BioMEM 设备概述

Bioengineering

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Summary

生物机械系统, 也称为 BioMEMs, 是微型设备, 使小样本和试剂体积的诊断设备在体内体外。这些设备执行各种功能, 如过滤, 传感, 或合成的微型, 使成本节约和提高灵敏度。

该视频介绍了 BioMEMs, 涉及其在生物工程领域的应用, 并提出了一些突出的方法用于制造。此外, 该视频还讨论了与设备小型化相关的一些关键问题, 以及该技术的一些应用。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 生物工程. BioMEM 设备概述. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

通过使用低样品和试剂体积, 以及并行处理, 小型化分析装置的微观规模节省了时间和成本。这些微小的仪器被称为生物微电-机械装置也称为 BioMEMs。BioMEMs 在体内或体外用作微型诊断设备, 可以执行各种功能, 如取样、过滤反应或检测。此外, 它们的尺寸能够提高分析设备的灵敏度和选择性。该视频将介绍常用的 BioMEMs 设备, 用于研究、突出的制造方法以及在该领域的关键挑战。

BioMEMs 设备通常是使用微加工技术在一个干净的房间, 并在微米尺度上至少有一个维度。在制造时, 该设备集成到较大的仪器中。普通的 BioMEMs 装置是微全分析系统, 也称为实验室--芯片。这些系统执行特定分析的全部或部分。例如微流控设备是一种最常见的实验室--芯片系统。微流控装置在芯片上拥有微小尺度的通道, 使分离、反应和测量能够用小样本量进行。由于微尺度尺寸, 这些计划利用压力驱动流, 或毛细管作用, 运输分析或试剂通过通道。由于系统采用层流, 传质和混合是基于扩散的。这是首选的湍流流动的混合是混乱和不规则的。此外, 在利用表面结合催化剂或酶的系统中, 尺寸能使高表面体积比得以实现。这就鼓励了流体流中分析和服务绑定组件之间的增强交互作用。最后, 由于其体积小, 可以快速、均匀地换热。这使得在样品加热过程中的控制和均匀性得到改善。因此, 这些系统用于广泛的诊断应用, 甚至制造微粒。现在我们介绍了 BioMEMs, 让我们来看看它们是如何被典型地制作出来的。

用于 BioMEMs 的最常用材料, 特别是集成电路器件, 是硅。硅片是典型的基板材料, 它的形状和图案是在表面上或甚至蚀刻到地表上形成的。聚合物经常被使用, 并且他们是较不昂贵的和有时容易操作和准备。聚合物使复杂结构的简单复制通过注塑成型, 压花, 或副本成型。最后, 金属被集成到 BioMEMs 中, 以使微尺度电路的制造得到改进。金属, 如金, 银和铬是沉积在层使用电镀或蒸发。大多数复杂的显微组织都是用光刻技术制作的, 这是一种利用光对基板进行图案化的方法。基板, 通常是硅片, 第一次涂覆的紫外线反应物质称为照片抵抗。该模式, 然后从一个面具转移到涂层基板使用 UV 光。经过各种处理步骤后, 此模式将被永久蚀刻到硅衬底, 留下一个三维结构。另一种技术, 通常与光刻结合使用, 是软光刻。软光刻是一种利用聚合物来复制3维结构的技术。这是所谓的软光刻, 因为弹性聚合物通常使用。最常用的弹性体是烷, 或者是硅橡胶。多晶硅是一种硅基弹性体, 是光学清楚, 无毒, 惰性。将其直接倒入微结构上, 再进行脱毒气和固化。这种技术能够复制复杂的结构, 而无需复杂或昂贵的处理步骤。

尽管建立了良好的制造方法, 但在准备和使用 BioMEMs 设备方面也存在一些挑战。首先, BioMEMs 设备利用亚微米特征, 当它们极其复杂或需要多个层时, 它们很难制造。小型化也带来了在大规模范围内不会遇到的物理挑战。例如, 表面粗糙度的缺陷, 通道直径, 或装置内的组装分子, 由于小规模而被放大, 并能改变器件功能。另一个挑战是污染。BioMEMs 设备必须与环境保持联系, 但必须同时保护它。灰尘、不需要的生物分子或其他微粒可以很容易地污染微尺度结构减少或完全地毁坏设备功能。因此, 在清洁的房间中制造这些设备是首选, 以减少污染。这些小型化的系统有时被用作概念装置的证明, 这些设备最终会被放大, 以适应对大容量或分析物的剖析。然而, 这可能是一个重大挑战。例如, 将微流控装置缩放到更大的尺寸将导致流体流动和传质行为的显著变化。因此, 无法在大规模范围内复制所需的结果, 从而限制了扩展到许多较小设备的使用。

BioMEMs 器件广泛应用于生物研究。例如, 微流控装置可以作为极小的体积生物反应器使用。本研究采用微升生物反应器进行单细胞分析。单细胞进入了房间并且能增长和划分。随着细胞在生长过程中的总密度增加, 单个细胞通过小通道退出反应器, 从而实现单细胞分析。这可以直接测量单个细胞水平上的生长速率、形态和表型异质性。微也用于使生物分子和其他微尺度元件的快速分离。在这个例子中, 分支微流控装置被用来分离珠子和类似大小的细胞。珠子和细胞被流进通道, 然后装置连接到一个电子源以诱发电场。没有外加电场, 珠子流过所有的通道。然而, 一旦现场打开, 珠子只通过一个。用这种方法可以将珠子和细胞的混合物分成不同的通道。最后, BioMEMs 设备通常用作微型生物。在这个例子中, 一个场效应晶体管, 或 FET, 是在微观尺度上作出的。fet 使用电场来控制器件中半导体材料的电导率。这场 FET 是功能化的硅纳米线和探针分子, 是敏感的环境变化。然后, 它被用来感知生物目标, 如 DNA 或生物标志物。

你只是看着朱庇特的 BioMEMs 的概述。你现在应该了解 BioMEMs 是什么, 一些常用的技术来制造它们, 他们的挑战以及如何在生物工程领域使用它们。谢谢收看

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