Vue d’ensemble des dispositifs de BioMEM

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 1 hour trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Bio-microsystèmes électromécaniques, également appelés BioMEMs, sont des dispositifs de micro-échelle qui permettent l’utilisation de petits volumes d’échantillon et réactif pour les dispositifs de diagnostic in vivo et in vitro. Ces appareils d’effectuer diverses fonctions telles que la filtration, de détection ou de synthèse sur la micro-échelle, permettant des économies de coûts et d’amélioration de la sensibilité.

Cette vidéo présente BioMEMs, touche à leur utilisation dans le domaine de la bio-ingénierie et présente quelques éminents méthodes utilisées dans la fabrication. En outre, cette vidéo présente quelques défis clés associées à la miniaturisation des appareils, ainsi que certaines applications de la technologie.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bio-ingénierie. Vue d’ensemble des dispositifs de BioMEM. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Grâce à l’utilisation de la faible échantillon et volumes de réactifs ainsi que traitement parallèle, miniaturisation des appareils d’analyse à l’échelle micro gagner du temps et coût. Ces petits instruments sont appelés Bio Micro-électro-mécaniques dispositifs également connu sous le nom de BioMEMs. BioMEMs sont utilisés comme dispositifs miniaturisés de diagnostic in vivo ou in vitro et peut effectuer diverses fonctions telles que l’échantillonnage, des réactions de filtration ou de détection. En outre, leurs dimensions permettent de sensibilité améliorée et la sélectivité dans les appareils d’analyse. Cette vidéo mettra en place des dispositifs BioMEMs courants utilisés en recherche, méthodes de fabrication de premier plan et principaux défis dans le domaine.

Dispositifs BioMEMs sont généralement faites à l’aide de techniques de microfabrication dans une salle blanche et ont au moins une dimension sur l’échelle du micromètre. À la fabrication, l’appareil est intégré à l’instrumentation plus grande. Dispositifs communs de BioMEMs sont des systèmes d’analyse Micro-total, également appelé Lab-on-a-chip. Ces systèmes d’effectuent tout ou partie d’une analyse spécifique. Par exemple des dispositifs microfluidiques sont l’un des types plus courants des systèmes Lab-on-a-chip. Dispositifs microfluidiques possèdent les chaînes de petite échelle sur une puce qui permettent des séparations, les réactions et les mesures prises avec des volumes de petit échantillon. À cause des dimensions de l’échelle microscopique, ces appareils utilisent pression mues flux ou à l’action capillaire pour le transport de substances à analyser ou réactifs à travers les canaux. Étant donné que le système utilise des hottes à flux laminaire, transfert de masse et le mélange est diffusion basée. C’est préférable un écoulement turbulent où mélange est chaotique et irrégulier. En outre, les dimensions permettent une surface élevée au rapport de volume dans les systèmes utilisant une surface engagée catalyseur ou enzymatique. Cela encourage les interactions améliorées entre les analytes dans le flux de fluide et service lié composants. Enfin, en raison de leur petite taille, transfert de chaleur rapide et uniforme est possible. Cela permet un contrôle amélioré et une uniformité au cours du chauffage de l’échantillon. Ces systèmes sont ainsi utilisés pour un large éventail d’applications de diagnostic ou même pour fabriquer des microparticules. Maintenant que nous avons présenté les BioMEMs, prenons regarder comment ils sont fabriqués en général.

Le matériau couramment utilisé pour BioMEMs, notamment les périphériques de circuit intégré, est le silicium. Plaquettes de silicium sont typiques utilisé comme matériau de substrat où les formes et des motifs sont créés sur le dessus d’ou encore gravés sur la surface. Polymères sont souvent utilisés aussi bien comme ils sont moins coûteux et parfois plus facile à manipuler et à préparer. Polymères permettent la reproduction simple de structures complexes par moulage par injection, gaufrage ou moulage de la réplique. Enfin, les métaux sont intégrés dans BioMEMs pour permettre la fabrication améliorée des circuits à micro-échelle. Les métaux comme l’or, argent et chrome sont déposés en couches à l’aide de galvanoplastie ou évaporation. La majorité des microstructures complexes est fabriquée en utilisant la photolithographie, une technique utilisée pour modèle un substrat à l’aide de la lumière. Le substrat, généralement une plaquette de silicium, est tout d’abord enduit d’une substance réactive UV appelée resist Photo. Le modèle est ensuite transféré d’un masque dans le substrat revêtu en utilisant la lumière UV. Après que traitement des divers étapes de ce modèle est ensuite définitivement gravée dans le substrat de silicium laissant une structure tridimensionnelle. Une autre technique, souvent utilisée en conjonction avec la photolithographie, est doux lithographie. Lithographie douce est une technique qui utilise des polymères pour reproduire des structures 3D. C’est appel Lithographie douce parce que les polymères élastomères sont normalement utilisés. L’élastomère plus commun utilisé pour cela est polydiméthylsiloxane, ou PDMS. PDMS est un élastomère de silicone basé qui est optiquement transparent, non toxique et inerte. PDMS est coulé directement sur la microstructure, puis vide de CO 2 et guéri. Cette technique permet la duplication de structures complexes sans la nécessité d’étapes de traitement compliqué ou coûteux.

Malgré les méthodes de fabrication bien établi, il y a les défis associés à la préparation et à l’aide de dispositifs BioMEMs. Tout d’abord, dispositifs BioMEMs utilisent les fonctions de micromètre secondaires qui peuvent être difficiles à fabriquer lorsqu’ils sont extrêmement complexes ou nécessitent plusieurs couches. Miniaturisation présente également des défis physiques qui ne seraient pas être rencontrées à grande échelle. Par exemple, défauts de rugosité de surface, diamètres de canal ou molécules assemblés au sein de l’appareil, sont amplifiées en raison de la petite échelle et peut changer de fonction de l’appareil. Un autre défi est la contamination. Dispositifs BioMEMs doivent être en contact avec l’environnement, mais doivent être protégés en même temps. Poussière, biomolécules indésirables ou autres particules peuvent facilement contaminer les structures de micro-échelle diminuant ou détruire complètement les fonctionnalités de l’appareil. Ainsi, la fabrication de ces dispositifs dans une chambre nettoyée est préférée afin de minimiser la contamination. Ces systèmes miniaturisés sont parfois utilisées comme preuve d’appareils de concept qui sont finalement renforcé pour tenir compte de l’analyse de gros volumes ou un analyte. Cependant, cela peut présenter un défi important. Par exemple, la mise à l’échelle un dispositif microfluidique de dimensions plus grandes se traduira par des changements significatifs dans les écoulements de fluides et le comportement de transfert de masse. En conséquence, le résultat souhaité ne peut être reproduit à grande échelle limitant ainsi l’échelle jusqu'à l’utilisation de nombreux appareils plus petits.

BioMEMs appareils sont utilisés dans un large éventail d’applications dans la recherche de la bioanalyse. Par exemple, les dispositifs microfluidiques peuvent être utilisés comme bio-réacteurs de très petit volume. Dans cette étude un pico-litre bio-réacteur a été utilisé pour l’analyse de cellules du même. Cellules individuelles entré dans la chambre et ont pu se développer et se divisent. Comme la densité globale de cellules a augmenté au cours de la croissance, les cellules individuelles sont sortis du réacteur par le biais de petits canaux, permettant ainsi des analyses unicellulaires. Ceci a permis pour la mesure directe du taux de croissance, la morphologie et l’hétérogénéité phénotypique au niveau de la cellule unique. Microfluidique est également utilisée pour permettre la séparation rapide des biomolécules et des autres composants de micro-échelle. Dans cet exemple, ramifiée microfluidique périphériques ont été utilisées pour séparer les cellules de taille semblable et de perles. Perles et cellules ont été coulés dans les canaux et l’appareil puis connectés à une source électrique pour induire un champ électrique. Sans le champ électrique appliqué, les perles s’écoulait à travers tous les canaux. Cependant, dès que le champ a été allumé, les perles ont été réalisés uniquement par le biais de l’un. Le mélange de perles et de cellules pourrait alors être séparé en différents canaux à l’aide de cette technique. Enfin, dispositifs BioMEMs servent souvent bioélectronique miniature. Dans cet exemple, un transistor à effet de champ ou FET, a été effectuée sur la micro-échelle. FETs utilisent un champ électrique pour contrôler la conductivité électrique du matériau semi conducteur dans l’appareil. Ce FET est fonctionnalisée avec silicium nano-fils et sonde de molécules qui sont sensibles aux changements dans l’environnement. Il a été utilisé pour détecter des cibles biologiques telles que l’ADN ou des biomarqueurs.

Vous avez aperçu de juste regarder Jove de BioMEMs. Vous devez maintenant comprendre quelles sont BioMEMs, quelques techniques courantes utilisées pour fabriquer des eux, leurs problèmes et comment ils sont utilisés dans le domaine de la bio-ingénierie. Merci de regarder.

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE

Applications