelle d’un dispositif microfluidique à des dimensions plus grandes entraînera des changements significatifs dans l’écoulement des fluides et le comportement de transfert de masse. Par conséquent, le résultat souhaité ne peut pas être reproduit à grande échelle, ce qui limite l’évolutivité à l’utilisation de nombreux appareils plus petits.
Les dispositifs BioMEM sont utilisés dans un large éventail d’applications dans la recherche bioanalytique. Par exemple, les dispositifs microfluidiques peuvent être utilisés comme bioréacteurs de très petit volume. Dans cette étude, un bioréacteur d’un picolitre a été utilisé pour l’analyse de cellules uniques. Des cellules uniques sont entrées dans la chambre et ont pu croître et se diviser. Au fur et à mesure que la densité cellulaire globale augmentait au cours de la croissance, les cellules individuelles sortaient du réacteur par de petits canaux, ce qui permettait l’analyse de cellules uniques. Cela a permis de mesurer directement le taux de croissance, la morphologie et l’hétérogénéité phénotypique au niveau de la cellule unique. La microfluidique est également utilisée pour permettre la séparation rapide des biomolécules et d’autres composants à l’échelle microscopique. Dans cet exemple, des dispositifs microfluidiques ramifiés ont été utilisés pour séparer les billes et les cellules de taille similaire. Des billes et des cellules ont été introduites dans les canaux et l’appareil a ensuite été connecté à une source électrique pour induire un champ électrique. Sans le champ électrique appliqué, les billes s’écoulaient à travers tous les canaux. Cependant, une fois le champ allumé, les perles n’étaient dirigées que vers l’un d’entre eux. Le mélange de billes et de cellules a ensuite pu être séparé en différents canaux à l’aide de cette technique. Enfin, les dispositifs BioMEM sont souvent utilisés comme bioélectronique miniature. Dans cet exemple, un transistor à effet de champ, ou FET, a été fabriqué à l’échelle microscopique. Les FET utilisent un champ électrique pour contrôler la conductivité électrique du matériau semi-conducteur dans le dispositif. Ce FET a été fonctionnalisé avec des nano-fils de silicium et des molécules de sonde sensibles aux changements de l’environnement. Il a ensuite été utilisé pour détecter des cibles biologiques, telles que l’ADN ou des biomarqueurs.
Vous venez de regarder l’aperçu de Jove sur les BioMEM. Vous devriez maintenant comprendre ce que sont les BioMEMs, certaines techniques courantes utilisées pour les fabriquer, leurs défis et comment ils sont utilisés dans le domaine de la bio-ingénierie. Merci d’avoir regardé.
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.