Przegląd urządzeń BioMEM
Systemy biomikroelektromechaniczne, zwane również BioMEM, to urządzenia w mikroskali, które umożliwiają wykorzystanie małych objętości próbek i odczyn…
Dzięki zastosowaniu małych objętości próbek i odczynników, a także przetwarzaniu równoległemu, miniaturyzacja urządzeń analitycznych do skali mikro pozwala zaoszczędzić zarówno czas, jak i koszty. Te maleńkie instrumenty są określane jako bio-mikro-elektromechaniczne urządzenia, znane również jako bioMEM. BioMEM są używane jako zminiaturyzowane urządzenia diagnostyczne in vivo lub in vitro i mogą pełnić różne funkcje, takie jak pobieranie próbek, reakcje filtracji lub wykrywanie. Ponadto ich wymiary umożliwiają Poprawa czułości i selektywności w urządzeniach analitycznych. W tym filmie przedstawimy popularne urządzenia BioMEM używane w badaniach, wybitne metody wytwarzania i kluczowe wyzwania w tej dziedzinie.
Urządzenia BioMEM są zwykle wytwarzane przy użyciu technik mikrowytwarzania w czystym pomieszczeniu i mają co najmniej jeden wymiar w skali mikrometrycznej. Po wyprodukowaniu urządzenie jest integrowane z większym oprzyrządowaniem. Typowymi urządzeniami BioMEM są systemy analizy mikrocałkowitej, zwane również Lab-on-a-chip. Systemy te wykonują całość lub część określonej analizy. Na przykład urządzenia mikroprzepływowe są jednym z najczęstszych typów systemów Lab-on-a-chip. Urządzenia mikroprzepływowe posiadają mikroskalowe kanały na chipie, które umożliwiają separacje, reakcje i pomiary na małych objętościach próbek. Ze względu na wymiary w mikroskali, urządzenia te wykorzystują przepływ sterowany ciśnieniem lub działanie kapilarne do transportu analitów lub odczynników przez kanały. Ponieważ system wykorzystuje przepływ laminarny, przenoszenie masy i mieszanie odbywa się w oparciu o dyfuzję. Jest to preferowane w stosunku do przepływu turbulentnego, w którym mieszanie jest chaotyczne i nieregularne. Ponadto wymiary umożliwiają wysoki stosunek powierzchni do objętości w systemach wykorzystujących katalizator lub enzym związany z powierzchnią. Sprzyja to wzmocnionym interakcjom między analitami w strumieniu płynu a składnikami związanymi z usługą. Wreszcie, ze względu na ich niewielkie rozmiary, możliwa jest szybka i równomierna wymiana ciepła. Umożliwia to lepszą kontrolę i jednorodność podczas podgrzewania próbki. Systemy te są zatem wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań diagnostycznych, a nawet do wytwarzania mikrocząstek. Teraz, gdy wprowadziliśmy BioMEMy, przyjrzyjmy się, jak są one zazwyczaj wytwarzane.
Najczęstszym materiałem używanym do produkcji bioMEM-ów, zwłaszcza układów scalonych, jest krzem. Wafle krzemowe są zwykle używane jako materiał podłoża, w którym kształty i wzory są tworzone na powierzchni lub nawet wytrawiane w niej. Często stosuje się polimery, które są tańsze, a czasem łatwiejsze w obsłudze i przygotowaniu. Polimery umożliwiają proste odwzorowywanie złożonych struktur poprzez formowanie wtryskowe, wytłaczanie lub formowanie replik. Wreszcie, metale są integrowane z bioMEM-ami, aby umożliwić lepsze wytwarzanie obwodów w mikroskali. Metale takie jak złoto, srebro i chrom są osadzane warstwami za pomocą galwanizacji lub odparowywania. Większość złożonych mikrostruktur jest wytwarzana przy użyciu fotolitografii, techniki używanej do modelowania podłoża za pomocą światła. Podłoże, zwykle płytka krzemowa, jest najpierw pokrywane substancją reagującą na promieniowanie UV zwaną fotorezystem. Wzór jest następnie przenoszony z maski na powlekane podłoże za pomocą światła UV. Po różnych etapach przetwarzania wzór ten jest następnie trwale wytrawiany w podłożu krzemowym, pozostawiając trójwymiarową strukturę. Inną techniką, często stosowaną w połączeniu z fotolitografią, jest litografia miękka. Miękka litografia to technika wykorzystująca polimery do replikowania struktur 3D. Nazywa się to miękką litografią, ponieważ zwykle stosuje się polimery elastomerowe. Najczęściej stosowanym do tego celu elastomerem jest polidimetylosiloksan lub PDMS. PDMS to elastomer na bazie krzemu, który jest optycznie przezroczysty, nietoksyczny, obojętny. PDMS wylewa się bezpośrednio na mikrostrukturę, a następnie odgazowuje i utwardza. Technika ta umożliwia replikację złożonych struktur bez konieczności stosowania skomplikowanych lub kosztownych etapów przetwarzania.
Pomimo dobrze ugruntowanych metod wytwarzania, istnieją wyzwania związane z przygotowaniem i użytkowaniem urządzeń BioMEM. Po pierwsze, urządzenia BioMEM wykorzystują funkcje submikrometryczne, które mogą być trudne do wytworzenia, gdy są niezwykle złożone lub wymagają wielu warstw. Miniaturyzacja wprowadza również wyzwania fizyczne, z którymi nie spotkano by się na dużą skalę. Na przykład defekty w chropowatości powierzchni, średnicach kanałów lub cząsteczkach zmontowanych w urządzeniu są wzmacniane ze względu na małą skalę i mogą zmieniać działanie urządzenia. Kolejnym wyzwaniem jest zanieczyszczenie. Urządzenia BioMEM muszą mieć kontakt ze środowiskiem, a jednocześnie muszą być przed nim chronione. Kurz, niechciane biomolekuły lub inne cząstki mogą łatwo zanieczyścić struktury w mikroskali, zmniejszając lub całkowicie niszcząc funkcjonalność urządzenia. Dlatego preferowane jest wytwarzanie tych urządzeń w oczyszczonym pomieszczeniu w celu zminimalizowania zanieczyszczenia. Te zminiaturyzowane systemy są czasami używane jako urządzenia sprawdzające słuszność koncepcji, które ostatecznie są skalowane w celu dostosowania do analizy dużych objętości lub analitu. Może to jednak stanowić poważne wyzwanie. Na przykład skalowanie urządzenia mikroprzepływowego do większych rozmiarów spowoduje znaczące zmiany w przepływie płynu i zachowaniu przenoszenia masy. W rezultacie, pożądany wynik nie może być powielany na dużą skalę, co ogranicza skalowanie do użycia wielu mniejszych urządzeń.
Urządzenia BioMEM znajdują szerokie zastosowanie w badaniach bioanalitycznych. Na przykład urządzenia mikroprzepływowe mogą być stosowane jako bioreaktory o bardzo małej objętości. W tym badaniu do analizy pojedynczych komórek wykorzystano pikolitrowy bioreaktor. Pojedyncze komórki wchodziły do komory i były w stanie rosnąć i dzielić się. Ponieważ ogólna gęstość komórek wzrastała podczas wzrostu, poszczególne komórki wychodziły z reaktora małymi kanałami, umożliwiając analizę pojedynczych komórek. Pozwoliło to na bezpośredni pomiar tempa wzrostu, morfologii i niejednorodności fenotypowej na poziomie pojedynczej komórki. Mikrofluidyka jest również wykorzystywana do szybkiego rozdzielania biomolekuł i innych składników w mikroskali. W tym przykładzie rozgałęzione urządzenia mikroprzepływowe zostały użyte do oddzielenia koralików i komórek o podobnej wielkości. Koraliki i komórki zostały wpłynęte do kanałów, a następnie urządzenie podłączono do źródła elektrycznego w celu wywołania pola elektrycznego. Bez przyłożonego pola elektrycznego koraliki przepływały przez wszystkie kanały. Jednak po włączeniu pola koraliki były kierowane tylko przez jeden. Za pomocą tej techniki mieszaninę koralików i komórek można następnie rozdzielić na różne kanały. Wreszcie, urządzenia BioMEM są często używane jako miniaturowa bioelektronika. W tym przykładzie tranzystor polowy lub tranzystor FET został wykonany w mikroskali. Tranzystory FET wykorzystują pole elektryczne do kontrolowania przewodności elektrycznej materiału półprzewodnikowego w urządzeniu. Ten FET został sfunkcjonalizowany za pomocą nanodrutów krzemowych i cząsteczek sondy, które są wrażliwe na zmiany w środowisku. Następnie wykorzystano go do wykrywania celów biologicznych, takich jak DNA lub biomarkery.
Właśnie obejrzałeś przegląd BioMEM-ów autorstwa Jowisza. Powinieneś teraz zrozumieć, czym są bioMEMy, jakie są popularne techniki ich wytwarzania, jakie są ich wyzwania i jak są wykorzystywane w dziedzinie bioinżynierii. Dzięki za oglądanie.
Dzięki zastosowaniu małych objętości próbek i odczynników, a także przetwarzaniu równoległemu, miniaturyzacja urządzeń analitycznych do skali mikro pozwala zaoszczędzić zarówno czas, jak i koszty. Te maleńkie instrumenty są określane jako bio-mikro-elektromechaniczne urządzenia, znane również jako bioMEM. BioMEM są używane jako zminiaturyzowane urządzenia diagnostyczne in vivo lub in vitro i mogą pełnić różne funkcje, takie jak pobieranie próbek, reakcje filtracji lub wykrywanie. Ponadto ich wymiary umożliwiają Poprawa czułości i selektywności w urządzeniach analitycznych. W tym filmie przedstawimy popularne urządzenia BioMEM używane w badaniach, wybitne metody wytwarzania i kluczowe wyzwania w tej dziedzinie.
Urządzenia BioMEM są zazwyczaj wytwarzane przy użyciu technik mikrofabrykacji w czystym pomieszczeniu i mają co najmniej jeden wymiar w skali mikrometrycznej. Po wyprodukowaniu urządzenie jest integrowane z większym oprzyrządowaniem. Typowymi urządzeniami BioMEM są systemy analizy mikrocałkowitej, zwane również Lab-on-a-chip. Systemy te wykonują całość lub część określonej analizy. Na przykład urządzenia mikroprzepływowe są jednym z najczęstszych typów systemów Lab-on-a-chip. Urządzenia mikroprzepływowe posiadają mikroskalowe kanały na chipie, które umożliwiają separacje, reakcje i pomiary na małych objętościach próbek. Ze względu na wymiary w mikroskali, urządzenia te wykorzystują przepływ sterowany ciśnieniem lub działanie kapilarne do transportu analitów lub odczynników przez kanały. Ponieważ system wykorzystuje przepływ laminarny, przenoszenie masy i mieszanie odbywa się w oparciu o dyfuzję. Jest to preferowane w stosunku do przepływu turbulentnego, w którym mieszanie jest chaotyczne i nieregularne. Ponadto wymiary umożliwiają wysoki stosunek powierzchni do objętości w systemach wykorzystujących katalizator lub enzym związany z powierzchnią. Sprzyja to wzmocnionym interakcjom między analitami w strumieniu płynu a składnikami związanymi z usługą. Wreszcie, ze względu na ich niewielkie rozmiary, możliwa jest szybka i równomierna wymiana ciepła. Umożliwia to lepszą kontrolę i jednorodność podczas podgrzewania próbki. Systemy te są zatem wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań diagnostycznych, a nawet do wytwarzania mikrocząstek. Teraz, gdy wprowadziliśmy BioMEMy, przyjrzyjmy się, jak są one zazwyczaj wytwarzane.
Najczęstszym materiałem używanym do produkcji bioMEM-ów, zwłaszcza układów scalonych, jest krzem. Wafle krzemowe są zwykle używane jako materiał podłoża, w którym kształty i wzory są tworzone na powierzchni lub nawet wytrawiane w niej. Często stosuje się polimery, które są tańsze, a czasem łatwiejsze w obsłudze i przygotowaniu. Polimery umożliwiają proste odwzorowywanie złożonych struktur poprzez formowanie wtryskowe, wytłaczanie lub formowanie replik. Wreszcie, metale są integrowane z bioMEM-ami, aby umożliwić lepsze wytwarzanie obwodów w mikroskali. Metale takie jak złoto, srebro i chrom są osadzane warstwami za pomocą galwanizacji lub odparowywania. Większość złożonych mikrostruktur jest wytwarzana przy użyciu fotolitografii, techniki używanej do modelowania podłoża za pomocą światła. Podłoże, zwykle płytka krzemowa, jest najpierw pokrywane substancją reagującą na promieniowanie UV zwaną fotorezystem. Wzór jest następnie przenoszony z maski na powlekane podłoże za pomocą światła UV. Po różnych etapach przetwarzania wzór ten jest następnie trwale wytrawiany w podłożu krzemowym, pozostawiając trójwymiarową strukturę. Inną techniką, często stosowaną w połączeniu z fotolitografią, jest litografia miękka. Miękka litografia to technika wykorzystująca polimery do replikowania struktur 3D. Nazywa się to miękką litografią, ponieważ zwykle stosuje się polimery elastomerowe. Najczęściej stosowanym do tego celu elastomerem jest polidimetylosiloksan lub PDMS. PDMS to elastomer na bazie krzemu, który jest optycznie przezroczysty, nietoksyczny, obojętny. PDMS wylewa się bezpośrednio na mikrostrukturę, a następnie odgazowuje i utwardza. Technika ta umożliwia replikację złożonych struktur bez konieczności stosowania skomplikowanych lub kosztownych etapów przetwarzania.
Pomimo dobrze ugruntowanych metod wytwarzania, istnieją wyzwania związane z przygotowaniem i użytkowaniem urządzeń BioMEM. Po pierwsze, urządzenia BioMEM wykorzystują funkcje submikrometryczne, które mogą być trudne do wyprodukowania, gdy są niezwykle złożone lub wymagają wielu warstw. Miniaturyzacja wprowadza również wyzwania fizyczne, z którymi nie spotkano by się na dużą skalę. Na przykład defekty w chropowatości powierzchni, średnicach kanałów lub cząsteczkach zmontowanych w urządzeniu są wzmacniane ze względu na małą skalę i mogą zmieniać działanie urządzenia. Kolejnym wyzwaniem jest zanieczyszczenie. Urządzenia BioMEM muszą mieć kontakt ze środowiskiem, a jednocześnie muszą być przed nim chronione. Kurz, niechciane biomolekuły lub inne cząstki mogą łatwo zanieczyścić struktury w mikroskali, zmniejszając lub całkowicie niszcząc funkcjonalność urządzenia. Dlatego preferowane jest wytwarzanie tych urządzeń w oczyszczonym pomieszczeniu w celu zminimalizowania zanieczyszczenia. Te zminiaturyzowane systemy są czasami używane jako urządzenia sprawdzające słuszność koncepcji, które ostatecznie są skalowane w celu dostosowania do analizy dużych objętości lub analitu. Może to jednak stanowić poważne wyzwanie. Na przykład skalowanie urządzenia mikroprzepływowego do większych rozmiarów spowoduje znaczące zmiany w przepływie płynu i zachowaniu przenoszenia masy. W rezultacie, pożądany wynik nie może być powielany na dużą skalę, co ogranicza skalowanie do użycia wielu mniejszych urządzeń.
Urządzenia BioMEM znajdują szerokie zastosowanie w badaniach bioanalitycznych. Na przykład urządzenia mikroprzepływowe mogą być stosowane jako bioreaktory o bardzo małej objętości. W tym badaniu do analizy pojedynczych komórek wykorzystano pikolitrowy bioreaktor. Pojedyncze komórki wchodziły do komory i były w stanie rosnąć i dzielić się. Ponieważ ogólna gęstość komórek wzrastała podczas wzrostu, poszczególne komórki wychodziły z reaktora małymi kanałami, umożliwiając analizę pojedynczych komórek. Pozwoliło to na bezpośredni pomiar tempa wzrostu, morfologii i niejednorodności fenotypowej na poziomie pojedynczej komórki. Mikrofluidyka jest również wykorzystywana do szybkiego rozdzielania biomolekuł i innych składników w mikroskali. W tym przykładzie rozgałęzione urządzenia mikroprzepływowe zostały użyte do oddzielenia koralików i komórek o podobnej wielkości. Koraliki i komórki zostały wpłynęte do kanałów, a następnie urządzenie podłączono do źródła elektrycznego w celu wywołania pola elektrycznego. Bez przyłożonego pola elektrycznego koraliki przepływały przez wszystkie kanały. Jednak po włączeniu pola koraliki były kierowane tylko przez jeden. Za pomocą tej techniki mieszaninę koralików i komórek można następnie rozdzielić na różne kanały. Wreszcie, urządzenia BioMEM są często używane jako miniaturowa bioelektronika. W tym przykładzie tranzystor polowy lub tranzystor FET został wykonany w mikroskali. Tranzystory FET wykorzystują pole elektryczne do kontrolowania przewodności elektrycznej materiału półprzewodnikowego w urządzeniu. Ten FET został sfunkcjonalizowany za pomocą nanodrutów krzemowych i cząsteczek sondy, które są wrażliwe na zmiany w środowisku. Następnie wykorzystano go do wykrywania celów biologicznych, takich jak DNA lub biomarkery.
Właśnie obejrzałeś przegląd BioMEM-ów autorstwa Jowisza. Powinieneś teraz zrozumieć, czym są bioMEMy, jakie są popularne techniki ich wytwarzania, jakie są ich wyzwania i jak są wykorzystywane w dziedzinie bioinżynierii. Dzięki za oglądanie.
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.