Überblick über BioMEM Geräte

Bioengineering

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Summary

Bio-mikroelektromechanische Systeme, auch genannt BioMEMs, sind Microscale-Geräte, die den Einsatz von Probe und Reagenz Kleinmengen für Diagnosegeräte in Vivo und in Vitrozu ermöglichen. Diese Geräte führen Sie verschiedene Funktionen wie Filterung, Sensorik oder Synthese auf Microscale, Kosteneinsparungen und verbesserte Empfindlichkeit ermöglicht.

Dieses Video stellt BioMEMs, berührt ihre Anwendung im Bereich Biotechnologie und präsentiert einige prominente Methoden bei der Herstellung verwendet. Dieses Video erläutert darüber hinaus einige wichtigen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Miniaturisierung der Geräte, sowie einige Anwendungen der Technologie.

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JoVE Science Education Database. Bioengineering. Überblick über BioMEM Geräte. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Durch den Einsatz von niedrigen Probe und Reagenz Bände sowie Parallelverarbeitung spart Miniaturisierung Analysegeräte auf der Mikroskala Zeit und Kosten. Diese kleinen Instrumente sind als Bio-Micro-Electro-Mechanical-Geräte auch bekannt als BioMEMs bezeichnet. BioMEMs dienen als miniaturisierte Diagnosegeräte in vivo oder in vitro und können verschiedene Funktionen wie z.B. Probenahmen, Filtration Reaktionen oder Erkennung durchführen. Darüber hinaus ermöglichen ihre Abmessungen verbesserte Empfindlichkeit und Selektivität in analytischen Geräten. Dieses Video wird gemeinsame BioMEMs Geräte in Forschung, prominente Herstellungsmethoden und Herausforderungen im Bereich vorstellen.

BioMEMs Geräte werden in der Regel mit Mikro-Fertigungstechniken in einem Reinraum hergestellt und haben mindestens eine Dimension auf den Mikrometer Skala. Bei der Herstellung ist das Gerät zu größeren Instrumentierung integriert. Gemeinsame BioMEMs Geräte sind Micro-Gesamt-Analyse-Systeme, auch genannt Lab-on-a-Chip. Diese Systeme erfüllen alle oder einen Teil einer spezifischen Analyse. Zum Beispiel sind mikrofluidischen Geräte eine der am häufigsten verwendeten Typen von Lab-on-a-Chip-Systemen. Mikrofluidische Geräte besitzen Mikromaßstab Kanäle auf einem Chip, die Trennungen, Reaktionen und Messungen mit kleinen Probenvolumina ermöglichen. Aufgrund der Abmessungen Mikromaßstab nutzen diese entwirft Druck angetrieben, Flow, oder haarartige Tätigkeit Analyten oder Reagenzien durch die Kanäle zu transportieren. Da laminare Strömung verwendet, ist Stoffaustausch und mischen Diffusion basiert. Dies wird bevorzugt über turbulente Strömung wo ist mischen, chaotisch und unregelmäßig. Darüber hinaus die Dimensionen ermöglichen eine erhöhte Fläche zum Volumenverhältnis in Systemen unter Verwendung einer Oberfläche Katalysator oder Enzym gebunden. Dies fördert die verstärkte Wechselwirkungen zwischen Analyten in der Fluidstrom und Dienst gebunden Komponenten. Schließlich ist die schnelle und gleichmäßige Wärmeübertragung aufgrund ihrer geringen Größe möglich. Dies ermöglicht bessere Kontrolle und Einheitlichkeit beim Aufheizen der Probe. Diese Systeme dienen somit für ein breites Spektrum diagnostischer Anwendungen oder sogar Mikropartikel zu fabrizieren. Jetzt, wo wir BioMEMs vorgestellt haben, werfen Sie einen Blick an wie sie in der Regel hergestellt werden.

Silizium ist die am häufigsten verwendete Material für BioMEMs, vor allem integrierte Schaltung Geräte verwendet. Silizium-Wafer sind typische verwendet als Substratmaterial dem Formen und Mustern erstellt oben auf oder sogar in die Oberfläche geätzt. Polymere werden häufig so gut wie sie sind weniger teuer und manchmal leichter zu manipulieren und vorzubereiten. Polymere ermöglichen die einfache Replikation komplexer Strukturen durch Spritzgießen, Prägungen oder Replikat-Spritzgießen. Zu guter Letzt sind Metalle BioMEMs ermöglichen die verbesserten Herstellung von Mikromaßstab Schaltung integriert. Metalle wie Gold, Silber und Chrom sind in Schichten mit Galvanik oder Verdunstung hinterlegt. Die Mehrheit der komplexen Mikrostrukturen sind hergestellt mit Fotolithografie, eine Technik verwendet, um ein Substrat mit Licht-Muster. Das Substrat, in der Regel einen Silizium-Wafer, wird zunächst mit einer UV reaktive Substanz namens Fotolack beschichtet. Das Muster wird dann von einer Maske auf das beschichtete Substrat mit UV-Licht übertragen. Nachdem verschiedene dieses Muster Verarbeitungsschritte wird dann dauerhaft in der Silizium-Substrat, so dass eine dreidimensionale Struktur geätzt. Eine andere Technik, oft in Verbindung mit Fotolithografie, verwendet ist weiche Lithographie. Weiche Lithographie ist eine Technik, die Polymere verwendet, um 3-d-Strukturen zu replizieren. Es ist Anruf weiche Lithographie, weil normalerweise Elastomere Polymere verwendet werden. Die am häufigsten verwendete Elastomer verwendet hierfür ist Polydimethylsiloxan PDMS. PDMS ist ein siliziumbasierten Elastomer, die optisch klar, ungiftig, inert. PDMS ist direkt auf die Mikro-Struktur gegossen dann de-vergast und geheilt. Diese Technik ermöglicht die Nachbildung von komplexen Strukturen ohne die Notwendigkeit für komplizierte oder teure Verarbeitungsschritte.

Trotz der etablierten Herstellungsmethoden gibt es Herausforderungen im Zusammenhang mit der Vorbereitung und Verwendung von BioMEMs Geräten. Erstens nutzen BioMEMs Geräte Sub-Mikrometer-Features, die schwierig sein können, wenn sie äußerst komplex sind und erfordern mehrere Schichten zu fabrizieren. Miniaturisierung führt auch körperliche Herausforderungen, die nicht auf der großen Skala angetroffen werden würden. Z. B. defekte Oberflächenrauheit, Kanal Durchmesser oder zusammengesetzte Moleküle innerhalb des Gerätes sind aufgrund des geringen Umfangs verstärkt und Gerätefunktion ändern können. Eine weitere Herausforderung ist die Verschmutzung. BioMEMs Geräte müssen in Kontakt mit der Umwelt sein, doch gleichzeitig von ihm geschützt werden müssen. Staub, unerwünschte Biomoleküle oder anderen Partikeln können leicht die Mikromaßstab Strukturen verringern oder vollständig zerstört Gerätefunktionalität verunreinigen. Somit ist Herstellung dieser Geräte in einem gereinigten Zimmer bevorzugt, um Kontamination zu minimieren. Diese miniaturisierte Systeme werden manchmal als Nachweis der Konzept-Geräte verwendet, die schließlich oben skaliert werden, um die Analyse von großen Mengen oder eines Analyten unterzubringen. Allerdings kann dies eine große Herausforderung darstellen. Z. B. führt Skalierung ein mikrofluidischen Gerät in größeren Dimensionen Veränderungen im Flüssigkeitsstrom und Stoffaustausch Verhalten. Infolgedessen kann das gewünschte Ergebnis auf der großen Skala Skala bis die Verwendung von vielen kleineren Geräten eingeschränkt repliziert werden.

BioMEMs Geräte sind in einer Vielzahl von Anwendungen in der bioanalytischen Forschung verwendet. Beispielsweise können mikrofluidischen Geräte als sehr kleines Volumen-Bioreaktoren eingesetzt werden. In dieser Studie wurde ein Pico-Liter-Bio-Reaktor für die einzelne Zelle Analyse genutzt. Einzelzellen trat in die Kammer und waren in der Lage zu wachsen und sich teilen. Mit zunehmender insgesamt Zelldichte während des Wachstums verlassen einzelne Zellen des Reaktors durch kleine Kanäle, was einzelne Zelle Analyse ermöglicht. Dies ermöglichte die direkte Messung der Wachstumsrate, Morphologie und phänotypische Heterogenität auf der Ebene der einzelnen Zelle. Mikrofluidik werden auch verwendet, um die schnelle Trennung von Biomolekülen und andere Mikromaßstab Komponenten ermöglichen. In diesem Beispiel verzweigte mikrofluidischen verwendeten Geräte wurden Perlen und Zellen von ähnlicher Größe zu trennen. Perlen und Zellen waren flossen in die Kanäle und das Gerät dann angeschlossen an eine Stromquelle, ein elektrisches Feld induzieren. Ohne das angewandte elektrische Feld floss die Perlen durch alle Kanäle. Sobald das Feld aktiviert wurde, waren die Perlen jedoch nur durch eine gerichtet. Die Mischung aus Perlen und Zellen kann dann in verschiedene Kanäle, die mit dieser Technik getrennt werden. Schließlich sind BioMEMs Geräte oft als Miniatur Bioelektronik verwendet. In diesem Beispiel, ein Feldeffekt-Transistors oder FET wurde auf der Mikro-Skala. FETs verwenden ein elektrisches Feld um die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter-Material in das Gerät zu steuern. Dieser FET wurde mit Silicium Nano-Drähte funktionalisiert und Sonde Moleküle, die empfindlich auf Veränderungen in der Umwelt sind. Es wurde dann zur biologische Zielen wie DNA oder Biomarker zu spüren.

Du hast nur zuschauen Jove Überblick über BioMEMs. Sie sollten jetzt verstehen, was BioMEMs, sind einige gängige Techniken verwendet, um sie, fertigen ihre Herausforderungen und ihre Verwendung im Bereich Biotechnologie. Danke fürs Zuschauen.

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