This content is Free Access.
Overview of BioMEM Devices
  • 00:06Panoramica
  • 00:51Types of BioMEM Devices
  • 02:34Prominent Materials and Methods
  • 04:39Key Challenges
  • 06:15Applications
  • 08:08Summary

Überblick über BioMEM-Geräte

English

Condividere

Panoramica

Bio-mikroelektromechanische Systeme, auch genannt BioMEMs, sind Microscale-Geräte, die den Einsatz von Probe und Reagenz Kleinmengen für Diagnosegeräte in Vivo und in Vitrozu ermöglichen. Diese Geräte führen Sie verschiedene Funktionen wie Filterung, Sensorik oder Synthese auf Microscale, Kosteneinsparungen und verbesserte Empfindlichkeit ermöglicht.

Dieses Video stellt BioMEMs, berührt ihre Anwendung im Bereich Biotechnologie und präsentiert einige prominente Methoden bei der Herstellung verwendet. Dieses Video erläutert darüber hinaus einige wichtigen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Miniaturisierung der Geräte, sowie einige Anwendungen der Technologie.

Procedura

Durch den Einsatz von niedrigen Probe und Reagenz Bände sowie Parallelverarbeitung spart Miniaturisierung Analysegeräte auf der Mikroskala Zeit und Kosten. Diese kleinen Instrumente sind als Bio-Micro-Electro-Mechanical-Geräte auch bekannt als BioMEMs bezeichnet. BioMEMs dienen als miniaturisierte Diagnosegeräte in vivo oder in vitro und können verschiedene Funktionen wie z.B. Probenahmen, Filtration Reaktionen oder Erkennung durchführen. Darüber hinaus ermöglichen ihre Abmessungen verbesserte Empfindlichkeit und Selektivität in analytischen Geräten. Dieses Video wird gemeinsame BioMEMs Geräte in Forschung, prominente Herstellungsmethoden und Herausforderungen im Bereich vorstellen.BioMEMs Geräte werden in der Regel mit Mikro-Fertigungstechniken in einem Reinraum hergestellt und haben mindestens eine Dimension auf den Mikrometer Skala. Bei der Herstellung ist das Gerät zu größeren Instrumentierung integriert. Gemeinsame BioMEMs Geräte sind Micro-Gesamt-Analyse-Systeme, auch genannt Lab-on-a-Chip. Diese Systeme erfüllen alle oder einen Teil einer spezifischen Analyse. Zum Beispiel sind mikrofluidischen Geräte eine der am häufigsten verwendeten Typen von Lab-on-a-Chip-Systemen. Mikrofluidische Geräte besitzen Mikromaßstab Kanäle auf einem Chip, die Trennungen, Reaktionen und Messungen mit kleinen Probenvolumina ermöglichen. Aufgrund der Abmessungen Mikromaßstab nutzen diese entwirft Druck angetrieben, Flow, oder haarartige Tätigkeit Analyten oder Reagenzien durch die Kanäle zu transportieren. Da laminare Strömung verwendet, ist Stoffaustausch und mischen Diffusion basiert. Dies wird bevorzugt über turbulente Strömung wo ist mischen, chaotisch und unregelmäßig. Darüber hinaus die Dimensionen ermöglichen eine erhöhte Fläche zum Volumenverhältnis in Systemen unter Verwendung einer Oberfläche Katalysator oder Enzym gebunden. Dies fördert die verstärkte Wechselwirkungen zwischen Analyten in der Fluidstrom und Dienst gebunden Komponenten. Schließlich ist die schnelle und gleichmäßige Wärmeübertragung aufgrund ihrer geringen Größe möglich. Dies ermöglicht bessere Kontrolle und Einheitlichkeit beim Aufheizen der Probe. Diese Systeme dienen somit für ein breites Spektrum diagnostischer Anwendungen oder sogar Mikropartikel zu fabrizieren. Jetzt, wo wir BioMEMs vorgestellt haben, werfen Sie einen Blick an wie sie in der Regel hergestellt werden.Silizium ist die am häufigsten verwendete Material für BioMEMs, vor allem integrierte Schaltung Geräte verwendet. Silizium-Wafer sind typische verwendet als Substratmaterial dem Formen und Mustern erstellt oben auf oder sogar in die Oberfläche geätzt. Polymere werden häufig so gut wie sie sind weniger teuer und manchmal leichter zu manipulieren und vorzubereiten. Polymere ermöglichen die einfache Replikation komplexer Strukturen durch Spritzgießen, Prägungen oder Replikat-Spritzgießen. Zu guter Letzt sind Metalle BioMEMs ermöglichen die verbesserten Herstellung von Mikromaßstab Schaltung integriert. Metalle wie Gold, Silber und Chrom sind in Schichten mit Galvanik oder Verdunstung hinterlegt. Die Mehrheit der komplexen Mikrostrukturen sind hergestellt mit Fotolithografie, eine Technik verwendet, um ein Substrat mit Licht-Muster. Das Substrat, in der Regel einen Silizium-Wafer, wird zunächst mit einer UV reaktive Substanz namens Fotolack beschichtet. Das Muster wird dann von einer Maske auf das beschichtete Substrat mit UV-Licht übertragen. Nachdem verschiedene dieses Muster Verarbeitungsschritte wird dann dauerhaft in der Silizium-Substrat, so dass eine dreidimensionale Struktur geätzt. Eine andere Technik, oft in Verbindung mit Fotolithografie, verwendet ist weiche Lithographie. Weiche Lithographie ist eine Technik, die Polymere verwendet, um 3-d-Strukturen zu replizieren. Es ist Anruf weiche Lithographie, weil normalerweise Elastomere Polymere verwendet werden. Die am häufigsten verwendete Elastomer verwendet hierfür ist Polydimethylsiloxan PDMS. PDMS ist ein siliziumbasierten Elastomer, die optisch klar, ungiftig, inert. PDMS ist direkt auf die Mikro-Struktur gegossen dann de-vergast und geheilt. Diese Technik ermöglicht die Nachbildung von komplexen Strukturen ohne die Notwendigkeit für komplizierte oder teure Verarbeitungsschritte.Trotz der etablierten Herstellungsmethoden gibt es Herausforderungen im Zusammenhang mit der Vorbereitung und Verwendung von BioMEMs Geräten. Erstens nutzen BioMEMs Geräte Sub-Mikrometer-Features, die schwierig sein können, wenn sie äußerst komplex sind und erfordern mehrere Schichten zu fabrizieren. Miniaturisierung führt auch körperliche Herausforderungen, die nicht auf der großen Skala angetroffen werden würden. Z. B. defekte Oberflächenrauheit, Kanal Durchmesser oder zusammengesetzte Moleküle innerhalb des Gerätes sind aufgrund des geringen Umfangs verstärkt und Gerätefunktion ändern können. Eine weitere Herausforderung ist die Verschmutzung. BioMEMs Geräte müssen in Kontakt mit der Umwelt sein, doch gleichzeitig von ihm geschützt werden müssen. Staub, unerwünschte Biomoleküle oder anderen Partikeln können leicht die Mikromaßstab Strukturen verringern oder vollständig zerstört Gerätefunktionalität verunreinigen. Somit ist Herstellung dieser Geräte in einem gereinigten Zimmer bevorzugt, um Kontamination zu minimieren. Diese miniaturisierte Systeme werden manchmal als Nachweis der Konzept-Geräte verwendet, die schließlich oben skaliert werden, um die Analyse von großen Mengen oder eines Analyten unterzubringen. Allerdings kann dies eine große Herausforderung darstellen. Z. B. führt Skalierung ein mikrofluidischen Gerät in größeren Dimensionen Veränderungen im Flüssigkeitsstrom und Stoffaustausch Verhalten. Infolgedessen kann das gewünschte Ergebnis auf der großen Skala Skala bis die Verwendung von vielen kleineren Geräten eingeschränkt repliziert werden.BioMEMs Geräte sind in einer Vielzahl von Anwendungen in der bioanalytischen Forschung verwendet. Beispielsweise können mikrofluidischen Geräte als sehr kleines Volumen-Bioreaktoren eingesetzt werden. In dieser Studie wurde ein Pico-Liter-Bio-Reaktor für die einzelne Zelle Analyse genutzt. Einzelzellen trat in die Kammer und waren in der Lage zu wachsen und sich teilen. Mit zunehmender insgesamt Zelldichte während des Wachstums verlassen einzelne Zellen des Reaktors durch kleine Kanäle, was einzelne Zelle Analyse ermöglicht. Dies ermöglichte die direkte Messung der Wachstumsrate, Morphologie und phänotypische Heterogenität auf der Ebene der einzelnen Zelle. Mikrofluidik werden auch verwendet, um die schnelle Trennung von Biomolekülen und andere Mikromaßstab Komponenten ermöglichen. In diesem Beispiel verzweigte mikrofluidischen verwendeten Geräte wurden Perlen und Zellen von ähnlicher Größe zu trennen. Perlen und Zellen waren flossen in die Kanäle und das Gerät dann angeschlossen an eine Stromquelle, ein elektrisches Feld induzieren. Ohne das angewandte elektrische Feld floss die Perlen durch alle Kanäle. Sobald das Feld aktiviert wurde, waren die Perlen jedoch nur durch eine gerichtet. Die Mischung aus Perlen und Zellen kann dann in verschiedene Kanäle, die mit dieser Technik getrennt werden. Schließlich sind BioMEMs Geräte oft als Miniatur Bioelektronik verwendet. In diesem Beispiel, ein Feldeffekt-Transistors oder FET wurde auf der Mikro-Skala. FETs verwenden ein elektrisches Feld um die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter-Material in das Gerät zu steuern. Dieser FET wurde mit Silicium Nano-Drähte funktionalisiert und Sonde Moleküle, die empfindlich auf Veränderungen in der Umwelt sind. Es wurde dann zur biologische Zielen wie DNA oder Biomarker zu spüren.Du hast nur zuschauen Jove Überblick über BioMEMs. Sie sollten jetzt verstehen, was BioMEMs, sind einige gängige Techniken verwendet, um sie, fertigen ihre Herausforderungen und ihre Verwendung im Bereich Biotechnologie. Danke fürs Zuschauen.

Divulgazioni

No conflicts of interest declared.

Trascrizione

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.

Tags

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

Applications