Обзор устройств BioMEM
Биомикроэлектромеханические системы, также называемые биоМЭМ, представляют собой микромасштабные устройства, которые позволяют использовать небольшие…
Благодаря использованию небольших объемов образцов и реагентов, а также параллельной обработке, миниатюризация аналитических устройств до микромасштаба экономит время и деньги. Эти крошечные инструменты называются био-микро-электромеханическими устройствами, также известными как био-МЕМ. БиоМЭМ используются в качестве миниатюрных диагностических устройств in vivo или in vitro и могут выполнять различные функции, такие как отбор проб, реакции фильтрации или обнаружение. Кроме того, их размеры позволяют повысить чувствительность и селективность в аналитических приборах. В этом видео будут представлены распространенные устройства BioMEM, используемые в исследованиях, известные методы изготовления и ключевые проблемы в этой области.
Устройства BioMEM обычно изготавливаются с использованием методов микропроизводства в чистом помещении и имеют по крайней мере одно измерение в микрометровом масштабе. После изготовления устройство интегрируется в более крупные контрольно-измерительные приборы. Распространенные устройства BioMEM представляют собой системы микрототального анализа, также называемые лабораторией на чипе. Эти системы выполняют весь или часть конкретного анализа. Например, микрофлюидные устройства являются одним из самых распространенных типов систем Lab-on-a-chip. Микрофлюидные устройства имеют микромасштабные каналы на чипе, которые позволяют проводить разделение, реакции и измерения с небольшими объемами образцов. Из-за микроразмеров эти устройства используют поток под давлением или капиллярное действие для транспортировки аналитов или реагентов по каналам. Поскольку в системе используется ламинарный поток, массоперенос и смешивание основаны на диффузии. Этот вариант предпочтительнее турбулентного потока, в котором перемешивание происходит хаотично и неравномерно. Кроме того, размеры обеспечивают высокое отношение поверхности к объему в системах, использующих поверхностный катализатор или фермент. Это способствует улучшению взаимодействия между аналитами в потоке жидкости и компонентами, связанными с обслуживанием. Наконец, благодаря их небольшим размерам возможна быстрая и равномерная теплопередача. Это обеспечивает улучшенный контроль и равномерность при нагреве образца. Таким образом, эти системы используются для широкого спектра диагностических задач или даже для изготовления микрочастиц. Теперь, когда мы представили биоMEM, давайте посмотрим, как они обычно изготавливаются.
Наиболее распространенным материалом, используемым для биоМЭМ, особенно для устройств на интегральных схемах, является кремний. Силиконовые пластины обычно используются в качестве материала подложки, где формы и узоры создаются поверх или даже вытравливаются на поверхности. Часто используются полимеры, так как они дешевле и иногда проще в обращении и приготовлении. Полимеры позволяют легко воспроизводить сложные структуры с помощью литья под давлением, тиснения или литья копий. Наконец, металлы интегрируются в биоMEM, что позволяет улучшить производство микросхем. Такие металлы, как золото, серебро и хром, наносятся слоями с помощью гальванического покрытия или выпаривания. Большинство сложных микроструктур изготавливаются с помощью фотолитографии — метода, используемого для моделирования подложки с помощью света. Подложка, обычно кремниевая пластина, сначала покрывается УФ-активным веществом, называемым фоторезистом. Затем рисунок переносится с маски на покрытую подложку с помощью ультрафиолетового света. После различных этапов обработки этот узор затем навсегда вытравливается на кремниевой подложке, оставляя трехмерную структуру. Еще одним методом, часто используемым в сочетании с фотолитографией, является мягкая литография. Мягкая литография — это метод, при котором полимеры используются для воспроизведения 3D-структур. Это называется мягкой литографией, потому что обычно используются эластомерные полимеры. Наиболее распространенным эластомером, используемым для этого, является полидиметилсилоксан, или PDMS. PDMS представляет собой эластомер на основе кремния, который является оптически прозрачным, нетоксичным, инертным. PDMS заливается непосредственно на микроструктуру, затем дегазируется и отверждается. Этот метод позволяет воспроизводить сложные структуры без необходимости сложных или дорогостоящих этапов обработки.
Несмотря на хорошо зарекомендовавшие себя методы изготовления, существуют проблемы, связанные с подготовкой и использованием устройств BioMEM. Во-первых, в устройствах BioMEM используются субмикронные элементы, которые может быть трудно изготовить, когда они чрезвычайно сложны или требуют нескольких слоев. Миниатюризация также создает физические проблемы, с которыми не пришлось бы столкнуться в больших масштабах. Например, дефекты шероховатости поверхности, диаметра каналов или собранных молекул внутри устройства усиливаются из-за малого масштаба и могут изменить функцию устройства. Еще одна проблема – загрязнение. Устройства BioMEM должны находиться в контакте с окружающей средой, но в то же время должны быть защищены от нее. Пыль, нежелательные биомолекулы или другие частицы могут легко загрязнить микромасштабные структуры, снижая или полностью разрушая функциональность устройства. Таким образом, изготовление этих устройств в очищенном помещении является предпочтительным с целью минимизации загрязнения. Эти миниатюрные системы иногда используются в качестве устройств для проверки концепции, которые в конечном итоге масштабируются для анализа больших объемов или аналита. Однако это может представлять собой серьезную проблему. Например, масштабирование микрофлюидного устройства до больших размеров приведет к значительным изменениям в потоке жидкости и поведении массообмена. В результате, желаемый результат не может быть воспроизведен в больших масштабах, что ограничивает масштабирование до использования множества небольших устройств.
Устройства BioMEM используются в широком спектре приложений в биоаналитических исследованиях. Например, микрофлюидные устройства могут быть использованы в качестве биореакторов чрезвычайно малого объема. В этом исследовании для анализа одиночных клеток был использован пиколитровый биореактор. Одиночные клетки попадали в камеру и могли расти и делиться. По мере того, как общая плотность клеток увеличивалась во время роста, отдельные клетки выходили из реактора через небольшие каналы, что позволяло проводить анализ отдельных клеток. Это позволило напрямую измерить скорость роста, морфологию и фенотипическую гетерогенность на уровне отдельных клеток. Микрофлюидика также используется для обеспечения быстрого разделения биомолекул и других микрокомпонентов. В этом примере разветвленные микрофлюидные устройства были использованы для разделения шариков и клеток одинакового размера. Шарики и ячейки подавались в каналы, а затем устройство подключалось к источнику электричества для индуцирования электрического поля. Без приложенного электрического поля бусины текли по всем каналам. Однако, как только поле было включено, бусины направлялись только через одно. Смесь бусин и клеток затем может быть разделена на различные каналы с помощью этой техники. Наконец, устройства BioMEM часто используются в качестве миниатюрной биоэлектроники. В этом примере полевой транзистор, или FET, был изготовлен на микроуровне. Полевые транзисторы используют электрическое поле для управления электропроводностью полупроводникового материала в устройстве. Этот полевой транзистор был функционализирован кремниевыми нанопроволоками и молекулами зонда, которые чувствительны к изменениям окружающей среды. Затем он был использован для обнаружения биологических мишеней, таких как ДНК или биомаркеры.
Вы только что посмотрели обзор BioMEM от Jove. Теперь вы должны понять, что такое биоMEM, некоторые распространенные методы, используемые для их изготовления, их проблемы и как они используются в области биоинженерии. Спасибо за просмотр.
Благодаря использованию небольших объемов образцов и реагентов, а также параллельной обработке, миниатюризация аналитических устройств до микромасштаба экономит время и деньги. Эти крошечные инструменты называются био-микро-электромеханическими устройствами, также известными как био-МЕМ. БиоМЭМ используются в качестве миниатюрных диагностических устройств in vivo или in vitro и могут выполнять различные функции, такие как отбор проб, реакции фильтрации или обнаружение. Кроме того, их размеры позволяют повысить чувствительность и селективность в аналитических приборах. В этом видео будут представлены распространенные устройства BioMEM, используемые в исследованиях, известные методы изготовления и ключевые проблемы в этой области.
Устройства BioMEM, как правило, изготавливаются с использованием методов микропроизводства в чистом помещении и имеют по крайней мере одно измерение в микрометровом масштабе. После изготовления устройство интегрируется в более крупные контрольно-измерительные приборы. Распространенные устройства BioMEM представляют собой системы микрототального анализа, также называемые лабораторией на чипе. Эти системы выполняют весь или часть конкретного анализа. Например, микрофлюидные устройства являются одним из самых распространенных типов систем Lab-on-a-chip. Микрофлюидные устройства имеют микромасштабные каналы на чипе, которые позволяют проводить разделение, реакции и измерения с небольшими объемами образцов. Из-за микроразмеров эти устройства используют поток, управляемый давлением, или капиллярное действие для транспортировки аналитов или реагентов по каналам. Поскольку в системе используется ламинарный поток, массоперенос и смешивание основаны на диффузии. Этот вариант предпочтительнее турбулентного потока, в котором перемешивание происходит хаотично и неравномерно. Кроме того, размеры обеспечивают высокое отношение поверхности к объему в системах, использующих поверхностный катализатор или фермент. Это способствует улучшению взаимодействия между аналитами в потоке жидкости и компонентами, связанными с обслуживанием. Наконец, благодаря их небольшим размерам возможна быстрая и равномерная теплопередача. Это обеспечивает улучшенный контроль и равномерность при нагреве образца. Таким образом, эти системы используются для широкого спектра диагностических задач или даже для изготовления микрочастиц. Теперь, когда мы представили биоMEM, давайте посмотрим, как они обычно изготавливаются.
Наиболее распространенным материалом, используемым для биоМЭМ, особенно для устройств на интегральных схемах, является кремний. Силиконовые пластины обычно используются в качестве материала подложки, где формы и узоры создаются поверх или даже вытравливаются на поверхности. Часто используются полимеры, так как они дешевле и иногда проще в обращении и приготовлении. Полимеры позволяют легко воспроизводить сложные структуры с помощью литья под давлением, тиснения или литья копий. Наконец, металлы интегрируются в биоMEM, что позволяет улучшить производство микросхем. Такие металлы, как золото, серебро и хром, наносятся слоями с помощью гальванического покрытия или выпаривания. Большинство сложных микроструктур изготавливаются с помощью фотолитографии — метода, используемого для моделирования подложки с помощью света. Подложка, обычно кремниевая пластина, сначала покрывается УФ-активным веществом, называемым фоторезистом. Затем рисунок переносится с маски на покрытую подложку с помощью ультрафиолетового света. После различных этапов обработки этот узор затем навсегда вытравливается на кремниевой подложке, оставляя трехмерную структуру. Еще одним методом, часто используемым в сочетании с фотолитографией, является мягкая литография. Мягкая литография — это метод, при котором полимеры используются для воспроизведения 3D-структур. Это называется мягкой литографией, потому что обычно используются эластомерные полимеры. Наиболее распространенным эластомером, используемым для этого, является полидиметилсилоксан, или PDMS. PDMS представляет собой эластомер на основе кремния, который является оптически прозрачным, нетоксичным, инертным. PDMS заливается непосредственно на микроструктуру, затем дегазируется и отверждается. Этот метод позволяет воспроизводить сложные структуры без необходимости сложных или дорогостоящих этапов обработки.
Несмотря на хорошо зарекомендовавшие себя методы изготовления, существуют проблемы, связанные с подготовкой и использованием устройств BioMEM. Во-первых, в устройствах BioMEM используются субмикронные функции, которые может быть трудно изготовить, когда они чрезвычайно сложны или требуют нескольких слоев. Миниатюризация также создает физические проблемы, с которыми не пришлось бы столкнуться в больших масштабах. Например, дефекты шероховатости поверхности, диаметра каналов или собранных молекул внутри устройства усиливаются из-за малого масштаба и могут изменить функцию устройства. Еще одна проблема – загрязнение. БиоMEM-устройства должны находиться в контакте с окружающей средой, но в то же время должны быть защищены от нее. Пыль, нежелательные биомолекулы или другие частицы могут легко загрязнить микромасштабные структуры, снижая или полностью разрушая функциональность устройства. Таким образом, изготовление этих устройств в очищенном помещении является предпочтительным с целью минимизации загрязнения. Эти миниатюрные системы иногда используются в качестве устройств для проверки концепции, которые в конечном итоге масштабируются для анализа больших объемов или аналита. Однако это может представлять собой серьезную проблему. Например, масштабирование микрофлюидного устройства до больших размеров приведет к значительным изменениям в потоке жидкости и поведении массообмена. В результате, желаемый результат не может быть воспроизведен в больших масштабах, что ограничивает масштабирование до использования множества небольших устройств.
Устройства BioMEM используются в широком спектре приложений в биоаналитических исследованиях. Например, микрофлюидные устройства могут быть использованы в качестве биореакторов чрезвычайно малого объема. В этом исследовании для анализа одиночных клеток был использован пиколитровый биореактор. Одиночные клетки попадали в камеру и могли расти и делиться. По мере того, как общая плотность клеток увеличивалась во время роста, отдельные клетки выходили из реактора через небольшие каналы, что позволяло проводить анализ отдельных клеток. Это позволило напрямую измерить скорость роста, морфологию и фенотипическую гетерогенность на уровне отдельных клеток. Микрофлюидика также используется для обеспечения быстрого разделения биомолекул и других микрокомпонентов. В этом примере разветвленные микрофлюидные устройства были использованы для разделения шариков и клеток одинакового размера. Шарики и ячейки подавались в каналы, а затем устройство подключалось к источнику электричества для индуцирования электрического поля. Без приложенного электрического поля бусины текли по всем каналам. Однако, как только поле было включено, бусины направлялись только через одно. Смесь бусин и клеток затем может быть разделена на различные каналы с помощью этой техники. Наконец, биоMEM-устройства часто используются в качестве миниатюрной биоэлектроники. В этом примере полевой транзистор, или FET, был изготовлен на микроуровне. Полевые транзисторы используют электрическое поле для управления электропроводностью полупроводникового материала в устройстве. Этот полевой транзистор был функционализирован кремниевыми нанопроволоками и молекулами зонда, которые чувствительны к изменениям окружающей среды. Затем он был использован для обнаружения биологических мишеней, таких как ДНК или биомаркеры.
Вы только что посмотрели обзор BioMEM от Jove. Теперь вы должны понять, что такое биоMEM, некоторые распространенные методы, используемые для их изготовления, их проблемы и как они используются в области биоинженерии. Спасибо за просмотр.
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.