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

Resumen de dispositivos BioMEM

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Panoramica

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.

Procedura

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.

Divulgazioni

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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.

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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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