BioMEMS

BioMEMS (Biological Micro Electro Mechanical Systems) on mikrosysteemien sovellushaara, joka keskittyy biologisiin sovelluksiin, kuten solujen tai DNA:n tutkimiseen. Toisinaan BioMEMS-termiä käytetään mikrofluidistiikan synonyyminä.

Historia

Vuonna 1967 S. B. Carter raportoi varjohöyrystettyjen palladiumsaarekkeiden käytöstä solujen kiinnittämiseen. Tämän ensimmäisen bio-MEMS-tutkimuksen jälkeen alan kehitys oli hidasta noin 20 vuoden ajan. Vuonna 1985 Unipath Inc. toi markkinoille ClearBlue-raskaustestin, jota käytetään yhä nykyäänkin ja jota voidaan pitää ensimmäisenä paperia sisältävänä mikrofluidisena laitteena ja ensimmäisenä markkinoille saatettuna mikrofluidisena tuotteena.

Vuonna 1990 sveitsiläisen Ciba-Geigyn (nykyisin Novartis) tutkijat Andreas Manz ja H. Michael Widmer ottivat käyttöön termin mikrokokonaisanalyysijärjestelmä (micro total analysis system, μTAS) uraauurtavassa julkaisussaan, jossa he ehdottivat miniatyrisoitujen kemiallisten kokonaisanalyysijärjestelmien käyttöä kemiallisessa aistimisessa. μTAS-käsitteen taustalla on ollut kolme tärkeää motivaatiotekijää. Ensinnäkin lääkkeiden löytäminen viime vuosikymmeninä ennen 1990-lukua oli ollut rajallista, koska makroskooppisilla laitteilla ei ollut aikaa ja kustannuksia suorittaa useita kromatografisia analyysejä rinnakkain. Toiseksi lokakuussa 1990 käynnistynyt ihmisen geeniperimää koskeva hanke (Human Genome Project, HGP) synnytti tarpeen parantaa DNA:n sekvensointikapasiteettia. Kapillaarielektroforeesista tuli näin ollen kemiallisten ja DNA:n erotusmenetelmien painopistealue.

Kolmanneksi Yhdysvaltain puolustusministeriön DARPA tuki 1990-luvulla useita mikrofluidiikan tutkimusohjelmia, koska oli havaittu, että oli tarpeen kehittää kentällä käytettäviä mikrojärjestelmiä kemiallisten ja biologisten aineiden havaitsemiseksi, jotka olivat potentiaalisia sotilaallisia ja terrorismin uhkia. Tutkijat alkoivat käyttää mikroelektroniikkateollisuudelta periytyviä fotolitografialaitteita mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) mikrovalmistukseen. Tuolloin MEMS:ien soveltaminen biologiaan oli rajallista, koska tämä tekniikka oli optimoitu pii- tai lasikiekkoihin ja siinä käytettiin liuotinpohjaisia fotolaseja, jotka eivät olleet yhteensopivia biologisen materiaalin kanssa. Vuonna 1993 Harvardin kemisti George M. Whitesides esitteli edullisen PDMS-pohjaisen mikrovalmistuksen, mikä mullisti bio-MEMS-alan. Sen jälkeen bio-MEMS-ala on kasvanut räjähdysmäisesti. Valikoituja merkittäviä teknisiä saavutuksia 1990-luvun bio-MEMS-kehityksen aikana ovat mm. seuraavat:

Vuonna 1991 kehitettiin ensimmäinen oligonukleotidisiru. Vuonna 1998 kehitettiin ensimmäiset kiinteät mikroneulat lääkkeiden annostelua varten. Vuonna 1998 kehitettiin ensimmäinen jatkuvatoiminen polymeraasiketjureaktiosiru. Vuonna 1999 demonstroitiin ensimmäistä kertaa heterogeeninen laminaarinen virtaus solujen selektiivistä käsittelyä varten mikrokanavissa.

Nykyään agaroosin kaltaiset hydrogeelit, bioyhteensopivat fotoresistit ja itsekokoonpano ovat keskeisiä tutkimusalueita bio-MEMS:ien parantamisessa PDMS:n korvaajina tai täydentäjinä.

Lähestymistavat

Materiaalit

Pii ja lasi

Tavanomaisia mikromuokkaustekniikoita, kuten märkäsyövytystä, kuivasyövytystä, syväreaktiivista ionisyövytystä, sputterointia, anodista liimausta ja fuusioliimausta, on käytetty bio-MEMS:issä virtauskanavien, virtausantureiden, kemiallisten ilmaisimien, erotuskapillaarien, sekoittimien, suodattimien, pumppujen ja venttiilien valmistukseen. Piipohjaisten laitteiden käyttämiseen biolääketieteellisissä sovelluksissa liittyy kuitenkin joitakin haittoja, kuten niiden korkea hinta ja bioyhteensopimattomuus. Koska ne ovat vain kertakäyttöisiä, suurempia kuin MEMS-vertaislaitteensa ja vaativat puhdastiloja, korkeat materiaali- ja käsittelykustannukset tekevät piipohjaisista bio-MEMS-laitteista taloudellisesti vähemmän houkuttelevia. In vivo piipohjaiset bio-MEMSit voidaan helposti funktionalisoida proteiinien adsorption minimoimiseksi, mutta piin hauraus on edelleen suuri ongelma.

Muovit ja polymeerit

Muovien ja polymeerien käyttö bio-MEMS:issä on houkuttelevaa, koska ne ovat helposti valmistettavia, yhteensopivia mikrotyöstö- ja nopeiden prototyyppimenetelmien kanssa ja edullisia. Monet polymeerit ovat myös optisesti läpinäkyviä, ja ne voidaan integroida järjestelmiin, joissa käytetään optisia havaitsemistekniikoita, kuten fluoresenssia, UV/Vis-absorbanssia tai Raman-menetelmää. Lisäksi monet polymeerit ovat biologisesti yhteensopivia, kemiallisesti inerttejä liuottimille ja sähköisesti eristäviä sovelluksissa, joissa tarvitaan voimakkaita sähkökenttiä, kuten elektroforeettisessa erottelussa. Polymeerien pintakemiaa voidaan myös muokata erityissovelluksia varten. Erityisesti PDMS:n pintaa voidaan ionisäteilyttää magnesiumin, tantaalin ja raudan kaltaisilla alkuaineilla pinnan hydrofobisuuden vähentämiseksi, mikä mahdollistaa solujen paremman kiinnittymisen in vivo -sovelluksissa. Yleisimpiä bio-MEMSeissä käytettäviä polymeerejä ovat PMMA, PDMS, OSTEmer ja SU-8.

Biologiset materiaalit

A) Fibronektiinin mikromuotoilu PNIPAM-lasipinnalla. B) & C) Yksittäiset fibroblastit on rajoitettu tilallisesti fibronektiinin mikromallin geometriaan. Biologisten materiaalien, kuten proteiinien, solujen ja kudosten mikromittakaavan manipulointia ja kuviointia on käytetty kehitettäessä solupohjaisia matriiseja, mikrosarjoja, mikrovalmistukseen perustuvaa kudostekniikkaa ja keinotekoisia elimiä. * Biologista mikrokuviointia voidaan käyttää korkean läpimenon yksittäisten solujen analysointiin, solujen mikroympäristön tarkkaan hallintaan sekä solujen hallittuun integrointiin sopiviin monisoluisiin arkkitehtuureihin in vivo -olosuhteiden toistamiseksi. Fotolitografia, mikrokontaktipainatus, valikoiva mikrofluidinen toimitus ja itse kootut monokerrokset ovat joitakin menetelmiä, joita käytetään biologisten molekyylien kuvioimiseksi pinnoille. Solujen mikrokuviointia voidaan tehdä käyttämällä solunulkoisen matriisin proteiinien mikrokontaktikuviointia, soluelektroforeesia, optisia pinsettirakenteita, dielektroforeesia ja sähkökemiallisesti aktiivisia pintoja.

Paperi

Paperimikrofluidiikka (joskus kutsutaan myös nimellä lab on paper) tarkoittaa paperisubstraattien käyttöä mikrovalmistuksessa nestevirtauksen manipuloimiseksi eri sovelluksissa. Paperimikrofluidiikkaa on sovellettu paperielektroforeesissa ja immunomäärityksissä, joista merkittävin on kaupallistettu raskaustesti ClearBlue. Paperin käytön etuihin mikrofluidiikassa ja elektroforeesissa bio-MEMS:ssä kuuluvat sen alhaiset kustannukset, biologinen hajoavuus ja luonnollinen imukyky. Paperipohjaisen mikrofluidiikan vakava haittapuoli on se, että paperin imeytymisnopeus riippuu ympäristöolosuhteista, kuten lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Paperipohjaiset analyysilaitteet ovat erityisen houkuttelevia kehitysmaiden hoitopistediagnostiikassa, koska niiden materiaalikustannukset ovat alhaiset ja koska niissä painotetaan kolorimetrisiä määrityksiä, joiden avulla terveydenhuollon ammattilaiset voivat helposti tulkita tuloksia silmämääräisesti. Perinteisiin mikrofluidisiin kanaviin verrattuna paperin mikrokanaviin pääsee käsiksi näytteiden (erityisesti rikosteknisten näytteiden, kuten ruumiinnesteiden ja maaperän) syöttämisessä, ja sen luonnolliset suodatusominaisuudet sulkevat pois näytteiden solujätteet, lian ja muut epäpuhtaudet. Paperipohjaiset jäljennökset ovat osoittaneet saman tehokkuuden tavanomaisten mikrofluidisten toimintojen suorittamisessa, kuten hydrodynaamisessa fokusoinnissa, kokopohjaisessa molekyylien uuttamisessa, mikrosekoittamisessa ja laimentamisessa. Yleiset 96- ja 384-kuoppaiset mikrolevyt automaattiseen nesteenkäsittelyyn ja analyysiin on jäljennetty paperille fotolitografian avulla, jotta saavutetaan ohuempi profiili ja alhaisemmat materiaalikustannukset säilyttäen yhteensopivuus tavanomaisten mikrolevyjen lukijoiden kanssa. Paperin mikrokuviointitekniikoihin kuuluvat fotolitografia, laserleikkaus, mustesuihkutulostus, plasmakäsittely ja vahakuviointi.

Sähkökinetiikka

Esimerkki elektroforeesikokeesta: Kaksi kartiokantaista elektrodia asetetaan mikrokanavan sisään- ja ulostuloon, ja soluja siirretään mikrokanavaa pitkin tasasähkökentän avulla. Elektrokinetiikkaa on hyödynnetty bio-MEMS:issä molekyylien ja solujen seosten erottamiseen sähkökenttien avulla. Elektroforeesissa nesteessä oleva varattu laji liikkuu sähkökentän vaikutuksesta. Elektroforeesia on käytetty pienten ionien, varattujen orgaanisten molekyylien, proteiinien ja DNA:n fraktiointiin. Elektroforeesi ja mikrofluidiikka ovat hyvin synergistisiä, koska mikrokanavissa voidaan käyttää suurempia jännitteitä nopeamman lämmönpoiston ansiosta. Isoelektrinen fokusointi on sellaisten proteiinien, organellien ja solujen erottelua, joilla on erilaiset isoelektriset pisteet. Isosähköinen fokusointi edellyttää pH-gradienttia (joka yleensä tuotetaan elektrodeilla) kohtisuoraan virtaussuuntaan nähden. Kiinnostavien lajien lajittelu ja fokusointi saavutetaan, koska elektroforeettinen voima aiheuttaa kohtisuoran siirtymisen, kunnes ne virtaavat pitkin vastaavia isoelektrisiä pisteitä. Dielektroforeesi on varauksettomien hiukkasten liikettä, joka johtuu epäyhtenäisten sähkökenttien indusoimasta polarisaatiosta. Dielektroforeesia voidaan käyttää bio-MEMS:issä dielektroforeesiloukkuihin, tiettyjen hiukkasten keskittämiseen tiettyihin pisteisiin pinnoilla ja hiukkasten ohjaamiseen virtauksesta toiseen dynaamista keskittämistä varten.

Mikrofluidiikka

Mikrofluidiikalla tarkoitetaan järjestelmiä, joissa käsitellään pieniä (µL, nL, pL, fL) nestemääriä mikrovalmisteisilla alustoilla. Mikrofluidiset lähestymistavat bio-MEMS:iin tuovat useita etuja:

Kun samaan mikrokanavaan lisätään useita liuoksia, ne virtaavat laminaaristen virtausominaisuuksien ansiosta erillisillä virtauskaistoilla (ei sekoittumista). Virtaus mikrokanavissa on laminaarista, mikä mahdollistaa solujen valikoivan käsittelyn mikrokanavissa, virtauskuvioiden ja pitoisuuksien matemaattisen mallintamisen sekä solujen biologisen ympäristön ja biokemiallisten reaktioiden kvantitatiiviset ennusteet. Mikrofluidiset ominaisuudet voidaan valmistaa solutasolla tai sitä pienemmässä mittakaavassa, mikä mahdollistaa (sub)soluilmiöiden tutkimisen, yksittäisten solujen kylvämisen ja lajittelun sekä fysiologisten parametrien toistamisen. Mikroelektroniikan, mikromekaniikan ja mikrooptiikan integrointi samalle alustalle mahdollistaa laitteen automaattisen ohjauksen, mikä vähentää inhimillisiä virheitä ja käyttökustannuksia. Mikrofluiditekniikka on suhteellisen edullista eräkohtaisen valmistuksen ja korkean läpimenon (rinnakkaistaminen ja redundanssi) ansiosta. Tämä mahdollistaa kertakäyttöisten tai kertakäyttöisten sirujen valmistuksen, mikä parantaa käyttömukavuutta ja vähentää biologisen ristikontaminaation todennäköisyyttä sekä nopeaa prototyyppien valmistusta. Mikrofluidiset laitteet kuluttavat paljon pienempiä määriä reagensseja, ne voidaan valmistaa siten, että ne vaativat vain pienen määrän analyyttejä kemiallista havaitsemista varten, ne vaativat vähemmän aikaa prosessien ja reaktioiden suorittamiseen ja tuottavat vähemmän jätettä kuin perinteiset makrofluidiset laitteet ja kokeet. Mikrofluidisten laitteiden asianmukainen pakkaaminen voi tehdä niistä sopivia puettaviin sovelluksiin, implantteihin ja kannettaviin sovelluksiin kehitysmaissa.

Kiinnostava lähestymistapa, jossa yhdistyvät sähkökineettiset ilmiöt ja mikrofluidiikka, on digitaalinen mikrofluidiikka. Digitaalisessa mikrofluidiikassa substraatin pintaan on mikromuotoiltu elektrodeja ja se aktivoidaan valikoivasti. Pienten nestepisaroiden manipulointi tapahtuu elektrokostutuksen avulla. Se on ilmiö, jossa sähkökenttä muuttaa elektrolyyttipisaran kostutuskykyä pinnalla.

Bio-MEMS miniatyrisoituina biosensoreina