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Overview of BioMEM Devices
  • 00:06Übersicht
  • 00:51Types of BioMEM Devices
  • 02:34Prominent Materials and Methods
  • 04:39Key Challenges
  • 06:15Applications
  • 08:08Summary

Visão geral dos dispositivos BioMEM

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Übersicht

Sistemas biomicetroelemanecânicos, também chamados de BioMEMs, são dispositivos de microescala que permitem o uso de pequenos volumes de amostras e reagentes para dispositivos de diagnóstico in vivo e in vitro. Esses dispositivos executam várias funções como filtração, sensoriamento ou síntese na microescala, permitindo economia de custos e melhor sensibilidade.

Este vídeo introduz BioMEMs, toca em seu uso no campo da bioengenharia, e apresenta alguns métodos proeminentes usados na fabricação. Além disso, este vídeo discute alguns dos principais desafios associados à miniaturização dos dispositivos, bem como algumas aplicações da tecnologia.

Verfahren

Através do uso de baixos volumes de amostra e reagente, bem como processamento paralelo, miniaturizar dispositivos analíticos para a micro escala economiza tempo e custo. Estes pequenos instrumentos são chamados de Dispositivos Bio Micro-Eletro-Mecânicos também conhecidos como BioMEMs. Os BioMEMs são usados como dispositivos de diagnóstico miniaturizados in vivo ou in vitro e podem executar várias funções como amostragem, reações de filtragem ou detecção. Além disso, suas dimensões permitem maior sensibilidade e seletividade em dispositivos analíticos. Este vídeo introduzirá dispositivos BioMEMs comuns usados em pesquisas, métodos de fabricação proeminentes e desafios fundamentais no campo. Os dispositivos BioMEM são tipicamente feitos usando técnicas de microfabização em uma sala limpa e têm pelo menos uma dimensão na escala de micrômetros. Após a fabricação, o dispositivo é integrado a uma instrumentação maior. Os dispositivos BioMEM comuns são sistemas de análise micro-total, também chamados lab-on-a-chip. Esses sistemas realizam toda ou parte de uma análise específica. Por exemplo, dispositivos microfluidos são um dos tipos mais comuns de sistemas Lab-on-a-chip. Dispositivos microfluidos possuem canais de microescala em um chip, que permitem que separações, reações e medições sejam feitas com pequenos volumes de amostra. Devido às dimensões de microescala, esses dispositivos utilizam fluxo orientado por pressão ou ação capilar para transportar analitos ou reagentes através dos canais. Uma vez que o sistema usa fluxo laminar, a transferência e a mistura em massa são baseadas em difusão. Isso é preferido em vez de fluxo turbulento, onde a mistura é caótica e irregular. Além disso, as dimensões permitem uma alta relação superfície/volume em sistemas utilizando um catalisador ou enzima ligada à superfície. Isso incentiva interações aprimoradas entre analitos no fluxo de fluidos e componentes ligados ao serviço. Finalmente, devido ao seu pequeno tamanho, a transferência de calor rápida e uniforme é possível. Isso permite um melhor controle e uniformidade durante o aquecimento da amostra. Esses sistemas são, portanto, usados para uma ampla gama de aplicações diagnósticas ou mesmo para fabricar micropartículas. Agora que introduzimos bioMEMs, vamos dar uma olhada em como eles são tipicamente fabricados. O material mais comum usado para BioMEMs, especialmente dispositivos de circuito integrados, é o silício. Wafers de silício são típicos usados como material de substrato onde formas e padrões são criados em cima ou mesmo gravados na superfície. Polímeros são frequentemente usados, assim como são menos caros e às vezes mais fáceis de manipular e preparar. Os polímeros permitem a simples replicação de estruturas complexas através de moldagem por injeção, relevo ou moldagem de réplicas. Finalmente, os metais são integrados aos BioMEMs para permitir a melhor fabricação de circuitos de microescamia. Metais como ouro, prata e cromo são depositados em camadas usando eletroplacar ou evaporação. A maioria das microestruturas complexas são fabricadas usando fotolitografia, uma técnica usada para padronizar um substrato usando luz. O substrato, geralmente um wafer de silício, é primeiro revestido com uma substância UV-reativa chamada fotoresist. O padrão é então transferido de uma máscara para o substrato revestido usando luz UV. Após várias etapas de processamento, este padrão é então permanentemente gravado no substrato de silício deixando uma estrutura tridimensional. Outra técnica, frequentemente usada em conjunto com a fotolitografia, é a litografia macia. A litografia macia é uma técnica que usa polímeros para replicar estruturas 3D. Chama-se litografia macia porque polímeros elastoméricos são normalmente usados. O elastômero mais comum usado para isso é poliditilsiloxano, ou PDMS. PDMS é um elastômero à base de silício que é opticamente claro, não tóxico, inerte. PDMS é derramado diretamente na microestrusa, depois desconssuto e curado. Essa técnica permite a replicação de estruturas complexas sem a necessidade de etapas de processamento complicadas ou caras. Apesar dos métodos de fabricação bem estabelecidos, existem desafios associados à preparação e utilização de dispositivos BioMEM. Primeiro, os dispositivos BioMEM utilizam recursos de subquímetros que podem ser difíceis de fabricar quando são extremamente complexos ou requerem múltiplas camadas. A miniaturização também introduz desafios físicos que não seriam encontrados em grande escala. Por exemplo, defeitos na rugosidade superficial, diâmetros do canal ou moléculas montadas dentro do dispositivo, são amplificados devido à pequena escala, e podem mudar a função do dispositivo. Outro desafio é a contaminação. Os dispositivos BioMEM devem estar em contato com o ambiente, mas devem ser protegidos dele ao mesmo tempo. Poeira, biomoléculas indesejadas ou outras partículas podem facilmente contaminar as estruturas de microescamias diminuindo ou destruindo completamente a funcionalidade do dispositivo. Assim, a fabricação desses dispositivos em uma sala limpa é preferida para minimizar a contaminação. Esses sistemas miniaturizados às vezes são usados como prova de dispositivos conceituais que são eventualmente dimensionados para acomodar a análise de grandes volumes ou um analito. No entanto, isso pode apresentar um desafio significativo. Por exemplo, a escalação de um dispositivo microfluido para dimensões maiores resultará em mudanças significativas no fluxo de fluidos e no comportamento de transferência de massa. Como resultado, o resultado desejado não pode ser replicado em grande escala limitando assim a escala até o uso de muitos dispositivos menores. Os dispositivos BioMEM são usados em uma ampla gama de aplicações em pesquisas bioanalíticas. Por exemplo, dispositivos microfluidos podem ser empregados como bioreatores de volume extremamente pequeno. Neste estudo foi utilizado um bio-reator de pico-litro para análise de células únicas. Células únicas entraram na câmara e foram capazes de crescer e dividir. À medida que a densidade celular global aumentava durante o crescimento, células individuais saíram do reator através de pequenos canais, permitindo a análise de células únicas. Isso permitiu a medição direta da taxa de crescimento, morfologia e heterogeneidade fenotípica no nível celular único. Microfluidos também são usados para permitir a rápida separação de biomoléculas e outros componentes de microescala. Neste exemplo, dispositivos microfluidos ramificados foram usados para separar contas e células de tamanho semelhante. Contas e células foram fluídas para os canais e o dispositivo então conectado a uma fonte elétrica para induzir um campo elétrico. Sem o campo elétrico aplicado, as contas fluíram por todos os canais. No entanto, uma vez que o campo foi ligado, as contas foram direcionadas apenas através de um. A mistura de contas e células poderia então ser separada em diferentes canais usando essa técnica. Finalmente, os dispositivos BioMEM são frequentemente usados como bioeletrônica em miniatura. Neste exemplo, foi feito um transistor de efeito de campo, ou FET, na microescala. Os FETs utilizam um campo elétrico para controlar a condutividade elétrica do material semicondutor no dispositivo. Este FET foi funcionalizado com nano-fios de silício e moléculas de sonda que são sensíveis a mudanças no ambiente. Foi então usado para sentir alvos biológicos, como DNA ou biomarcadores. Você acabou de ver a visão geral de Jove sobre BioMEMs. Agora você deve entender o que são BioMEMs, algumas técnicas comuns usadas para fabricá-los, seus desafios e como eles são usados no campo da bioengenharia. Obrigado por assistir.

Offenlegungen

No conflicts of interest declared.

Transkript

Through the use of low sample and reagent volumes as well as parallel processing, miniaturizing analytical devices to the micro scale saves both time and cost. These tiny instruments are referred to as Bio Micro-Electro-Mechanical Devices also known as BioMEMs. BioMEMs are used as miniaturized diagnostic devices in vivo or in vitro and can perform various functions such as sampling, filtration reactions, or detection. In addition, their dimensions enable Improved sensitivity and selectivity in analytical devices. This video will introduce common BioMEMs devices used in research, prominent fabrication methods, and key challenges in the field.

BioMEM devices are typically made using microfabrication techniques in a clean room and have at least one dimension on the micrometer scale. Upon fabrication, the device is integrated to larger instrumentation. Common BioMEM devices are Micro-total Analysis Systems, also called Lab-on-a-chip. These systems perform all or part of a specific analysis. For example microfluidic devices are one of the most common types of Lab-on-a-chip systems. Microfluidic devices possess microscale channels on a chip, which enable separations, reactions, and measurements to be made with small sample volumes. Because of the microscale dimensions, these devices utilize pressure driven flow or capillary action to transport analytes or reagents through the channels. Since the system uses laminar flow, mass transfer and mixing is diffusion based. This is preferred over turbulent flow, where mixing is chaotic and irregular. In addition, the dimensions enable a high surface to volume ratio in systems utilizing a surface bound catalyst or enzyme. This encourages enhanced interactions between analytes in the fluid stream and service bound components. Finally, due to their small size, rapid and uniform heat transfer is possible. This enables improved control and uniformity during sample heating. These systems are thus used for a wide range of diagnostic applications or even to fabricate microparticles. Now that we’ve introduced BioMEMs, let’s take a look at how they are typically fabricated.

The most common material used for BioMEMs, especially integrated circuit devices, is silicon. Silicon wafers are typical used as the substrate material where shapes and patterns are created on top of or even etched into the surface. Polymers are often used as well as they are less expensive and sometimes easier to manipulate and prepare. Polymers enable the simple replication of complex structures via injection molding, embossing, or replica molding. Finally, metals are integrated into BioMEMs to enable the improved fabrication of micro-scale circuitry. Metals such as gold, silver, and chromium are deposited in layers using electroplating or evaporation. The majority of complex microstructures are fabricated using photolithography, a technique used to pattern a substrate using light. The substrate, usually a silicon wafer, is first coated with a UV-reactive substance called photoresist. The pattern is then transferred from a mask to the coated substrate using UV light. After various processing steps this pattern is then permanently etched into the silicon substrate leaving a three-dimensional structure. Another technique, often used in conjunction with photolithography, is soft lithography. Soft lithography is a technique that uses polymers to replicate 3D structures. It is call soft lithography because elastomeric polymers are normally used. The most common elastomer used for this is polydimethylsiloxane, or PDMS. PDMS is a silicon based elastomer that is optically clear, non-toxic, inert. PDMS is poured directly onto the micro-structure, then de-gassed and cured. This technique enables the replication of complex structures without the need for complicated or expensive processing steps.

Despite the well-established fabrication methods, there are challenges associated with preparing and using BioMEM devices. First, BioMEM devices utilize sub-micrometer features which can be difficult to fabricate when they are extremely complex or require multiple layers. Miniaturization also introduces physical challenges that would not be encountered on the large scale. For example, defects in surface roughness, channel diameters, or assembled molecules within the device, are amplified due to the small scale, and can change device function. Another challenge is contamination. BioMEM devices must be in contact with the environment, yet must be protected from it at the same time. Dust, unwanted biomolecules or other particulates can easily contaminate the micro-scale structures diminishing or completely destroying device functionality. Thus, fabrication of these devices in a cleaned room is preferred in order to minimize contamination. These miniaturized systems are sometimes used as proof of concept devices that are eventually scaled up to accommodate the analysis of large volumes or an analyte. However, this can present a significant challenge. For example, scaling a microfluidic device to larger dimensions will result in significant changes in fluid flow and mass transfer behavior. As a result, the desired outcome cannot be replicated on the large scale thereby limiting scale up to the use of many smaller devices.

BioMEM devices are used in a wide range of applications in bioanalytical research. For example, microfluidic devices can be employed as extremely small volume bioreactors. In this study a pico-liter bio-reactor was utilized for single cell analysis. Single cells entered the chamber and were able to grow and divide. As the overall cell density increased during growth, individual cells exited the reactor through small channels, enabling single cell analysis. This allowed for the direct measurement of growth rate, morphology, and phenotypic heterogeneity on the single cell level. Microfluidics are also used to enable the rapid separation of biomolecules and other microscale components. In this example, branched microfluidic devices were used to separate beads and cells of similar size. Beads and cells were flowed into the channels and the device then connected to an electrical source to induce an electrical field. Without the applied electric field, the beads flowed through all channels. However, once the field was turned on, the beads were directed only through one. The mixture of beads and cells could then be separated into different channels using this technique. Finally, BioMEM devices are often used as miniature bioelectronics. In this example, a field effect transistor, or FET, was made on the microscale. FETs use an electric field to control the electrical conductivity of the semi-conductor material in the device. This FET was functionalized with silicon nano-wires and probe molecules which are sensitive to changes in the environment. It was then used to sense biological targets, such as DNA or biomarkers.

You’ve just watch Jove’s overview of BioMEMs. You should now understand what BioMEMs are, some common techniques used to fabricate them, their challenges and how they are used in the bioengineering field. Thanks for watching.

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Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Overview of BioMEM Devices. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

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