Visão geral dos dispositivos BioMEM
Sistemas biomicetroelemanecânicos, também chamados de BioMEMs, são dispositivos de microescala que permitem o uso de pequenos volumes de amostras e re…
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.
Através do uso de baixos volumes de amostra e reagente, bem como processamento paralelo, a miniaturização de dispositivos analíticos para a escala micro economiza tempo e custo. Esses minúsculos instrumentos são chamados de Dispositivos Biomicro-Eletromecânicos, 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 filtração ou detecção. Além disso, suas dimensões permitem maior sensibilidade e seletividade em dispositivos analíticos. Este vídeo apresentará dispositivos BioMEMs comuns usados em pesquisas, métodos de fabricação proeminentes e principais desafios no campo.
Os dispositivos BioMEM são normalmente feitos usando técnicas de microfabricação em uma sala limpa e têm pelo menos uma dimensão na escala micrométrica. Após a fabricação, o dispositivo é integrado a uma instrumentação maior. Os dispositivos BioMEM comuns são sistemas de análise micro-total, também chamados de Lab-on-a-chip. Esses sistemas executam toda ou parte de uma análise específica. Por exemplo, dispositivos microfluídicos são um dos tipos mais comuns de sistemas Lab-on-a-chip. Os dispositivos microfluídicos possuem canais em microescala em um chip, que permitem que separações, reações e medições sejam feitas com pequenos volumes de amostra. Devido às dimensões em microescala, esses dispositivos utilizam fluxo acionado por pressão ou ação capilar para transportar analitos ou reagentes através dos canais. Como o sistema usa fluxo laminar, a transferência de massa e a mistura são baseadas em difusão. Isso é preferível ao fluxo turbulento, onde a mistura é caótica e irregular. Além disso, as dimensões permitem uma alta relação superfície/volume em sistemas que utilizam um catalisador ou enzima ligado à superfície. Isso incentiva interações aprimoradas entre analitos no fluxo de fluido e componentes ligados ao serviço. Finalmente, devido ao seu pequeno tamanho, é possível uma transferência de calor rápida e uniforme. Isso permite melhor controle e uniformidade durante o aquecimento da amostra. Esses sistemas são, portanto, usados para uma ampla gama de aplicações de diagnóstico ou mesmo para fabricar micropartículas. Agora que introduzimos os BioMEMs, vamos dar uma olhada em como eles são normalmente fabricados.
O material mais comum usado para BioMEMs, especialmente dispositivos de circuito integrado, é o silício. As pastilhas de silício são normalmente usadas como material de substrato onde formas e padrões são criados em cima ou mesmo gravados na superfície. Os polímeros são frequentemente usados, além de serem mais baratos e às vezes mais fáceis de manipular e preparar. Os polímeros permitem a replicação simples de estruturas complexas por meio de moldagem por injeção, gravação em relevo ou moldagem de réplica. Finalmente, os metais são integrados aos BioMEMs para permitir a fabricação aprimorada de circuitos em microescala. Metais como ouro, prata e cromo são depositados em camadas usando galvanoplastia ou evaporação. A maioria das microestruturas complexas é fabricada usando fotolitografia, uma técnica usada para padronizar um substrato usando luz. O substrato, geralmente um wafer de silício, é primeiro revestido com uma substância reativa aos raios UV chamada fotorresistente. O padrão é então transferido de uma máscara para o substrato revestido usando luz UV. Após várias etapas de processamento, esse padrão é gravado permanentemente no substrato de silício, deixando uma estrutura tridimensional. Outra técnica, frequentemente usada em conjunto com a fotolitografia, é a litografia suave. A litografia suave é uma técnica que usa polímeros para replicar estruturas 3D. É chamada de litografia suave porque normalmente são usados polímeros elastoméricos. O elastômero mais comum usado para isso é o polidimetilsiloxano, ou PDMS. O PDMS é um elastômero à base de silício que é opticamente transparente, não tóxico e inerte. O PDMS é derramado diretamente na microestrutura, depois desgaseificado 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 uso de dispositivos BioMEM. Primeiro, os dispositivos BioMEM utilizam recursos submicrométricos que podem ser difíceis de fabricar quando são extremamente complexos ou requerem várias camadas. A miniaturização também apresenta desafios físicos que não seriam encontrados em grande escala. Por exemplo, defeitos na rugosidade da superfície, diâmetros de canal ou moléculas montadas dentro do dispositivo são amplificados devido à pequena escala e podem alterar a função do dispositivo. Outro desafio é a contaminação. Os dispositivos BioMEM devem estar em contato com o meio ambiente, mas devem ser protegidos dele ao mesmo tempo. Poeira, biomoléculas indesejadas ou outras partículas podem facilmente contaminar as estruturas em microescala, 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 dispositivos de prova de conceito que são eventualmente ampliados para acomodar a análise de grandes volumes ou um analito. No entanto, isso pode representar um desafio significativo. Por exemplo, dimensionar um dispositivo microfluídico para dimensões maiores resultará em mudanças significativas no fluxo de fluido e no comportamento de transferência de massa. Como resultado, o resultado desejado não pode ser replicado em grande escala, limitando assim a escala ao uso de muitos dispositivos menores.
Os dispositivos BioMEM são usados em uma ampla gama de aplicações em pesquisa bioanalítica. Por exemplo, dispositivos microfluídicos podem ser empregados como biorreatores de volume extremamente pequeno. Neste estudo, um biorreator de picolitro foi utilizado para análise de células únicas. Células individuais entraram na câmara e foram capazes de crescer e se dividir. À medida que a densidade celular geral aumentava durante o crescimento, as células individuais saíam do reator por meio de pequenos canais, permitindo a análise de uma única célula. Isso permitiu a medição direta da taxa de crescimento, morfologia e heterogeneidade fenotípica no nível de célula única. A microfluídica também é usada para permitir a separação rápida de biomoléculas e outros componentes em microescala. Neste exemplo, dispositivos microfluídicos ramificados foram usados para separar grânulos e células de tamanho semelhante. Grânulos e células fluíram para os canais e o dispositivo foi conectado a uma fonte elétrica para induzir um campo elétrico. Sem o campo elétrico aplicado, as contas fluíam por todos os canais. No entanto, uma vez que o campo foi ligado, as contas foram direcionadas apenas através de um. A mistura de grânulos e células pode então ser separada em diferentes canais usando esta técnica. Finalmente, os dispositivos BioMEM são frequentemente usados como bioeletrônica em miniatura. Neste exemplo, um transistor de efeito de campo, ou FET, foi feito em microescala. Os FETs usam um campo elétrico para controlar a condutividade elétrica do material semicondutor no dispositivo. Este FET foi funcionalizado com nanofios de silício e moléculas de sonda que são sensíveis a mudanças no ambiente. Em seguida, foi usado para detectar alvos biológicos, como DNA ou biomarcadores.
Você acabou de assistir à visão geral de Jove sobre os 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.
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.