סקירה כללית של התקני BioMEM

באמצעות שימוש בנפחי דגימה וריאגנט נמוכים, כמו גם עיבוד מקביל, מזעור התקנים אנליטיים בקנה המידה הזעיר חוסך זמן ועלות. מכשירים זעירים אלה מכונים ביו מיקרו-אלקטרו-מכני התקנים הידועים גם בשם BioMEMs. BioMEMs משמשים כמכשירי אבחון ממוזערים ב- vivo או במבחנה ויכולים לבצע פונקציות שונות כגון דגימה, תגובות סינון או זיהוי. בנוסף, הממדים שלהם מאפשרים רגישות וסלקטיביות משופרות במכשירים אנליטיים. וידאו זה יציג התקני BioMEMs נפוצים המשמשים במחקר, שיטות ייצור בולטות ואתגרים מרכזיים בתחום.

התקני BioMEM מיוצרים בדרך כלל בטכניקות מיקרו-פייבר בחדר נקי ויש להם לפחות ממד אחד בסולם המיקרומטר. עם הייצור, המכשיר משולב מכשור גדול יותר. התקני BioMEM נפוצים הם מערכות ניתוח מיקרו-סה"כ, הנקראות גם מעבדה על שבב. מערכות אלה מבצעות ניתוח ספציפי כולו או חלקו. לדוגמה, התקנים מיקרופלואידיים הם אחד הסוגים הנפוצים ביותר של מערכות Lab-on-a-chip. התקנים מיקרופלואידיים מחזיקים ערוצים מיקרו-בקנה מידה על שבב, המאפשרים הפרדות צבע, תגובות ומדידות עם נפחי מדגם קטנים. בגלל הממדים microscale, התקנים אלה משתמשים זרימה מונחה לחץ או פעולה נימית כדי להעביר ניתוחים או ריאגנטים דרך הערוצים. מאז המערכת משתמשת זרימה למינאר, העברה המונית וערבוב מבוסס דיפוזיה. זה מועדף על פני זרימה סוערת, שבו ערבוב הוא כאוטי ולא סדיר. בנוסף, הממדים מאפשרים יחס שטח-נפח גבוה במערכות המשתמשות בזרז או באנזים הקשורים לפני השטח. פעולה זו מעודדת אינטראקציות משופרות בין ניתוחים בזרם הנוזלים לבין הרכיבים הקשורים לשירות. לבסוף, בשל גודלם הקטן, העברת חום מהירה ואחידות אפשרית. זה מאפשר שליטה ואחידות משופרת במהלך חימום מדגם. מערכות אלה משמשות אפוא למגוון רחב של יישומי אבחון או אפילו לייצור מיקרו-חלקיקים. עכשיו כשהצגנו את BioMEMs, בואו נסתכל על איך הם בדרך כלל מפוברקים.

החומר הנפוץ ביותר המשמש עבור BioMEMs, במיוחד התקני מעגל משולבים, הוא סיליקון. ופלים מסיליקון משמשים בדרך כלל כחומר המצע שבו צורות ודפוסים נוצרים על גבי או אפילו חרוט על פני השטח. פולימרים משמשים לעתים קרובות, כמו גם הם פחות יקרים ולפעמים קל יותר לתפעל ולהכין. פולימרים מאפשרים שכפול פשוט של מבנים מורכבים באמצעות הזרקת דפוס, הדגמה או עיצוב העתק. לבסוף, מתכות משולבות BioMEMs כדי לאפשר ייצור משופר של מעגלים בקנה מידה מיקרו. מתכות כגון זהב, כסף וכרום מופקדות בשכבות באמצעות אלקטרופלציה או אידוי. רוב המיקרו-מבנים המורכבים מפוברקים באמצעות פוטוליתוגרפיה, טכניקה המשמשת ליצירת מצע באמצעות אור. המצע, בדרך כלל רקיק סיליקון, מצופה תחילה בחומר תגובתי UV הנקרא פוטורסיסט. לאחר מכן התבנית מועברת ממסיכה למצע מצופה באמצעות אור UV. לאחר שלבי עיבוד שונים דפוס זה חרוט לצמיתות לתוך מצע הסיליקון ומשאיר מבנה תלת מימדי. טכניקה נוספת, המשמשת לעתים קרובות בשילוב עם פוטוליתוגרפיה, היא ליטוגרפיה רכה. ליטוגרפיה רכה היא טכניקה המשתמשת בפולימרים כדי לשכפל מבנים תלת-ממדיים. זה נקרא ליטוגרפיה רכה כי פולימרים אלסטומריים משמשים בדרך כלל. האלסטומר הנפוץ ביותר המשמש לכך הוא פולידימתילסילוקסן, או PDMS. PDMS הוא אלסטומר מבוסס סיליקון כי הוא ברור אופטית, לא רעיל, אינרטי. PDMS נשפך ישירות על מבנה המיקרו, ואז מתפרק ומתרפא. טכניקה זו מאפשרת שכפול של מבנים מורכבים ללא צורך בשלבי עיבוד מסובכים או יקרים.

למרות שיטות הייצור המבוססות היטב, ישנם אתגרים הקשורים בהכנת מכשירי BioMEM ושימוש בהם. ראשית, התקני BioMEM משתמשים בתכונות תת-מיקרומטר אשר יכול להיות קשה לפברק כאשר הם מורכבים מאוד או דורשים שכבות מרובות. מזעור גם מציב אתגרים פיזיים שלא ייתקלו בהם בקנה מידה גדול. לדוגמה, פגמים בגסות פני השטח, קטרי הערוצים או מולקולות מורכבות בתוך ההתקן, מוגברים בשל קנה המידה הקטן, ויכולים לשנות את פונקציית ההתקן. אתגר נוסף הוא זיהום. התקני BioMEM חייבים להיות בקשר עם הסביבה, אך יש להגן עליהם בו-זמנית. אבק, ביומולקולים לא רצויים או חלקיקים אחרים יכולים לזהם בקלות את המבנים בקנה מידה זעיר המפחיתים או הורסים לחלוטין את פונקציונליות המכשיר. לכן, ייצור של מכשירים אלה בחדר נקי עדיף על מנת למזער את הזיהום. מערכות ממוזערות אלה משמשות לעתים כהוכחת התקני קונספט שבסופו של דבר מוגדלים כדי להתאים לניתוח של כרכים גדולים או ניתוח. עם זאת, זה יכול להוות אתגר משמעותי. לדוגמה, שינוי קנה מידה של התקן microfluidic לממדים גדולים יותר יגרום לשינויים משמעותיים בזרימת הנוזלים ובהתנהגות העברת ההמונים. כתוצאה מכך, לא ניתן לשכפל את התוצאה הרצויה בקנה מידה גדול ובכך להגביל את קנה המידה עד לשימוש במכשירים קטנים רבים.

התקני BioMEM משמשים במגוון רחב של יישומים במחקר ביואנליטי. לדוגמה, מכשירים מיקרופלואידיים יכולים להיות מועסקים כגורמי ביו-ריאקטורים בנפח קטן במיוחד. במחקר זה נעשה שימוש ביו-כור פיקו-ליטר לניתוח תאים בודדים. תאים בודדים נכנסו לתא והצליחו לגדול ולהתחלק. ככל שצפיפות התאים הכוללת גדלה במהלך הצמיחה, תאים בודדים יצאו מהכור בערוצים קטנים, מה שאפשר ניתוח תאים בודדים. זה איפשר מדידה ישירה של קצב גדילה, מורפולוגיה, והטרוגניות פנוטיפית ברמת התא הבודד. מיקרופלואידיקה משמשת גם כדי לאפשר הפרדה מהירה של ביומולקולים ורכיבים מיקרו-קשקשיים אחרים. בדוגמה זו, התקנים מיקרופלואידיים מסועפים שימשו להפרדת חרוזים ותאים בגודל דומה. חרוזים ותאים זרמו לתוך הערוצים והמכשיר אז מחובר למקור חשמלי כדי לגרום לשדה חשמלי. ללא השדה החשמלי המיושם, החרוזים זרמו בכל הערוצים. עם זאת, ברגע שהשדה הופעל, החרוזים כוונו רק דרך אחד. תערובת של חרוזים ותאים אז ניתן להפריד לערוצים שונים באמצעות טכניקה זו. לבסוף, התקני BioMEM משמשים לעתים קרובות כביו-קטרוניה זעירה. בדוגמה זו, טרנזיסטור אפקט שדה, או FET, נעשה בקנה המידה המיקרו. FETs להשתמש בשדה חשמלי כדי לשלוט על מוליכות חשמלית של חומר מוליך למחצה במכשיר. FET זה היה פונקציונלי עם ננו חוטי סיליקון ומולקולות בדיקה אשר רגישים לשינויים בסביבה. לאחר מכן הוא שימש לחוש מטרות ביולוגיות, כגון DNA או סמנים ביולוגיים.

הרגע צפית בסקירה הכללית של יובה על ביומים. עכשיו אתה צריך להבין מה הם BioMEMs, כמה טכניקות נפוצות המשמשות כדי לפברק אותם, האתגרים שלהם וכיצד הם משמשים בתחום הביו-הנדסה. תודה שצפיתם.