BioMEM デバイスの概要
バイオ微小電気機械システム、収縮とも呼ばれますは、診断機器の生体内と体外の少量サンプルおよび試薬の使用を有効にするとマイクロ デバイスです。これらのデバイスは、感度の向上とコスト削減を有効にする、マイクロ スケールのろ過、センシング、合成など様々 な機能を実行します。
このビデオは、収縮を紹介、バイ…
低いサンプルと試薬だけでなくボリューム並列処理を使用して、マイクロ スケール解析装置の小型化は時間とコストの両方が保存されます。これらの小型の楽器は、バイオ マイクロ電気機械デバイスとして知られている収縮と呼ばれます。収縮は小型体内または体外診断用機器として使用され、サンプリング、ろ過反応検出など様々 な機能を実行できます。また、その寸法は改良の感度および選択性分析機器類を有効にします。このビデオは、著名な製造方法、研究分野における主要な課題で使用される共通の収縮デバイスを紹介します。
収縮デバイスは通常、クリーン ルームで微細加工技術を使用して作られています、マイクロ メートル スケールの少なくとも 1 つのディメンションがあります。製作時にデバイスは、大規模計装に統合されます。一般的な収縮デバイス、マイクロ分析システム、ラボ-オン-チップとも呼ばれます。これらのシステムは、特定の分析の一部または全部を実行します。たとえばマイクロ流体デバイス、ラボ-オン-チップ システムの最も一般的な種類の一つであります。マイクロ流体デバイスでは、小さなサンプル ボリュームの測定、反応、分離を可能にするチップ上のマイクロ スケール チャンネルを所有しています。マイクロ スケールの大きさが原因でこれらの機器は圧力駆動型フロー、または検体や試薬チャネルを介して輸送する毛管作用を利用します。システムは、層流を使用しているので大量転送と混合は基づく拡散です。これは、優先されます乱流混合は無秩序および不規則です。さらに、寸法を有効にするサーフェスを活用したシステムの容積の比率に高い表面は触媒や酵素を関連付けます。これは流体のストリームでの強化された相互作用を奨励し、サービス コンポーネントにバインドされました。最後に、サイズが小さいため、迅速かつ均一な熱伝達は可能です。これにより、制御の向上と均一性サンプル加熱中。これらのシステムは、このようにまたは微粒子を作製したり診断アプリケーションの広い範囲のため使用されます。今では収縮を導入しました、彼らは通常製造はどのように見てをみましょう。
収縮、特に集積回路デバイスに使用される最も一般的な材料は、シリコンです。シリコンウェハーが典型的な形とパターンの上に作成またはも表面にエッチングで基板材料として使用します。ポリマーは、同様に彼らより安価で操作し、準備も簡単、使われます。ポリマーは、射出成形、エンボス、またはレプリカ成形による複雑な構造の単純なレプリケーションを有効にします。最後に、金属は、微小回路の改良試作を可能にする収縮に統合されます。金、銀、クロムなどの金属は、電気めっきや蒸着を使用してレイヤーに置かれます。複雑な微細構造の大半は、フォトリソグラフィ、光を用いた基板をパターン化する技術を使用して製造されています。通常シリコンウェハー基板、レジストと呼ばれる紫外線反応性物質でコーティングします。パターンは、紫外光を用いたコーティング基板をマスクから転送されます。後様々 な処理ステップのこのパターンは、永久にエッチング三次元構造を残してシリコン基板上に。よく写真平版、と共に使用される別のテクニックがソフト ・ リソグラフィーです。ソフト ・ リソグラフィーは、ポリマーを使用して 3次元構造を複製する技術です。弾性ポリマーは通常使用されるため通話ソフト ・ リソグラフィーです。ポリジメチルシロキサン、これに使用される最も一般的なエラストマー、PDMS になります。PDMS は、光学的に透明、非毒性、不活性であるシリコン ベース エラストマーです。PDMS は、マイクロ構造に直接注がれ、重複毒ガス、硬化します。この方法は、複雑なまたは高価な処理手順を必要とせず複雑な構造のレプリケーションを使用できます。
確立された製造方法にも関わらず準備と収縮デバイスを使用して関連付けられている課題があります。まず、収縮のデバイスは、非常に複雑なまたは複数層を必要とするときを作製することは困難することができますサブミクロン機能を利用します。小型化も大きなスケールで検出されるない物理的な課題を紹介します。小規模なのためたとえば、表面粗さやチャネルの直径は、デバイス内の組み立てられた分子に欠陥が増幅され、デバイスの機能を変更することができます。もう一つの課題は、汚染です。収縮デバイスは、環境との接触する必要がありますまだ同時にそれから保護する必要があります。ほこり、不要な生体分子や他の微粒子は簡単に減少またはデバイスの機能を完全に破壊するマイクロ スケールの構造を汚染できます。したがって、掃除部屋にこれらのデバイスの作製は汚染を最小限にするために好まれる。これらの小型システムはコンセプト デバイスは、最終的に大量の検体分析に合わせてスケール アップの証拠として時々 使用されます。しかし、これは、重要な課題を提示できます。たとえば、大きい寸法にマイクロ流体デバイスをスケーリング、流動と物質移動動作の大幅な変更になります。その結果、大規模スケール アップの多くのより小さいデバイスの使用を制限することで目的の結果をレプリケートできません。
収縮デバイス、バイオ分析関連のアプリケーションの広い範囲で使用されます。たとえば、マイクロ流体デバイスは非常に少量の生物反応炉として使用できます。本研究では単一細胞解析ピコ リットル バイオリアクターを用いています。単一のセルに入り商工会議所、成長し、分裂することができた。全体の細胞密度の成長中になるにつれ、個々 の細胞は単一細胞解析を有効にする小さなを通じて原子炉を終了しました。これは成長率、形態、および単一セルのレベルでの表現型多様性の直接測定できます。マイクロは、生体分子や他のマイクロ スケール コンポーネントの迅速な分離を有効にするのにも使用されます。この例では、マイクロ ビーズと同じようなサイズのセルを区切るに使用されたデバイスを分岐しました。ビーズと細胞されたチャネルとデバイスに流れたし、電場を誘発する電気ソースに接続されています。適用された電界なしビーズはすべてのチャネルを流れます。ただし、フィールドがオンになっていると、一度ビーズは 1 つだけを指示されました。ビーズと細胞の混合物は、この手法を使用して別のチャネルに分けることができます。最後に、ミニチュア バイオとしては収縮デバイスが使われます。次の使用例、電界効果トランジスタ、FET、マイクロ スケールにしました。Fet は、デバイスの半導体材料の電気伝導度を制御するのに電界を使用します。この FET はシリコンのナノ細線の官能基化や環境の変化に敏感である分子をプローブします。それは、DNA やバイオ マーカーなどの生物学的ターゲットを意味する使用されました。
収縮のちょうど時計ゼウスの概要をしました。収縮は何、それらを組み立てるために使用いくつかの一般的なテクニックを理解しておくべき今の課題、バイオ エンジニア リングの分野での使用方法。見ていただきありがとうございます。
少量のサンプルと試薬の量、および並列処理を使用することで、分析デバイスをマイクロスケールに小型化することで、時間とコストの両方を節約できます。これらの小さな機器は、BioMEMとも呼ばれるBio Micro-Electro-Mechanical Devicesと呼ばれます。BioMEMは、in vivoまたはin vitroで小型化された診断デバイスとして使用され、サンプリング、ろ過反応、検出などのさまざまな機能を実行できます。さらに、その寸法により、分析デバイスの感度と選択性が向上します。このビデオでは、研究で使用される一般的なBioMEMsデバイス、著名な製造方法、およびこの分野での主な課題を紹介します。
BioMEM®デバイスは通常、クリーンルームで微細加工技術を使用して製造され、マイクロメートルスケールで少なくとも1つの寸法を持っています。製造時には、デバイスはより大きな機器に統合されます。一般的なBioMEMデバイスは、Lab-on-a-chipとも呼ばれるMicro-Total Analysis Systemsです。これらのシステムは、特定の解析の全部または一部を実行します。たとえば、マイクロ流体デバイスは、Lab-on-a-chipシステムの最も一般的なタイプの1つです。マイクロ流体デバイスは、チップ上にマイクロスケールのチャネルを備えているため、少量のサンプルで分離、反応、測定を行うことができます。マイクロスケールの寸法のため、これらのデバイスは圧力駆動の流れまたは毛細管現象を利用して、チャネルを介して分析物または試薬を輸送します。このシステムは層流を使用しているため、物質移動と混合は拡散ベースです。これは、混合が混沌としていて不規則な乱流よりも好まれます。さらに、この寸法により、表面結合触媒または酵素を利用するシステムにおいて、高い表面対体積比が可能になります。これにより、流体流中の分析物とサービス結合成分との間の相互作用が強化されます。最後に、サイズが小さいため、迅速かつ均一な熱伝達が可能です。これにより、サンプル加熱中の制御と均一性が向上します。したがって、これらのシステムは、幅広い診断アプリケーションや微粒子の製造にも使用されます。さて、BioMEMについてご紹介したところで、BioMEMが一般的にどのように作られているのかを見ていきましょう。
BioMEM、特に集積回路デバイスに使用される最も一般的な材料はシリコンです。シリコンウェーハは、表面の上に形状やパターンが作成されたり、表面にエッチングされたりする基板材料として一般的に使用されます。ポリマーは、安価で、場合によっては操作や調製が容易であるだけでなく、よく使用されます。ポリマーは、射出成形、エンボス加工、またはレプリカ成形により、複雑な構造を簡単に複製することができます。最後に、金属をBioMEMに統合して、マイクロスケール回路の改良された製造を可能にします。金、銀、クロムなどの金属は、電気めっきまたは蒸発を使用して層状に堆積されます。複雑な微細構造の大部分は、光を使用して基板をパターン化するために使用される技術であるフォトリソグラフィーを使用して製造されます。基板(通常はシリコンウェーハ)は、最初にフォトレジストと呼ばれるUV反応性物質でコーティングされます。次に、パターンはUV光を使用してマスクからコーティングされた基板に転写されます。さまざまな処理ステップの後、このパターンはシリコン基板に恒久的にエッチングされ、3次元構造が残ります。フォトリソグラフィーと組み合わせて使用されることが多い別の手法は、ソフトリソグラフィーです。ソフトリソグラフィーは、ポリマーを使用して3D構造を複製する技術です。通常、エラストマーポリマーが使用されるため、ソフトリソグラフィーと呼ばれています。これに使用される最も一般的なエラストマーは、ポリジメチルシロキサン、またはPDMSです。PDMSは、光学的に透明で、毒性がなく、不活性なシリコンベースのエラストマーです。PDMSは、微細構造に直接注がれ、その後、脱気されて硬化されます。この技術により、複雑で高価な処理ステップを必要とせずに、複雑な構造の複製が可能になります。
確立された製造方法にもかかわらず、BioMEMデバイスの調製と使用には課題があります。まず、BioMEMデバイスはサブマイクロメーターの機能を利用していますが、非常に複雑であったり、複数の層が必要な場合には製造が困難な場合があります。また、小型化は、大規模では遭遇しない物理的な課題ももたらします。例えば、表面粗さ、チャネル径、デバイス内で組み立てられた分子の欠陥は、スケールが小さいために増幅され、デバイスの機能を変える可能性があります。もう一つの課題は汚染です。BioMEMデバイスは、環境と接触している必要がありますが、同時に環境から保護されている必要があります。粉塵、不要な生体分子、その他の微粒子は、マイクロスケールの構造を簡単に汚染し、デバイスの機能を低下させたり、完全に破壊したりする可能性があります。したがって、汚染を最小限に抑えるために、これらのデバイスを清掃された部屋で製造することが好ましい。これらの小型化システムは、概念実証デバイスとして使用されることがあり、最終的には大量の分析や分析物の分析に対応するためにスケールアップされます。ただし、これには大きな課題があります。たとえば、マイクロ流体デバイスをより大きな寸法にスケーリングすると、流体の流れと物質移動の挙動に大きな変化が生じます。その結果、望ましい結果を大規模に再現することができず、スケールアップを多くの小型デバイスの使用に制限します。
BioMEM®デバイスは、バイオアナリシス研究の幅広い用途で使用されています。例えば、マイクロ流体デバイスは、極小容量のバイオリアクターとして使用することができます。この研究では、ピコリットルのバイオリアクターをシングルセル分析に利用しました。単一の細胞がチャンバーに入り、成長して分裂することができました。増殖中に全細胞密度が増加すると、個々の細胞は小さなチャネルを通じてリアクターから排出され、シングルセル解析が可能になりました。これにより、単一細胞レベルでの増殖速度、形態、表現型の不均一性を直接測定することが可能になりました。マイクロ流体工学は、生体分子やその他のマイクロスケールのコンポーネントの迅速な分離を可能にするためにも使用されます。この例では、分岐マイクロ流体デバイスを使用して、同様のサイズのビーズと細胞を分離しました。ビーズとセルをチャネルに流し込み、デバイスを電源に接続して電界を誘導しました。印加電界がなければ、ビーズはすべてのチャネルを流れました。しかし、フィールドがオンになると、ビーズは1つを通してのみ向けられました。ビーズと細胞の混合物は、この手法を使用して異なるチャネルに分離できます。最後に、BioMEMデバイスは、ミニチュアバイオエレクトロニクスとしてよく使用されます。この例では、電界効果トランジスタ(FET)がマイクロスケールで作成されています。FETは、電界を使用してデバイス内の半導体材料の電気伝導率を制御します。このFETは、環境の変化に敏感なシリコンナノワイヤとプローブ分子で官能基化されました。その後、DNAやバイオマーカーなどの生物学的標的を感知するために使用されました。
Jove による BioMEM の概要をご覧ください。これで、BioMEMとは何か、その製造に使用される一般的な技術、その課題、バイオエンジニアリング分野でのBioMEMの使用方法について理解できたと思います。ご覧いただきありがとうございます。
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.