BioMEM 기기 개요
BioMEM이라고도 하는 바이오 마이크로 전자 기계 시스템은 생체 및 체외에서진단 장치에 대한 작은 샘플 및 시약 볼륨을 사용할 수 있는 마이크로 스케일 장치입니다. 이러한 장치는 마이크로 스케일에서 여과, 감지 또는 합성과 같은 다양한 기능을 수행하여 비용 절감 및…
낮은 시료 및 시약 볼륨뿐만 아니라 병렬 처리를 통해 분석 장치를 마이크로 스케일로 소형화하면 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 이 작은 계측기는 BioMEM으로도 알려진 바이오 마이크로 전기 기계 장치라고도 합니다. BioMEM은 생체 내 또는 체외에서 소형화된 진단 장치로 사용되며 샘플링, 여과 반응 또는 검출과 같은 다양한 기능을 수행할 수 있습니다. 또한, 그 치수는 분석 장치에서 향상된 감도와 선택성을 가능하게 합니다. 이 비디오는 연구에 사용되는 일반적인 BioMEM 장치, 눈에 띄는 제조 방법 및 현장의 주요 과제를 소개합니다.
BioMEM 장치는 일반적으로 클린 룸에서 미세 제조 기술을 사용하여 만들어지며 마이크로미터 규모에 적어도 하나의 차원을 가지고 있습니다. 제조 시 장치는 더 큰 계측에 통합됩니다. 일반적인 BioMEM 장치는 마이크로 토탈 분석 시스템이며 랩 온 어칩이라고도 합니다. 이러한 시스템은 특정 분석의 전부 또는 일부를 수행합니다. 예를 들어 미세 유체 장치는 가장 일반적인 유형의 Lab-on-a-chip 시스템 중 하나입니다. 미세 유체 장치는 칩에 마이크로 스케일 채널을 가지고 있어 작은 샘플 볼륨으로 분리, 반응 및 측정을 가능하게 합니다. 마이크로 스케일 치수 로 인해 이러한 장치는 압력 구동 흐름 또는 모세관 작용을 활용하여 채널을 통해 데이터 또는 시약을 운반합니다. 시스템은 라미나르 흐름을 사용하기 때문에 질량 전달 및 혼합은 확산 기반입니다. 이것은 혼합이 혼란스럽고 불규칙한 난류 흐름보다 선호됩니다. 또한, 치수는 표면 바운드 촉매 또는 효소를 활용하는 시스템에서 높은 표면 대 부피 비를 가능하게 한다. 이렇게 하면 유체 스트림의 분석자와 서비스 바인딩 구성 요소 간의 향상된 상호 작용을 촉진합니다. 마지막으로, 작은 크기로 인해 빠르고 균일 한 열 전달이 가능합니다. 이를 통해 시료 가열 시 제어 및 균일성이 향상됩니다. 따라서 이러한 시스템은 광범위한 진단 응용 분야에 사용되거나 미세 입자를 제조하는 데사용됩니다. 이제 BioMEM을 도입되었으므로 일반적으로 제작되는 방법을 살펴보겠습니다.
BioMEM, 특히 집적 회로 장치에 사용되는 가장 일반적인 재료는 실리콘입니다. 실리콘 웨이퍼는 모양과 패턴이 표면 위에 생성되거나 표면에 새겨진 기판 재료로 일반적으로 사용됩니다. 폴리머는 종종 덜 비싸고 때로는 조작하고 준비하기가 더 쉬울 뿐만 아니라 사용됩니다. 폴리머는 사출 성형, 엠보싱 또는 복제 성형을 통해 복잡한 구조를 간단하게 복제할 수 있습니다. 마지막으로 금속은 바이오멕스에 통합되어 마이크로 스케일 회로의 제조를 개선할 수 있습니다. 금, 은, 크롬과 같은 금속은 전기도금 또는 증발을 사용하여 층으로 증착됩니다. 복잡한 미세 구조의 대부분은 빛을 사용하여 기판을 패턴화하는 데 사용되는 기술인 포토리소그래피를 사용하여 제작됩니다. 기판, 일반적으로 실리콘 웨이퍼, 먼저 포토 레지스트라는 UV 반응성 물질로 코팅된다. 패턴은 다음 UV 빛을 사용하여 코팅 기판에 마스크에서 전송됩니다. 다양한 처리 단계 후이 패턴은 3 차원 구조를 떠나 실리콘 기판에 영구적으로 에칭된다. 포토리소그래피와 함께 자주 사용되는 또 다른 기술은 부드러운 리소그래피입니다. 소프트 리소그래피는 폴리머를 사용하여 3D 구조를 복제하는 기술입니다. 탄성 중합체 폴리머가 일반적으로 사용되기 때문에 부드러운 리소그래피라고합니다. 이것에 대 한 사용 되는 가장 일반적인 탄성체는 폴리디메틸실록산, 또는 PDMS. PDMS는 광학적으로 명확하고 독성이 없으며 불활성실리콘 실리콘 기반 의 엘라스토머입니다. PDMS는 마이크로 구조에 직접 부어, 다음 탈 가스 및 치료. 이 기술을 사용하면 복잡하거나 비용이 많이 드는 처리 단계 없이 복잡한 구조를 복제할 수 있습니다.
잘 확립된 제조 방법에도 불구하고 BioMEM 장치를 준비하고 사용하는 것과 관련된 과제가 있습니다. 첫째, BioMEM 장치는 매우 복잡하거나 여러 층이 필요할 때 제작하기 어려울 수 있는 하위 마이크로미터 기능을 활용합니다. 소형화는 또한 대규모로 발생하지 않을 물리적 인 도전을 소개합니다. 예를 들어, 장치 내의 표면 거칠기, 채널 직경 또는 조립된 분자의 결함은 작은 규모로 인해 증폭되고 장치 기능을 변경할 수 있습니다. 또 다른 과제는 오염입니다. BioMEM 장치는 환경과 접촉해야 하지만 동시에 보호해야 합니다. 먼지, 원치 않는 생체 분자 또는 기타 미립자는 장치 기능을 감소하거나 완전히 파괴하는 미세 규모의 구조를 쉽게 오염시킬 수 있습니다. 따라서, 오염을 최소화하기 위해 청소실에서 이러한 장치의 제조가 바람직하다. 이러한 소형화된 시스템은 대량 또는 분석물의 분석을 수용하기 위해 결국 확장되는 개념 장치의 증거로 사용되기도 합니다. 그러나 이것은 중요한 도전을 제시 할 수 있습니다. 예를 들어 미세 유체 장치를 더 큰 차원으로 확장하면 유체 흐름 및 질량 전달 동작이 크게 변경됩니다. 따라서 원하는 결과를 대규모로 복제할 수 없으므로 많은 소형 장치의 사용으로 확장할 수 있습니다.
BioMEM 장치는 생체 분석 연구에서 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 미세 유체 장치는 매우 작은 양의 생물 반응기로 사용될 수 있습니다. 이 연구에서피코 리터 바이오 반응기는 단일 세포 분석을 위해 활용되었다. 단일 세포는 챔버에 들어갔고 성장하고 나눌 수 있었습니다. 성장 중에 전체 세포 밀도가 증가함에 따라 개별 세포는 작은 채널을 통해 반응기를 빠져 나와 단일 세포 분석을 가능하게 했습니다. 이를 통해 단일 세포 수준에서 성장 속도, 형태학 및 현상이 있는 이질성의 직접 측정을 허용했습니다. 미세 유체는 또한 생체 분자 및 기타 미세 스케일 성분의 신속한 분리를 가능하게하는 데 사용됩니다. 이 예에서는 분기된 미세 유체 장치가 유사한 크기의 구슬과 세포를 분리하는 데 사용되었습니다. 구슬과 세포는 채널로 흘러 들어갔고 장치는 전기장을 유도하기 위해 전기 소스에 연결하였다. 적용된 전기장이 없으면 구슬이 모든 채널을 통해 흘러나오게 되었습니다. 그러나 필드가 켜지면 구슬은 하나만 전달되었습니다. 구슬과 세포의 혼합물은 이 기술을 사용하여 다른 채널로 분리될 수 있었습니다. 마지막으로 BioMEM 장치는 종종 소형 바이오 전자 공학으로 사용됩니다. 이 예에서, 필드 효과 트랜지스터, 또는 FET는 마이크로 스케일에 만들어졌다. FET는 전기장을 사용하여 장치에서 반도체 재료의 전기 전도도를 제어합니다. 이 FET는 환경 변화에 민감한 실리콘 나노 와이어 및 프로브 분자로 기능화되었습니다. 그것은 DNA 또는 biomarkers와 같은 생물학 표적을 감지하기 위하여 그 때 이용되었습니다.
당신은 바이오 MEM의 Jove의 개요를 보았다. 이제 BioMEM이 무엇인지, 그들을 조작하는 데 사용되는 몇 가지 일반적인 기술, 도전 과제 및 생명 공학 분야에서 사용되는 방법을 이해해야합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
적은 시료 및 시약 부피와 병렬 처리를 통해 분석 장치를 마이크로 스케일로 소형화하면 시간과 비용을 모두 절약할 수 있습니다. 이 작은 기기는 BioMEM이라고도 하는 Bio Micro-Electro-Mechanical Devices라고 합니다. BioMEM은 in vivo 또는 in vitro에서 소형 진단 기기로 사용되며 샘플링, 여과 반응 또는 검출과 같은 다양한 기능을 수행할 수 있습니다. 또한 치수를 통해 분석 장치의 감도와 선택성을 향상시킬 수 있습니다. 이 비디오에서는 연구에 사용되는 일반적인 BioMEMS 장치, 저명한 제조 방법 및 해당 분야의 주요 과제를 소개합니다.
BioMEM 장치는 일반적으로 클린룸에서 미세 가공 기술을 사용하여 만들어지며 마이크로미터 스케일에서 최소 1차원을 가지고 있습니다. 제작 시 장치는 더 큰 기기에 통합됩니다. 일반적인 BioMEM(?장치)은 랩-온-어-칩(Lab-on-a-chip)이라고도 하는 마이크로 토탈 분석 시스템(Micro-total Analysis System)입니다. 이러한 시스템은 특정 분석의 전체 또는 일부를 수행합니다. 예를 들어, 미세유체 장치는 Lab-on-a-chip 시스템의 가장 일반적인 유형 중 하나입니다. Microfluidic 장치는 칩에 microscale 수로를 소유하고, 작은 표본 양으로 하는 것을 분리, 반응 및 측정이 가능하게 합니다. 미시적 차원으로 인해 이러한 장치는 압력 구동 흐름 또는 모세관 작용을 사용하여 채널을 통해 분석물 또는 시약을 운반합니다. 이 시스템은 층류를 사용하기 때문에 물질 전달 및 혼합은 확산을 기반으로 합니다. 이것은 혼합이 혼란스럽고 불규칙한 난류보다 선호됩니다. 또한, 치수는 표면 결합 촉매 또는 효소를 사용하는 시스템에서 높은 표면 대 부피 비율을 가능하게 합니다. 이는 유체 흐름의 분석물과 서비스 바운드 구성 요소 간의 향상된 상호 작용을 촉진합니다. 마지막으로, 크기가 작기 때문에 빠르고 균일한 열 전달이 가능합니다. 이를 통해 시료 가열 중 제어 및 균일성을 개선할 수 있습니다. 따라서 이러한 시스템은 광범위한 진단 응용 분야 또는 미립자 제조에 사용됩니다. 지금까지 BioMEM을 소개했으니, 이제 BioMEM이 일반적으로 어떻게 제작되는지 살펴보겠습니다.
BioMEMs, 특히 집적 회로 장치에 사용되는 가장 일반적인 재료는 실리콘입니다. 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 기판 재료로 사용되며, 모양과 패턴이 표면 위에 생성되거나 에칭됩니다. 폴리머는 종종 사용될뿐만 아니라 저렴하고 때로는 조작 및 준비가보다 쉽습니다. 폴리머는 사출 성형, 엠보싱 또는 복제 성형을 통해 복잡한 구조를 간단하게 복제할 수 있습니다. 마지막으로, 금속은 BioMEM에 통합되어 마이크로 스케일 회로의 제조를 개선할 수 있습니다. 금, 은, 크롬과 같은 금속은 전기 도금 또는 증발을 사용하여 층에 증착됩니다. 복잡한 미세 구조의 대부분은 빛을 사용하여 기판을 패턴화하는 데 사용되는 기술인 포토리소그래피를 사용하여 제작됩니다. 일반적으로 실리콘 웨이퍼인 기판은 먼저 포토레지스트라고 하는 UV 반응성 물질로 코팅됩니다. 그런 다음 패턴은 UV 광을 사용하여 마스크에서 코팅된 기판으로 전송됩니다. 다양한 가공 단계가 끝나면 이 패턴은 실리콘 기판에 영구적으로 에칭되어 3차원 구조를 남깁니다. 포토리소그래피와 함께 자주 사용되는 또 다른 기술은 소프트 리소그래피입니다. 소프트 리소그래피는 폴리머를 사용하여 3D 구조를 복제하는 기술입니다. 그것은 연약한 리소그래피에게 불린다 왜냐하면 탄성 중합체는 일반적으로 이용되기 때문이다. 이를 위해 사용되는 가장 일반적인 엘라스토머는 폴리디메틸실록산 또는 PDMS입니다. PDMS는 광학적으로 투명하고 독성이 없으며 불활성인 실리콘 기반 엘라스토머입니다. PDMS는 마이크로 구조에 직접 주입된 다음 가스를 제거하고 경화합니다. 이 기술을 사용하면 복잡하거나 비용이 많이 드는 처리 단계 없이 복잡한 구조를 복제할 수 있습니다.
잘 확립된 제조 방법에도 불구하고 BioMEM 장치의 준비 및 사용과 관련된 문제가 있습니다. 첫째, BioMEM(r) 장치는 마이크로미터 미만의 기능을 사용하는데, 이러한 장치는 매우 복잡하거나 여러 레이어가 필요한 경우 제작하기 어려울 수 있습니다. 소형화는 또한 대규모에서는 직면하지 않을 물리적 문제를 야기합니다. 예를 들어, 표면 거칠기, 채널 직경 또는 장치 내에서 조립된 분자의 결함은 작은 규모로 인해 증폭되어 장치 기능을 변경할 수 있습니다. 또 다른 문제는 오염입니다. BioMEM(r) 장치는 환경과 접촉해야 하지만 동시에 환경으로부터 보호되어야 합니다. 먼지, 원치 않는 생체 분자 또는 기타 미립자는 마이크로 스케일 구조를 쉽게 오염시켜 장치 기능을 저하시키거나 완전히 파괴할 수 있습니다. 따라서 오염을 최소화하기 위해 세척된 방에서 이러한 장치를 제작하는 것이 좋습니다. 이러한 소형 시스템은 때때로 개념 증명 장치로 사용되며, 결국 대량의 분석이나 분석물의 분석을 수용하기 위해 확장됩니다. 그러나 이는 상당한 문제를 야기할 수 있습니다. 예를 들어, 미세유체 장치를 더 큰 치수로 확장하면 유체 흐름 및 물질 전달 거동에 상당한 변화가 발생합니다. 결과적으로, 원하는 결과를 대규모로 복제할 수 없으므로 많은 소형 장치의 사용으로 확장이 제한됩니다.
BioMEM 장치는 생물 분석 연구의 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 예를 들어, 미세유체 장치는 매우 작은 부피의 생물 반응기로 사용될 수 있습니다. 이 연구에서는 단일 세포 분석을 위해 피코리터 바이오 반응기를 사용했습니다. 단세포가 챔버에 들어가 성장하고 분열할 수 있었습니다. 성장 중 전체 세포 밀도가 증가함에 따라 개별 세포가 작은 채널을 통해 반응기를 빠져나와 단일 세포 분석이 가능해졌습니다. 이를 통해 단일 세포 수준에서 성장 속도, 형태 및 표현형 이질성을 직접 측정할 수 있었습니다. Microfluidics는 또한 생체 분자 및 기타 미시적 구성 요소의 신속한 분리를 가능하게 하는 데 사용됩니다. 이 예에서는 분지 미세유체 장치를 사용하여 비슷한 크기의 비드와 세포를 분리했습니다. 비드와 셀이 채널로 흘러 들어간 다음 장치를 전원에 연결하여 전기장을 유도했습니다. 적용된 전기장이 없으면 비드가 모든 채널을 통해 흐릅니다. 그러나 일단 필드가 켜지면 구슬은 하나를 통해서만 향했습니다. 그런 다음 비드와 세포의 혼합물을 이 기술을 사용하여 다른 채널로 분리할 수 있습니다. 마지막으로, BioMEM 장치는 종종 소형 생체 전자 공학으로 사용됩니다. 이 예에서는 전계 효과 트랜지스터(FET)가 마이크로 스케일로 만들어졌습니다. FET는 전기장을 사용하여 장치에서 반도체 재료의 전기 전도성을 제어합니다. 이 FET는 환경 변화에 민감한 실리콘 나노 와이어와 프로브 분자로 기능화되었습니다. 그런 다음 DNA 또는 바이오마커와 같은 생물학적 표적을 감지하는 데 사용되었습니다.
BioMEM에 대한 Jove의 개요를 시청했습니다. 이제 BioMEM이 무엇인지, 이를 제조하는 데 사용되는 몇 가지 일반적인 기술, 과제 및 생명 공학 분야에서 어떻게 사용되는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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.