Door het gebruik van lage monster- en reagentiavolumes evenals parallelle verwerking, bespaart het miniatuur maken van analytische apparaten op micro-schaal zowel tijd als kosten. Deze kleine instrumenten worden aangeduid als Bio Micro-Electro-Mechanical Devices ook wel bekend als BioMEMs. BioMEMs worden gebruikt als geminiaturiseerde diagnostische apparaten in vivo of in vitro en kunnen verschillende functies uitvoeren zoals bemonstering, filtratiereacties of detectie. Bovendien maken hun afmetingen verbeterde gevoeligheid en selectiviteit in analytische apparaten mogelijk. Deze video introduceert gangbare BioMEMs-apparaten die in onderzoek worden gebruikt, prominente fabricagemethoden en belangrijke uitdagingen op het gebied.
BioMEM apparaten worden typisch gemaakt met behulp van microfabricagetechnieken in een cleanroom en hebben ten minste één dimensie op micrometerschaal. Bij fabricage wordt het apparaat geïntegreerd in grotere instrumentatie. Gangbare BioMEM apparaten zijn Micro-totale analysesystemen, ook wel Lab-on-a-chip genoemd. Deze systemen voeren alle of een deel van een specifieke analyse uit. Bijvoorbeeld microfluïdische apparaten zijn een van de meest voorkomende typen Lab-on-a-chip systemen. Microfluïdische apparaten bezitten microschalige kanalen op een chip, die het mogelijk maken om separaties, reacties en metingen te maken met kleine monstersvolumes. Vanwege de microschalige afmetingen gebruiken deze apparaten drukgestuurde stroming of capillaire actie om analyten of reagentia door de kanalen te transporteren. Aangezien het systeem laminaire stroming gebruikt, is massaoverdracht en menging diffusie-gebaseerd. Dit wordt verondersteld boven turbulente stroming, waarbij menging chaotisch en onregelmatig is. Bovendien maken de afmetingen een hoog oppervlak-op-volumeverhouding mogelijk in systemen die een oppervlakte-gebonden katalysator of enzym gebruiken. Dit bevordert verbeterde interacties tussen analyten in de vloeistofstroom en service-gebonden componenten. Ten slotte is, vanwege hun kleine afmetingen, snelle en uniforme warmteoverdracht mogelijk. Dit maakt verbeterde controle en uniformiteit mogelijk tijdens het verwarmen van monsters. Deze systemen worden dus gebruikt voor een breed scala aan diagnostische toepassingen of zelfs om microdeeltjes te fabriceren. Nu dat we BioMEMs hebben geïntroduceerd, laten we eens kijken hoe ze typisch worden gemaakt.
Het meest gebruikte materiaal voor BioMEMs, vooral geïntegreerde schakelingen, is silicium. Siliciumwafels worden doorgaans gebruikt als substraatmateriaal waarop vormen en patronen worden gemaakt op of zelfs in het oppervlak worden geëtst. Polymeren worden ook vaak gebruikt omdat ze goedkoper zijn en soms gemakkelijker te manipuleren en voor te bereiden. Polymeren maken eenvoudige replicatie van complexe structuren mogelijk via spuitgieten, embossing of replicavormen. Ten slotte worden metalen geïntegreerd in BioMEMs om de verbeterde fabricage van micro-schalige circuitreeksen mogelijk te maken. Metalen zoals goud, zilver en chroom worden in lagen afgezet met behulp van elektroplating of verdamping. De meeste complexe microstructuren worden gemaakt met behulp van fotolithografie, een techniek die wordt gebruikt om een substraat te patternen met behulp van licht. Het substraat, meestal een siliciumwafel, wordt eerst bedekt met een UV-reactieve stof genaamd fotoresist. Het patroon wordt vervolgens van een masker naar het beklede substraat overgebracht met behulp van UV-licht. Na verschillende verwerkingsstappen wordt dit patroon permanent in het siliciumsubstraat geëtst, waardoor een driedimensionale structuur overblijft. Een andere techniek, vaak gebruikt in combinatie met fotolithografie, is zachte lithografie. Zachte lithografie is een techniek die polymeren gebruikt om 3D-structuren te repliceren. Het wordt zachte lithografie genoemd omdat elastomerische polymeren normaal gesproken worden gebruikt. De meest gebruikte elastomer voor dit doel is polydimethylsiloxaan of PDMS. PDMS is een op silicium gebaseerde elastomer die optisch helder, niet-toxisch en inert is. PDMS wordt rechtstreeks op de microstructuur gegoten, vervolgens ontgast en uitgehard. Deze techniek maakt de replicatie van complexe structuren mogelijk zonder dat er ingewikkelde of dure verwerkingsstappen nodig zijn.
Ondanks de goed gevestigde fabricagemethoden, zijn er uitdagingen verbonden aan het voorbereiden en gebruiken van BioMEM apparaten. Ten eerste gebruiken BioMEM apparaten sub-micrometer kenmerken die moeilijk te fabriceren zijn wanneer ze extreem complex zijn of meerdere lagen vereisen. Miniaturisatie introduceert ook fysieke uitdagingen die op grote schaal niet zouden worden ondervonden. Bijvoorbeeld, defecten in oppervlaktewrijving, kanaaldiameters of geassembleerde moleculen binnen het apparaat, worden door de kleine schaal versterkt en kunnen de apparaatfunctie veranderen. Een andere uitdaging is besmetting. BioMEM apparaten moeten in contact zijn met de omgeving, maar tegelijkertijd moeten ze ervan worden beschermd. Stof, ongewenste biomoleculen of andere deeltjes kunnen gemakkelijk de microschalige structuren besmetten en de apparaatfunctionaliteit verminderen of volledig vernietigen. Daarom wordt de fabricage van deze apparaten in een cleanroom geprefereerd om besmetting te minimaliseren. Deze geminiaturiseerde systemen worden soms gebruikt als proof of concept apparaten die uiteindelijk worden opgeschaald om de analyse van grote volumes of een analyt mogelijk te maken. Dit kan echter een aanzienlijke uitdaging zijn. Bijvoorbeeld, het opschalen van een microfluïdisch apparaat naar grotere afmetingen zal resulteren in significante veranderingen in het gedrag van vloeistofstroming en massaoverdracht. Als gevolg hiervan kan het gewenste resultaat niet worden gerepliceerd op grote schaal, waardoor de schaaluitbreiding wordt beperkt tot het gebruik van veel kleinere apparaten.
BioMEM apparaten worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen in bioanalytisch onderzoek. Bijvoorbeeld, microfluïdische apparaten kunnen worden ingezet als extreem kleine volume bioreactoren. In deze studie werd een pico-liter bioreactor gebruikt voor enkele celanalyse. Enkele cellen kwamen de kamer binnen en konden groeien en delen. Naarmate de algehele celdichtheid tijdens groei toenam, verlieten individuele cellen de reactor via kleine
Bio-micro-elektromechanische systemen, ook wel BioMEMs genoemd, zijn microscopische apparaten die het gebruik van kleine monsters en reagentia volumes…
Hoofdstukken in deze video
0:06
Overview
0:51
Types of BioMEM Devices
2:34
Prominent Materials and Methods
4:39
Key Challenges
6:15
Applications
8:08
Summary
Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.