Visão geral dos dispositivos BioMEM

Através do uso de baixos volumes de amostra e reagente, bem como processamento paralelo, miniaturizar dispositivos analíticos para a micro escala economiza tempo e custo. Estes pequenos instrumentos são chamados de Dispositivos Bio Micro-Eletro-Mecânicos também conhecidos como BioMEMs. Os BioMEMs são usados como dispositivos de diagnóstico miniaturizados in vivo ou in vitro e podem executar várias funções como amostragem, reações de filtragem ou detecção. Além disso, suas dimensões permitem maior sensibilidade e seletividade em dispositivos analíticos. Este vídeo introduzirá dispositivos BioMEMs comuns usados em pesquisas, métodos de fabricação proeminentes e desafios fundamentais no campo.

Os dispositivos BioMEM são tipicamente feitos usando técnicas de microfabização em uma sala limpa e têm pelo menos uma dimensão na escala de micrômetros. Após a fabricação, o dispositivo é integrado a uma instrumentação maior. Os dispositivos BioMEM comuns são sistemas de análise micro-total, também chamados lab-on-a-chip. Esses sistemas realizam toda ou parte de uma análise específica. Por exemplo, dispositivos microfluidos são um dos tipos mais comuns de sistemas Lab-on-a-chip. Dispositivos microfluidos possuem canais de microescala em um chip, que permitem que separações, reações e medições sejam feitas com pequenos volumes de amostra. Devido às dimensões de microescala, esses dispositivos utilizam fluxo orientado por pressão ou ação capilar para transportar analitos ou reagentes através dos canais. Uma vez que o sistema usa fluxo laminar, a transferência e a mistura em massa são baseadas em difusão. Isso é preferido em vez de fluxo turbulento, onde a mistura é caótica e irregular. Além disso, as dimensões permitem uma alta relação superfície/volume em sistemas utilizando um catalisador ou enzima ligada à superfície. Isso incentiva interações aprimoradas entre analitos no fluxo de fluidos e componentes ligados ao serviço. Finalmente, devido ao seu pequeno tamanho, a transferência de calor rápida e uniforme é possível. Isso permite um melhor controle e uniformidade durante o aquecimento da amostra. Esses sistemas são, portanto, usados para uma ampla gama de aplicações diagnósticas ou mesmo para fabricar micropartículas. Agora que introduzimos bioMEMs, vamos dar uma olhada em como eles são tipicamente fabricados.

O material mais comum usado para BioMEMs, especialmente dispositivos de circuito integrados, é o silício. Wafers de silício são típicos usados como material de substrato onde formas e padrões são criados em cima ou mesmo gravados na superfície. Polímeros são frequentemente usados, assim como são menos caros e às vezes mais fáceis de manipular e preparar. Os polímeros permitem a simples replicação de estruturas complexas através de moldagem por injeção, relevo ou moldagem de réplicas. Finalmente, os metais são integrados aos BioMEMs para permitir a melhor fabricação de circuitos de microescamia. Metais como ouro, prata e cromo são depositados em camadas usando eletroplacar ou evaporação. A maioria das microestruturas complexas são fabricadas usando fotolitografia, uma técnica usada para padronizar um substrato usando luz. O substrato, geralmente um wafer de silício, é primeiro revestido com uma substância UV-reativa chamada fotoresist. O padrão é então transferido de uma máscara para o substrato revestido usando luz UV. Após várias etapas de processamento, este padrão é então permanentemente gravado no substrato de silício deixando uma estrutura tridimensional. Outra técnica, frequentemente usada em conjunto com a fotolitografia, é a litografia macia. A litografia macia é uma técnica que usa polímeros para replicar estruturas 3D. Chama-se litografia macia porque polímeros elastoméricos são normalmente usados. O elastômero mais comum usado para isso é poliditilsiloxano, ou PDMS. PDMS é um elastômero à base de silício que é opticamente claro, não tóxico, inerte. PDMS é derramado diretamente na microestrusa, depois desconssuto e curado. Essa técnica permite a replicação de estruturas complexas sem a necessidade de etapas de processamento complicadas ou caras.

Apesar dos métodos de fabricação bem estabelecidos, existem desafios associados à preparação e utilização de dispositivos BioMEM. Primeiro, os dispositivos BioMEM utilizam recursos de subquímetros que podem ser difíceis de fabricar quando são extremamente complexos ou requerem múltiplas camadas. A miniaturização também introduz desafios físicos que não seriam encontrados em grande escala. Por exemplo, defeitos na rugosidade superficial, diâmetros do canal ou moléculas montadas dentro do dispositivo, são amplificados devido à pequena escala, e podem mudar a função do dispositivo. Outro desafio é a contaminação. Os dispositivos BioMEM devem estar em contato com o ambiente, mas devem ser protegidos dele ao mesmo tempo. Poeira, biomoléculas indesejadas ou outras partículas podem facilmente contaminar as estruturas de microescamias diminuindo ou destruindo completamente a funcionalidade do dispositivo. Assim, a fabricação desses dispositivos em uma sala limpa é preferida para minimizar a contaminação. Esses sistemas miniaturizados às vezes são usados como prova de dispositivos conceituais que são eventualmente dimensionados para acomodar a análise de grandes volumes ou um analito. No entanto, isso pode apresentar um desafio significativo. Por exemplo, a escalação de um dispositivo microfluido para dimensões maiores resultará em mudanças significativas no fluxo de fluidos e no comportamento de transferência de massa. Como resultado, o resultado desejado não pode ser replicado em grande escala limitando assim a escala até o uso de muitos dispositivos menores.

Os dispositivos BioMEM são usados em uma ampla gama de aplicações em pesquisas bioanalíticas. Por exemplo, dispositivos microfluidos podem ser empregados como bioreatores de volume extremamente pequeno. Neste estudo foi utilizado um bio-reator de pico-litro para análise de células únicas. Células únicas entraram na câmara e foram capazes de crescer e dividir. À medida que a densidade celular global aumentava durante o crescimento, células individuais saíram do reator através de pequenos canais, permitindo a análise de células únicas. Isso permitiu a medição direta da taxa de crescimento, morfologia e heterogeneidade fenotípica no nível celular único. Microfluidos também são usados para permitir a rápida separação de biomoléculas e outros componentes de microescala. Neste exemplo, dispositivos microfluidos ramificados foram usados para separar contas e células de tamanho semelhante. Contas e células foram fluídas para os canais e o dispositivo então conectado a uma fonte elétrica para induzir um campo elétrico. Sem o campo elétrico aplicado, as contas fluíram por todos os canais. No entanto, uma vez que o campo foi ligado, as contas foram direcionadas apenas através de um. A mistura de contas e células poderia então ser separada em diferentes canais usando essa técnica. Finalmente, os dispositivos BioMEM são frequentemente usados como bioeletrônica em miniatura. Neste exemplo, foi feito um transistor de efeito de campo, ou FET, na microescala. Os FETs utilizam um campo elétrico para controlar a condutividade elétrica do material semicondutor no dispositivo. Este FET foi funcionalizado com nano-fios de silício e moléculas de sonda que são sensíveis a mudanças no ambiente. Foi então usado para sentir alvos biológicos, como DNA ou biomarcadores.

Você acabou de ver a visão geral de Jove sobre BioMEMs. Agora você deve entender o que são BioMEMs, algumas técnicas comuns usadas para fabricá-los, seus desafios e como eles são usados no campo da bioengenharia. Obrigado por assistir.