Overview dei dispositivi BioMEM

Grazie all'uso di bassi volumi di campioni e reagenti e all'elaborazione parallela, la miniaturizzazione dei dispositivi analitici su microscala consente di risparmiare tempo e costi. Questi piccoli strumenti sono indicati come Bio Micro-Electro-Mechanical Devices noti anche come BioMEMs. I bioMEM sono utilizzati come dispositivi diagnostici miniaturizzati in vivo o in vitro e possono svolgere varie funzioni come campionamento, reazioni di filtrazione o rilevamento. Inoltre, le loro dimensioni consentono una maggiore sensibilità e selettività nei dispositivi analitici. Questo video introdurrà i comuni dispositivi BioMEM utilizzati nella ricerca, importanti metodi di fabbricazione e sfide chiave nel campo.

I dispositivi BioMEM sono in genere realizzati utilizzando tecniche di microfabbricazione in una camera bianca e hanno almeno una dimensione sulla scala micrometrica. Al momento della fabbricazione, il dispositivo viene integrato in una strumentazione più grande. I comuni dispositivi BioMEM sono sistemi di analisi micro-totale, chiamati anche Lab-on-a-chip. Questi sistemi eseguono in tutto o in parte un'analisi specifica. Ad esempio, i dispositivi microfluidici sono uno dei tipi più comuni di sistemi Lab-on-a-chip. I dispositivi microfluidici possiedono canali su microscala su un chip, che consentono di effettuare separazioni, reazioni e misurazioni con piccoli volumi di campioni. A causa delle dimensioni su microscala, questi dispositivi utilizzano il flusso guidato dalla pressione o l'azione capillare per trasportare analiti o reagenti attraverso i canali. Poiché il sistema utilizza il flusso laminare, il trasferimento di massa e la miscelazione sono basati sulla diffusione. Questo è preferito al flusso turbolento, dove la miscelazione è caotica e irregolare. Inoltre, le dimensioni consentono un elevato rapporto superficie/volume nei sistemi che utilizzano un catalizzatore o un enzima legato alla superficie. Ciò incoraggia interazioni migliorate tra analiti nel flusso fluido e componenti associati al servizio. Infine, grazie alle loro dimensioni ridotte, è possibile un trasferimento di calore rapido e uniforme. Ciò consente un migliore controllo e uniformità durante il riscaldamento del campione. Questi sistemi vengono quindi utilizzati per una vasta gamma di applicazioni diagnostiche o anche per fabbricare microparticelle. Ora che abbiamo introdotto i BioMEM, diamo un'occhiata a come sono tipicamente fabbricati.

Il materiale più comune utilizzato per i BioMEM, in particolare i dispositivi a circuito integrato, è il silicio. I wafer di silicio sono tipicamente utilizzati come materiale di substrato in cui forme e motivi vengono creati sopra o addirittura incisi sulla superficie. I polimeri sono spesso usati così come sono meno costosi e talvolta più facili da manipolare e preparare. I polimeri consentono la semplice replica di strutture complesse tramite stampaggio a iniezione, goffratura o stampaggio replica. Infine, i metalli sono integrati nei BioMEM per consentire una migliore fabbricazione di circuiti su microscala. Metalli come oro, argento e cromo vengono depositati in strati che utilizzano la galvanostea o l'evaporazione. La maggior parte delle microstrutture complesse sono fabbricate utilizzando la fotolitografia, una tecnica utilizzata per modellare un substrato usando la luce. Il substrato, di solito un wafer di silicio, viene prima rivestito con una sostanza reattiva ai raggi UV chiamata photoresist. Il modello viene quindi trasferito da una maschera al substrato rivestito utilizzando la luce UV. Dopo varie fasi di lavorazione questo modello viene quindi inciso in modo permanente nel substrato di silicio lasciando una struttura tridimensionale. Un'altra tecnica, spesso utilizzata in combinazione con la fotolitografia, è la litografia morbida. La litografia morbida è una tecnica che utilizza polimeri per replicare strutture 3D. Si chiama litografia morbida perché normalmente vengono utilizzati polimeri elastomerici. L'elastomero più comune utilizzato per questo è il polidimetilsilossano, o PDMS. PDMS è un elastomero a base di silicio otticamente chiaro, non tossico, inerte. Il PDMS viene versato direttamente sulla microstruttura, quindi degassato e polimerizzato. Questa tecnica consente la replica di strutture complesse senza la necessità di complicate o costose fasi di elaborazione.

Nonostante i metodi di fabbricazione ben consolidati, ci sono sfide associate alla preparazione e all'utilizzo di dispositivi BioMEM. In primo luogo, i dispositivi BioMEM utilizzano funzionalità sub-micrometriche che possono essere difficili da fabbricare quando sono estremamente complesse o richiedono più strati. La miniaturizzazione introduce anche sfide fisiche che non si incontrerebbero su larga scala. Ad esempio, i difetti di rugosità superficiale, diametri dei canali o molecole assemblate all'interno del dispositivo sono amplificati a causa della piccola scala e possono cambiare la funzione del dispositivo. Un'altra sfida è la contaminazione. I dispositivi BioMEM devono essere a contatto con l'ambiente, ma allo stesso tempo devono essere protetti da esso. Polvere, biomolecole indesiderate o altri particolati possono facilmente contaminare le strutture su microscala diminuendo o distruggendo completamente la funzionalità del dispositivo. Pertanto, la fabbricazione di questi dispositivi in una camera pulita è preferibile al fine di ridurre al minimo la contaminazione. Questi sistemi miniaturizzati sono talvolta utilizzati come dispositivi di prova del concetto che vengono infine scalati per ospitare l'analisi di grandi volumi o di un analita. Tuttavia, questo può rappresentare una sfida significativa. Ad esempio, il ridimensionamento di un dispositivo microfluidico a dimensioni maggiori comporterà cambiamenti significativi nel flusso del fluido e nel comportamento di trasferimento di massa. Di conseguenza, il risultato desiderato non può essere replicato su larga scala, limitando così la scalabilità fino all'uso di molti dispositivi più piccoli.

I dispositivi BioMEM sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni nella ricerca bioanalitica. Ad esempio, i dispositivi microfluidici possono essere impiegati come bioreattori di volume estremamente ridotto. In questo studio è stato utilizzato un bioreattore pico-litro per l'analisi a cella singola. Le singole cellule sono entrate nella camera e sono state in grado di crescere e dividersi. Quando la densità complessiva delle cellule aumentava durante la crescita, le singole cellule uscivano dal reattore attraverso piccoli canali, consentendo l'analisi delle singole celle. Ciò ha permesso la misurazione diretta del tasso di crescita, della morfologia e dell'eterogeneità fenotipica a livello di singola cellula. La microfluidica viene anche utilizzata per consentire la rapida separazione di biomolecole e altri componenti su microscala. In questo esempio, sono stati utilizzati dispositivi microfluidici ramificati per separare pere e celle di dimensioni simili. Pere e celle sono state portate nei canali e il dispositivo è stato quindi collegato a una fonte elettrica per indurre un campo elettrico. Senza il campo elettrico applicato, le pere scorrevano attraverso tutti i canali. Tuttavia, una volta acceso il campo, le pere venivano dirette solo attraverso uno. La miscela di perle e cellule potrebbe quindi essere separata in diversi canali utilizzando questa tecnica. Infine, i dispositivi BioMEM sono spesso utilizzati come bioelettronica in miniatura. In questo esempio, un transistor ad effetto di campo, o FET, è stato realizzato su microscala. I FET utilizzano un campo elettrico per controllare la conduttività elettrica del materiale semiconduttore nel dispositivo. Questo FET è stato funzionalizzato con nano-fili di silicio e molecole di sonda sensibili ai cambiamenti nell'ambiente. È stato quindi utilizzato per percepire bersagli biologici, come DNA o biomarcatori.

Hai appena guardato la panoramica di Jove sui BioMEM. Ora dovresti capire cosa sono i BioMEM, alcune tecniche comuni utilizzate per fabbricarli, le loro sfide e come vengono utilizzati nel campo della bioingegneria. Grazie per l'attenzione.