Bio-MEMS

Bio-MEMS és l'abreviatura de sistemes microelectromecánicos biomèdics (o biològics). Els Bio-MEMS es solapan considerablement, i a voltes es consideren sinònims, en els sistemes lab-on-a-chip (LOC) i els sistemes de microanálisis total (μTAS). Els Bio-MEMS solen centrar-se més en les peces mecàniques i les tecnologies de microfabricación adaptades a les aplicacions biològiques. Per un atre costat, el lab-on-a-chip s'ocupa de la miniaturisació i integració dels processos i experiments de laboratori en chips únics (a sovint microfluídicos). En esta definició, els dispositius lab-on-a-chip no tenen estrictament aplicacions biològiques, encara que la majoria sí les tenen o són susceptibles de ser adaptades per a fins biològics. De la mateixa manera, els sistemes d'anàlisis micrototal poden no tindre aplicacions biològiques i solen estar dedicats a l'anàlisis químic. Una definició àmplia de bio-MEMS pot utilisar-se per a referir-se a la ciència i la tecnologia de funcionament a microescala per a aplicacions biològiques i biomèdiques, que poden incloure o no alguna funció electrònica o mecànica. El caràcter interdisciplinari dels bio-MEMS combina les ciències dels materials, les ciències clíniques, la medicina, la cirugia, l'ingenieria elèctrica, l'ingenieria mecànica, l'ingenieria òptica, l'ingenieria química i l'ingenieria biomèdica. Algunes de les seues principals aplicacions són la genómica, la proteómica, el diagnòstic molecular, el diagnòstic en el punt d'atenció, l'ingenieria de teixits, l'anàlisis de cèlules individuals i els microdispositivos implantables.

Història

En 1967, S. B. Carter va informar de l'us d'illes de paladi evaporades per l'ombra per a la fixació de cèlules. Despuix d'este primer estudi de bio-MEMS, el desenroll posterior en este camp va ser llent durant uns 20 anys. En 1985, Unipath Inc. va comercialisar ClearBlue, una prova d'embaràs que encara s'utilisa en l'actualitat i que pot considerar-se el primer dispositiu microfluídico que conté paper i el primer producte microfluídico comercialisat. En 1990, Andreas Manz i H. Michael Widmer, de Ciba-Geigy (ara Novartis), Suïssa, varen falcar per primera volta el terme sistema d'anàlisis total micro (μTAS) en el seu artícul seminal en el que proponien l'us de sistemes d'anàlisis químic total miniaturizados per a la detecció química. El concepte de μTAS es deu a tres factors principals. En primer lloc, el descobriment de fàrmacs en les últimes décades, fins als anys 90, s'hi havia vist llimitat pel temps i el cost de realisar molts anàlisis cromatogràfics en paralel en equips macroscòpics. En segon lloc, el Proyecte Genoma Humà (HGP), que va començar en octubre de 1990, va crear una demanda de millores en la capacitat de seqüenciació de el ADN. La electroforesis capilar es va convertir aixina en el centre d'atenció per a la separació química i de el ADN. En tercer lloc, la DARPA del Departament de Defensa de EE. UU. va recolzar una série de programes d'investigació en microfluidos en la década de 1990, despuix de donar-se conte de que era necessari desenrollar microsistemas desplegables sobre el terreny per a la detecció d'agents químics i biològics que eren potencials amenaces militars i terroristes. Els investigadors varen escomençar a utilisar equips de fotolitografía per a la microfabricación de sistemes microelectromecánicos (MEMS) heretats de l'indústria microelectrónica. En aquell moment, l'aplicació dels MEMS a la biologia era llimitada perque esta tecnologia estava optimisada per a obleas de silici o vidre i utilisava fotorresinas en base de dissolvent que no eren compatibles en el material biològic. En 1993, George M. Whitesides, un químic d'Harvard, va introduir la microfabricación econòmica basada en PDMS, lo que va revolucionar el camp dels bio-MEMS. Des de llavors, el camp de la bio-MEMS s'ha disparat. Entre els principals guanys tècnics alcançats durant el desenroll de la bio-MEMS en la década de 1990 es troben els següents

En 1991, es va desenrollar el primer chip de oligonucleótidos En 1998, es varen desenrollar les primeres microagujas sòlides per a l'administració de fàrmacs. En 1998, es va desenrollar el primer chip de reacció en cadena de la polimerasa de fluix continu En 1999, la primera demostració de fluix laminares heterogéneus per al tractament selectiu de cèlules en microcanales En l'actualitat, els hidrogeles com la agarosa, les fotorresinas biocompatibles i el autoensamblaje són àrees clau d'investigació per a millorar els bio-MEMS com a substituts o complements de el PDMS.

Enfocaments

Materials

Silici i vidre

Les tècniques convencionals de micromecanizado, com el gravat en humit, el gravat en sec, el gravat iònic reactiu profunt, el sputtering, l'unió anódica i l'unió per fusió, s'han utilisat en bio-MEMS per a fabricar canals de fluix, sensors de fluix, detectors químics, capilars de separació, mezcladores, filtres, bombes i vàlvules. No obstant, l'us de dispositius basats en el silici en aplicacions biomèdiques presenta alguns inconvenients, com el seu elevat cost i el seu bioincompatibilidad. Al ser d'un sol us, ser més grans que els seus homòlecs MEMS i requerir instalacions de sala blanca, els elevats costs de material i processament fan que els bio-MEMS basats en el silici siguen menys atractius econòmicament. In viu, els bio-MEMS basats en el silici poden funcionalizarse fàcilment per a minimisar l'adsorció de proteïnes, pero la fragilitat del silici seguix sent un problema important.

Plàstics i polímero

L'us de plàstics i polímero en els bio-MEMS és atractiu perque es poden fabricar fàcilment, són compatibles en els métodos de micromecanizado i de creació ràpida de prototips, i tenen un baix cost. Molts polímero són també ópticamente transparents i poden integrar-se en sistemes que utilisen tècniques de detecció òptica com la fluorescència, la absorbancia UV/Vis o el método Raman. Ademés, molts polímero són biològicament compatibles, químicament inertes als dissolvents i eléctricamente aïllants per a aplicacions en les que són necessaris forts camps elèctrics, com la separació electroforética. La química de la superfície dels polímero també pot modificar-se per a aplicacions específiques. En concret, la superfície dels PDMS pot irradiarse en ions en elements com el magnesi, el tantalio i el ferro per a disminuir la hidrofobicidad de la superfície, lo que permet un millor adheriment celular en aplicacions "in viu". Els polímero més utilisats en els bio-MEMS són el PMMA, el PDMS, el OSTEmer i el SU-8.

Materials biològics

• A) Micropatterning de fibronectina en la superfície de vidre PNIPAM.
• B) i C) Els fibroblastos individuals estan restringits espacialment a la geometria del micropatrón de fibronectina.
• La manipulació i la modelació a microescala de materials biològics, com a proteïnes, cèlules i teixits, s'han utilisat en el desenroll de matrius celulars, micromatrices, ingenieria de teixits basada en la microfabricación i òrguens artificials. * El micromecanizado biològic pot utilisar-se per a l'anàlisis unicelular d'alt rendiment, el control precís del microentorno celular i l'integració controlada de cèlules en arquitectura multicelulares adequades per a recapitular les condicions in viu. La fotolitografía, l'impressió per microcontacto, el suministrament microfluídico selectiu i les monocapas autoensambladas són alguns dels métodos utilisats per a modelar molècules biològiques en superfícies. El micromecanizado de cèlules pot realisar-se per mig del micromecanizado per contacte de proteïnes de la matriu extracelular, la electroforesis celular, les matrius de pinces òptiques, la dielectroforesis i les superfícies electroquímicamente actives.

Paper

La microfluídica en paper (a voltes cridada laboratori en paper) és l'us de substrats de paper en la microfabricación per a manipular el fluix de decorreguts per a diferents aplicacions. La microfluídica en paper s'ha aplicat en la electroforesis en paper i en els inmunoensayos, sent el més notable el test d'embaràs comercialisat, ClearBlue. Les ventages d'utilisar paper per a la microfluídica i la electroforesis en bio-MEMS inclouen el seu baix cost, el seu biodegradabilidad i la seua acció de mecha natural. Una greu desventaja de la microfluídica basada en el paper és la dependència de la velocitat d'absorció de les condicions ambientals, com la temperatura i la humitat relativa. Els dispositius analítics basats en paper són especialment atractius per al diagnòstic en el punt d'atenció en els països en desenroll, tant pel baix cost del material com per l'émfasis en els ensajos colorimètrics que permeten als professionals mèdics interpretar fàcilment els resultats a ull. En comparació als canals microfluídicos tradicionals, els microcanales de paper són accessibles per a l'introducció de mostres (especialment les de tipo forense, com els decorreguts corporals i la terra), aixina com per les seues propietats naturals de filtrat que exclouen els restants celulars, la brutea i atres impurees de les mostres. Les rèpliques de paper han demostrat la mateixa eficàcia en la realisació d'operacions microfluídicas habituals, com l'enfocament hidrodinàmic, l'extracció molecular basada en el tamany, la micromezcla i la dilució; les microplacas habituals de 96 i 384 pocillos per a la manipulació i l'anàlisis automatizado de líquits s'han reproduït per mig de fotolitografía en paper per a conseguir un perfil més prim i un menor cost de material, mantenint la compatibilitat en els llectors de microplacas convencionals. Entre les tècniques de micromecanizado del paper es troben la fotolitografía, el brot per làser, l'impressió per chorrada de tinta, el tractament en plasma i l'estampat en cera.

Electrocinética

Un eixemple d'experiment de electroforesis: Es coloquen dos electrodos cònics a l'entrada i a l'eixida d'un microcanal i les cèlules es mouen a lo llarc del microcanal per mig d'un camp elèctric de corrent contínua aplicat. La electrocinética ha segut explotada en els bio-MEMS per a separar mescles de molècules i cèlules utilisant camps elèctrics. En la electroforesis, una espècie carregada en un líquit es mou baix l'influència d'un camp elèctric aplicat. La electroforesis s'ha utilisat per a fraccionar menuts ions, molècules orgàniques carregades, proteïnes i ADN. La electroforesis i la microfluídica són altament sinérgicas perque és possible utilisar voltages més alts en els microcanales per l'eliminació més ràpida de la calor. L'enfocament isoeléctrico és la separació de proteïnes, orgànuls i cèlules en diferents punts isoeléctricos. L'enfocament isoeléctrico requerix un gradient de pH (normalment generat en electrodos) perpendicular a la direcció del fluix. La classificació i focalización de les espècies d'interés es conseguix perque una força electroforética provoca la migració perpendicular fins que fluïx a lo llarc dels seus respectius punts isoeléctricos. La dielectroforesis és el moviment de partícules no carregades per la polarisació induïda per camps elèctrics no uniformes. La dielectroforesis es pot utilisar en bio-MEMS per a les trampes de dielectroforesis, la concentració de partícules específiques en punts concrets de les superfícies i la desviació de partícules d'un fluix a un atre per a la concentració dinàmica.

Microfluidos

La microfluídica es referix als sistemes que manipulen cantitats chicotetes ( µL, nL, pL, fL) de decorreguts en substrats microfabricados. Els enfocaments microfluídicos dels bio-MEMS conferixen vàries ventages:

Quan s'afigen múltiples solucions en el mateix microcanal, estes fluïxen en carrils de fluix separats (sense mesclar-se) per les característiques del fluix laminar.

• El fluix en els microcanales és laminar, lo que permet el tractament selectiu de les cèlules en els microcanales, la modelización matemàtica dels patrons de fluix i les concentracions, aixina com les prediccions quantitatives de l'entorn biològic de les cèlules i les reaccions bioquímiques
• Les característiques microfluídicas poden fabricar-se a escala celular o menor, lo que permet investigar fenomens (sub)celulars, sembrar i classificar cèlules individuals i recapitular paràmetros fisiològics.

L'integració de la microelectrónica, la micromecánica i la microóptica en la mateixa plataforma permet el control automatizado dels dispositius, lo que reduïx els errors humans i els costs de funcionament.

• La tecnologia microfluídica és relativament econòmica per la fabricació per lots i a l'alt rendiment (paralelización i redundància). Açò permet la producció de chips desechables o d'un sol us per a millorar la facilitat d'us i reduir la provabilitat de contaminació biològica creuada, aixina com la creació ràpida de prototips.
• Els dispositius microfluídicos consumixen una cantitat molt menor de reactius, poden requerir només una chicoteta cantitat de analitos per a la detecció química, necessiten menys temps per a completar els processos i les reaccions, i produïxen menys residus que els dispositius i experiments macrofluídicos convencionals.
• L'embalage adequat dels dispositius microfluídicos pot fer-los aptes per a aplicacions vestibles, implants i aplicacions portàtils en els països en desenroll

Un enfocament interessant que combina els fenomens electrocinéticos i la microfluídica és la microfluídica digital. En la microfluídica digital, la superfície d'un substrat es microdiseña en electrodos i s'activa selectivament. La manipulació de chicotetes gotes de decorregut es produïx a través de la electrohumectación, que és el fenomen en el que un camp elèctric canvia la humectabilidad d'una gota de electrolito en una superfície.