Resumen de dispositivos BioMEM

Bioengineering

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Summary

Sistemas microelectromecánicos bio, también llamados BioMEMs, son dispositivos de microescala que permiten el uso de pequeños volúmenes de muestra y reactivo para dispositivos de diagnóstico in vivo y en vitro. Estos dispositivos realizan diversas funciones tales como filtración, detección o síntesis en la microescala, permitiendo ahorro de costes y mejoras en la sensibilidad.

Este video presenta BioMEMs, afecta a su uso en el campo de la bioingeniería y presenta algunos métodos importantes utilizados en la fabricación. Además, este video trata sobre algunos desafíos claves asociados con la miniaturización de los dispositivos, así como algunas aplicaciones de la tecnología.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bioingeniería. Resumen de dispositivos BioMEM. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Mediante el uso de muestra bajo volúmenes de reactivo como procesamiento paralelo, miniaturizar dispositivos analíticos en la micro escala ahorra tiempo y costo. Estos pequeños instrumentos se denominan Bio micro-electro-mecánicos dispositivos también denominado BioMEMs. BioMEMs se utilizan como dispositivos miniaturizados de diagnóstico in vivo o in vitro y puede realizar diversas funciones tales como muestreo, reacciones de filtración o detección. Además, sus dimensiones permiten mayor sensibilidad y selectividad en dispositivos analíticos. Este video presenta dispositivos BioMEMs comunes utilizados en la investigación, métodos de fabricación prominente y retos en el campo.

Dispositivos BioMEMs se hacen típicamente usando técnicas de microfabricación en una sala limpia y tendrán al menos una dimensión en la escala del micrómetro. Sobre la fabricación, el dispositivo está integrado a mayor instrumentación. Dispositivos BioMEMs comunes son Micro-total análisis de sistemas, también llamados Lab on a chip. Estos sistemas realizan todo o parte de un análisis específico. Por ejemplo dispositivos microfluídicos son uno de los tipos más comunes de sistemas Lab-on-a-chip. Dispositivos microfluídicos poseen canales de micro escala en un chip que permiten separaciones, reacciones y medidas a realizar con volúmenes de muestra pequeños. Debido a las dimensiones de micro escala, estos dispositivos utilizan presión impulsada por el flujo, o acción capilar para el transporte de analitos o reactivos a través de los canales. Puesto que el sistema utiliza Flujo Laminar, transferencia de masa y la mezcla es la difusión basado. Esto se prefiere sobre el turbulento donde mezcla es caótico e irregular. Además, la dimensiones permiten una superficie alta al cociente del volumen en sistemas utilizando una superficie límite catalizador o enzima. Esto anima a mejorado las interacciones entre los analitos en el flujo y servicio limitado de componentes. Finalmente, debido a su pequeño tamaño, transferencia de calor rápida y uniforme es posible. Esto permite mejor control y uniformidad durante el calentamiento de la muestra. Así, estos sistemas se utilizan para una amplia gama de usos de diagnóstico o incluso para la fabricación de micropartículas. Ahora que hemos introducido BioMEMs, echemos un vistazo de cómo normalmente se fabrican.

El material más común usado para BioMEMs, especialmente dispositivos de circuito integrado, es el silicio. Las obleas de silicio son típicas utilizado como el substrato material donde formas y patrones creados en la parte superior del o incluso grabados en la superficie. Polímeros se utilizan así como que son menos costosos y a veces más fácil de manipular y preparar. Polímeros permiten la simple replicación de estructuras complejas mediante moldeo por inyección, estampado o moldeado de réplica. Finalmente, los metales están integrados en BioMEMs para permitir la mejor fabricación de circuitos de micro escala. Metales como oro, plata y cromo se depositan en capas mediante galvanoplastia o evaporación. La mayoría de las microestructuras complejas se fabrica utilizando Fotolitografía, una técnica utilizada para un sustrato utilizando la luz del patrón. El sustrato, generalmente una oblea de silicio, primero está cubierto con una sustancia reactiva UV llamada resistencia foto. El patrón entonces se transfiere de una máscara al sustrato revestido utilizando luz UV. Después de vario proceso pasos este patrón entonces están permanentemente grabado en el sustrato de silicio, dejando una estructura tridimensional. Otra técnica, de uso frecuente conjuntamente con Fotolitografía, es litografía blanda. Litografía suave es una técnica que utiliza polímeros para replicar estructuras 3D. Es llamada litografía blanda porque normalmente se utilizan polímeros elastoméricos. El elastómero más común utilizado para esto es polidimetilsiloxano PDMS. PDMS es un elastómero de silicona base que es ópticamente transparente, no tóxico, inerte. PDMS es vertido directamente en la micro estructura, entonces sin gas y curado. Esta técnica permite la replicación de estructuras complejas sin necesidad de pasos de proceso complicado o costoso.

A pesar de los métodos de fabricación bien establecido, hay problemas asociados con la preparación y uso de dispositivos BioMEMs. En primer lugar, los dispositivos BioMEMs utilizan funciones de secundario-micrómetro que pueden ser difíciles de fabricar cuando son muy complejos o requieren múltiples capas. Miniaturización también presenta desafíos físicos que no se encuentran en gran escala. Por ejemplo, defectos de rugosidad, diámetros de canal o moléculas montadas en el dispositivo, se amplifican debido a la pequeña escala y puede cambiar la función del dispositivo. Otro desafío es la contaminación. Dispositivos BioMEMs deben estar en contacto con el medio ambiente, pero deben estar protegidos de él al mismo tiempo. Polvo, biomoléculas no deseados u otras partículas pueden contaminar fácilmente las estructuras micro escala disminuyendo o destruyendo completamente la funcionalidad del dispositivo. Fabricación de estos dispositivos en un cuarto limpio es preferido así, con el fin de minimizar la contaminación. Estos sistemas miniaturizados se utilizan a veces como prueba de concepto de dispositivos de que eventualmente se escalan para arriba para el análisis de grandes volúmenes o un analito. Sin embargo, esto puede presentar un reto significativo. Por ejemplo, escala de un dispositivo de microfluidos para dimensiones más grandes producirá cambios significativos en el flujo de fluido y el comportamiento de transferencia de masa. Como resultado, el resultado deseado no pueden repetirse en la gran escala limitando escala hasta el uso de muchos dispositivos más pequeños.

Dispositivos BioMEMs se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en investigación bioanalítica. Por ejemplo, pueden emplearse dispositivos microfluídicos como bio-reactores de volumen extremadamente pequeño. En este estudio se utilizó un bio-reactor de litros para el análisis unicelular. Las células entraron en la cámara y fueron capaces de crecer y dividirse. Aumento de la densidad celular durante el crecimiento, las células individuales salieron del reactor a través de pequeños canales, permitiendo análisis unicelular. Esto permitió la medición directa de la tasa de crecimiento, morfología y heterogeneidad fenotípica en el nivel unicelular. Microfluídica también es utilizada para permitir la rápida separación de biomoléculas y otros componentes de micro escala. En este ejemplo, ramificado microfluídicos dispositivos fueron utilizados para separar los granos y las células de tamaño similar. Granos y las células de fluido en los canales y el dispositivo entonces conectadas a una toma eléctrica para inducir un campo eléctrico. Sin el campo eléctrico aplicado, las cuentas atravesado todos los canales. Sin embargo, una vez que el campo estaba encendido, los granos fueron dirigidos sólo a través de uno. La mezcla de granos y de las células entonces podría ser separada en diferentes canales utilizando esta técnica. Por último, dispositivos BioMEMs se utilizan a menudo como Bioelectrónica miniatura. En este ejemplo, un transistor de efecto de campo o FET, se hizo en la escala micro. FETs utilizan un campo eléctrico para controlar la conductividad del material semiconductor en el dispositivo. Este FET fue funcionalizado con nano-cables de silicona y las moléculas que son sensibles a los cambios en el entorno de la punta de prueba. Entonces fue utilizado para detectar dianas biológicas como ADN o biomarcadores.

Tienes el resumen del reloj justo Jove de BioMEMs. Ahora debe comprender cuáles son BioMEMs, algunas técnicas comunes utilizados para la fabricación de ellos, sus desafíos y cómo se utilizan en el campo de la bioingeniería. Gracias por ver.

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