Overzicht van BioMEM-apparaten
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…
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
Door het gebruik van lage monsters en reagentia volumes evenals parallelle verwerking, bespaart het miniaturiseren van analytische apparaten naar de microschaal zowel tijd als kosten. Deze kleine instrumenten worden Bio Micro-Elektro-Mechanische Apparaten ook bekend als BioMEMs genoemd. BioMEMs worden gebruikt als geminiaturiseerde diagnostische apparaten in vivo of in vitro en kunnen verschillende functies uitvoeren zoals bemonstering, filtratie reacties of detectie. Bovendien maken hun afmetingen verbeterde gevoeligheid en selectiviteit in analytische apparaten mogelijk. Deze video zal veelgebruikte BioMEMs apparaten die in onderzoek worden gebruikt, prominente fabricagemethoden en belangrijke uitdagingen in het veld introduceren.
BioMEM-apparaten worden doorgaans gemaakt met behulp van microfabricagetechnieken in een schone ruimte en hebben minstens één afmeting op micrometerschaal. Na fabricage wordt het apparaat geïntegreerd in grotere instrumenten. Veelvoorkomende BioMEM-apparaten zijn Micro-totaalanalysesystemen, 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 bevatten microschaalkanalen op een chip, die het mogelijk maken om scheidingen, reacties en metingen uit te voeren met kleine monstersvolumes. Vanwege de microschaalafmetingen gebruiken deze apparaten drukgestuurde stroom of capillaire actie om analyten of reagentia door de kanalen te transporteren. Omdat het systeem laminaire stroom gebruikt, is massaoverdracht en menging diffusie-gebaseerd. Dit wordt geprefereerd boven turbulente stroom, waarbij menging chaotisch en onregelmatig is. Bovendien maken de afmetingen een hoog oppervlakte-tot-volumeverhouding mogelijk in systemen die een oppervlaktegebonden katalysator of enzym gebruiken. Dit bevordert verbeterde interacties tussen analyten in de vloeistofstroom en servicegebonden componenten. Ten slotte is, vanwege hun kleine formaat, 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 voor het fabriceren van microdeeltjes. Nu dat we BioMEMs hebben geïntroduceerd, laten we eens kijken hoe ze doorgaans worden vervaardigd.
Het meest gebruikte materiaal voor BioMEMs, vooral geïntegreerde circuitapparaten, is silicium. Siliciumwafels worden doorgaans gebruikt als substraatmateriaal waar vormen en patronen op of zelfs in het oppervlak worden gecreëerd. Polymeren worden ook vaak gebruikt omdat ze goedkoper zijn en soms gemakkelijker te manipuleren en voor te bereiden. Polymeren maken de eenvoudige replicatie van complexe structuren mogelijk via spuitgieten, embossing of replica-gieten. Ten slotte worden metalen geïntegreerd in BioMEMs om de verbeterde fabricage van microschaalcircuits 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 fotolithographie, 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 substantie genaamd fotoresist. Het patroon wordt vervolgens overgebracht van een masker naar het gecoate substraat met behulp van UV-licht. Na verschillende verwerkingsstappen wordt dit patroon dan permanent in het siliciumsubstraat geëtst, waardoor een driedimensionale structuur overblijft. Een andere techniek, vaak gebruikt in combinatie met fotolithographie, is zachte lithographie. Zachte lithographie is een techniek die polymeren gebruikt om 3D-structuren te repliceren. Het wordt zachte lithographie genoemd omdat elastomerische polymeren normaal gesproken worden gebruikt. Het meest gebruikte elastomeer hiervoor is polydimethylsiloxaan of PDMS. PDMS is een op silicium gebaseerde elastomeer die optisch helder, niet-toxisch en inert is. PDMS wordt direct op de microstructuur gegoten, vervolgens ontgast en uitgehard. Deze techniek maakt de replicatie van complexe structuren mogelijk zonder de noodzaak van ingewikkelde of dure verwerkingsstappen.
Ondanks de goed gevestigde fabricagemethoden, zijn er uitdagingen verbonden aan het voorbereiden en gebruiken van BioMEM-apparaten. Ten eerste maken BioMEM-apparaten gebruik van sub-micrometer functies die moeilijk te fabriceren kunnen zijn wanneer ze extreem complex zijn of meerdere lagen vereisen. Miniaturisatie introduceert ook fysieke uitdagingen die op grotere schaal niet zouden worden aangetroffen. Bijvoorbeeld, defecten in oppervlakte-ruwheid, kanaaldiameters of samengestelde moleculen binnen het apparaat, worden versterkt vanwege de kleine schaal en kunnen de functie van het apparaat veranderen. Een andere uitdaging is besmetting. BioMEM-apparaten moeten in contact zijn met de omgeving, maar tegelijkertijd ervan beschermd moeten worden. Stof, ongewenste biomoleculen of andere deeltjes kunnen de microschaalstructuren gemakkelijk besmetten, waardoor de functionaliteit van het apparaat wordt verminderd of volledig wordt vernietigd. Daarom wordt de fabricage van deze apparaten in een schone ruimte 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 belangrijke uitdaging zijn. Bijvoorbeeld, het opschalen van een microfluïdisch apparaat naar grotere afmetingen zal resulteren in significante veranderingen in het gedrag van vloeistofstroom en massaoverdracht. Als gevolg hiervan kan het gewenste resultaat niet worden gerepliceerd op grotere schaal, waardoor de opschaling beperkt blijft 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 gebruikt als extreem kleine volume bioreactoren. In deze studie werd een pico-liter bio-reactor gebruikt voor eencellig onderzoek. Enkele cellen kwamen de kamer binnen en konden groeien en zich delen. Naarmate de algehele celdichtheid tijdens de groei toenam, verlieten individuele cellen de reactor via kleine kanalen, waardoor eencellig onderzoek mogelijk werd. Dit maakte de directe meting van groeisnelheid, morfologie en fenotypische heterogeniteit op het niveau van een enkele cel mogelijk. Microfluïdica wordt ook gebruikt om de snelle
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.
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