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

Aperçu des dispositifs BioMEMS

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Overview

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.

Procedure

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.

Disclosures

No conflicts of interest declared.

Transcript

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

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