Bio-MEMS

Bio-MEMS on lühend biomeditsiinilistest (või bioloogilistest) mikroelektromehaanilistest süsteemidest. Bio-MEMS-idel on märkimisväärne kattuvus ja neid peetakse mõnikord sünonüümiks lab-on-a-chip (LOC) ja mikro-kompleksanalüüsisüsteemidega (μTAS). Bio-MEMS keskendub tavaliselt rohkem mehaanilistele osadele ja bioloogiliste rakenduste jaoks sobivaks tehtud mikrovalmistustehnoloogiatele. Teisalt on lab-on-a-chip seotud laboriprotsesside ja katsete miniatuurseks muutmise ja integreerimisega üksikutesse (sageli mikrofluidilistesse) kiipidesse. Selles määratluses ei ole lab-on-a-chip seadmetel rangelt võttes bioloogilisi rakendusi, kuigi enamikul neist on või on võimalik neid kohandada bioloogilisteks eesmärkideks. Samamoodi ei pruugi mikrototaalanalüüsi süsteemid olla bioloogiliste rakenduste jaoks mõeldud ja on tavaliselt ette nähtud keemiliseks analüüsiks. Bio-MEMSi laiemat määratlust võib kasutada teaduse ja tehnoloogia all, mis käsitleb mikroskaalal toimimist bioloogiliste ja biomeditsiiniliste rakenduste jaoks, mis võivad sisaldada või mitte sisaldada elektroonilisi või mehaanilisi funktsioone. Bio-MEMSi interdistsiplinaarne olemus ühendab materjaliteadust, kliinilisi teadusi, meditsiini, kirurgiat, elektrotehnikat, masinaehitust, optikat, keemiatehnikat ja biomeditsiinitehnikat. Mõned selle peamised rakendused on genoomika, proteoomika, molekulaardiagnostika, punktdiagnostika, koetehnoloogia, üksikrakuanalüüs ja implantaaditavad mikroseadmed.

Ajalugu

1967. aastal teatas S. B. Carter, et rakkude kinnitamiseks kasutatakse varju aurustatud pallaadiumsaari. Pärast seda esimest bio-MEMSi uuringut oli edasine areng selles valdkonnas umbes 20 aastat aeglane. 1985. aastal tõi Unipath Inc. turule tänapäevalgi kasutatava rasedustesti ClearBlue, mida võib pidada esimeseks paberit sisaldavaks mikrofluidikaseadmeks ja esimeseks mikrofluidikaseadmeks, mis jõudis turule. 1990. aastal lõid Andreas Manz ja H. Michael Widmer Ciba-Geigy'st (praegu Novartis) Šveitsis esmakordselt termini "mikro-totaalanalüüsisüsteem" (μTAS) oma põhjapanevas artiklis, milles nad tegid ettepaneku kasutada miniatuurseid keemilisi totaalanalüüsisüsteeme keemilise sensori jaoks. μTASi kontseptsiooni taga on olnud kolm peamist motivatsioonitegurit. Esiteks oli ravimite avastamine viimastel aastakümnetel kuni 1990. aastateni piiratud aja ja kulude tõttu, mis olid seotud paljude kromatograafiliste analüüside paralleelse läbiviimisega makroskoopilistel seadmetel. Teiseks tekitas 1990. aasta oktoobris alanud Inimese Genoomi Projekt (HGP) nõudluse DNA sekveneerimise võimsuse parandamiseks. Seega tõusis kapillaarelektroforees keemilise ja DNA eraldamise fookusesse. Kolmandaks toetas USA kaitseministeeriumi DARPA 1990. aastatel mitmeid mikrofluidika uurimisprogramme pärast seda, kui mõisteti, et on vaja välja töötada kohapeal rakendatavad mikrosüsteemid keemiliste ja bioloogiliste ainete avastamiseks, mis kujutavad endast potentsiaalset sõjalist ja terroristlikku ohtu. Teadlased hakkasid kasutama mikroelektroonikatööstusest päritud fotolitograafia seadmeid mikroeletromehaaniliste süsteemide (MEMS) mikrotootmiseks. Tollal oli MEMSi rakendamine bioloogias piiratud, sest see tehnoloogia oli optimeeritud räni või klaasplaatide jaoks ja kasutati lahustipõhiseid fotoresiste, mis ei sobinud bioloogilise materjaliga. 1993. aastal tutvustas Harvardi keemik George M. Whitesides odavat PDMS-põhist mikrofabrikatsiooni ja see tõi bio-MEMSi valdkonnas revolutsiooni. Sellest ajast alates on bio-MEMSi valdkond plahvatuslikult kasvanud. Valitud peamised tehnilised saavutused bio-MEMSi arendamise ajal 1990. aastatel on järgmised:

• 1991. aastal töötati välja esimene oligonukleotiidikiip.
• 1998. aastal töötati välja esimesed tahked mikronõelad ravimite manustamiseks.
• 1998. aastal töötati välja esimene pideva vooluga polümeraasi ahelreaktsiooni kiip.
• 1999. aastal demonstreeriti esmakordselt heterogeensete laminaarvoolude kasutamist rakkude selektiivseks töötlemiseks mikrokanalites.

Tänapäeval on hüdrogeelid, nagu agaroos, biosobilised fotoresistid ja enesekehtestamine peamised uurimisvaldkonnad bio-MEMSi täiustamisel, mis asendavad või täiendavad PDMSi.

Lähenemisviisid

Materjalid

Räni ja klaas

Tavapäraseid mikrotöötlustehnikaid, nagu märg söövitus, kuiv söövitus, sügav reaktiivne ioonide söövitus, sputterdamine, anoodiline sidumine ja sulatussidumine, on kasutatud bio-MEMSis voolukanalite, vooluandurite, keemiliste detektorite, eralduskapillaaride, segurite, filtrite, pumpade ja ventiilide valmistamiseks. Siiski on ränipõhiste seadmete kasutamisel biomeditsiinilistes rakendustes mõningaid puudusi, näiteks nende kõrge hind ja bioloogiline kokkusobimatus. Kuna need on ainult ühekordseks kasutamiseks mõeldud, suuremad kui nende MEMS-aparaadid ja nõuavad puhtaid ruume, muudavad kõrged materjali- ja töötlemiskulud ränipõhised bio-MEMSid majanduslikult vähem atraktiivseks. In vivo ränipõhiseid bio-MEMSe saab kergesti funktsionaliseerida, et vähendada valkude adsorptsiooni, kuid räni rabedus on endiselt suur probleem.

Plastid ja polümeerid

Plastide ja polümeeride kasutamine bio-MEMSides on atraktiivne, sest neid on lihtne valmistada, need sobivad mikrotöötlemise ja kiire prototüüpimise meetoditega ning on odavad. Paljud polümeerid on ka optiliselt läbipaistvad ja neid saab integreerida süsteemidesse, mis kasutavad optilisi avastamismeetodeid, nagu fluorestsents, UV/Vis neeldumine või Ramani meetod. Lisaks sellele on paljud polümeerid bioloogiliselt sobivad, keemiliselt inertsed lahustite suhtes ja elektriliselt isoleerivad rakenduste jaoks, kus on vaja tugevaid elektrivälju, nagu näiteks elektroforeetiline eraldamine. Polümeeride pinna keemiat saab ka modifitseerida konkreetsete rakenduste jaoks. PDMSi pinda saab ioonidega kiiritada selliste elementidega nagu magneesium, tantaal ja raud, et vähendada pinna hüdrofoobsust, mis võimaldab rakkude paremat haardumist in vivo rakendustes. Kõige levinumad bio-MEMSides kasutatavad polümeerid on PMMA, PDMS, OSTEmer ja SU-8.

Bioloogilised materjalid

• A) Fibronektiini mikromusterdamine PNIPAM-klaasi pinnal.
• B) & C) Üksikud fibroblastid on ruumiliselt piiratud fibronektiini mikromustri geomeetriaga.
• Bioloogiliste materjalide, näiteks valkude, rakkude ja kudede mikromõõtmelist manipuleerimist ja mustritamist on kasutatud rakupõhiste massiivide, mikromassiivide, mikrofabrikatsioonil põhineva koetehnoloogia ja tehisorganite arendamisel.
• Bioloogilist mikromustrimist saab kasutada kõrge läbilaskevõimega üksikraku analüüsiks, rakulise mikrokeskkonna täpseks kontrollimiseks, samuti rakkude kontrollitud integreerimiseks sobivatesse mitmerakulistesse arhitektuuridesse, et jäljendada in vivo tingimusi. Fotolitograafia, mikrokontaktne trükkimine, selektiivne mikrofluidiline manustamine ja isekehtestatud monokihid on mõned meetodid, mida kasutatakse bioloogiliste molekulide mustrimiseks pindadele. Rakkude mikromustrit saab teha kasutades rakuvälise maatriksi valkude mikrokontaktmustrit, rakuelektroforeesi, optilisi pintsettide massiive, dielektroforeesi ja elektrokeemiliselt aktiivseid pindu.

Paber

Paberist mikrofluidika (mõnikord nimetatakse seda ka laboriks paberil) on pabersubstraatide kasutamine mikrotootmises, et manipuleerida vedelikuvoolu erinevate rakenduste jaoks. Paberist mikrofluidikat on rakendatud paberelektroforeesi ja immunoanalüüside puhul, millest kõige märkimisväärsem on kaubanduslikuks saanud rasedustest ClearBlue. Paberi kasutamise eelised mikrofluidikas ja elektroforeesis bio-MEMSis on selle odavus, biolagundatavus ja loomulik imbumisvõime. Paberil põhineva mikrofluidika tõsine puudus on niiskuse kiiruse sõltuvus keskkonnatingimustest, nagu temperatuur ja suhteline niiskus. Paberipõhised analüüsiseadmed on eriti atraktiivsed arengumaade punktdiagnostika jaoks nii madalate materjalikulude kui ka kolorimeetriliste analüüside rõhuasetuse tõttu, mis võimaldavad meditsiinitöötajatel tulemusi hõlpsasti silmaga tõlgendada. Võrreldes traditsiooniliste mikrofluidiliste kanalitega on paberist mikrokanalid ligipääsetavad proovide sisestamiseks (eriti kohtuekspertiisi tüüpi proovid, nagu kehavedelikud ja pinnas), samuti on paberil loomulikud filtreerimisomadused, mis välistavad rakujäägid, mustuse ja muud proovides olevad lisandid. Paberipõhised jäljendid on näidanud sama tõhusust tavaliste mikrofluidikaoperatsioonide, näiteks hüdrodünaamilise fokuseerimise, molekuli ekstraheerimise, mikrosegamise ja lahjendamise teostamisel; tavalised 96- ja 384-kujulised mikroplaadid vedelike automaatseks käitlemiseks ja analüüsiks on reprodutseeritud fotolitograafia abil paberile, et saavutada õhem profiil ja madalamad materjalikulud, säilitades samas ühilduvuse tavaliste mikroplaadilugejatega. Mikromustrilise paberi valmistamise tehnikad hõlmavad fotolitograafiat, laserlõikamist, tindiprintimist, plasmatöötlust ja vahamustrit.

Elektrokineetika

Elektroforeesi katse näide: kaks koonilist elektroodi asetatakse nii mikrokanali sisse- kui ka väljavoolu kohale ja rakke liigutatakse piki mikrokanalit rakendatud alalisvoolu elektrivälja abil.

Elektrokineetikat on kasutatud bio-MEMSis molekulide ja rakkude segude eraldamiseks elektrivälja abil. Elektroforeesi puhul liigub laetud liik vedelikus rakendatud elektrivälja mõjul. Elektroforeesi on kasutatud väikeste ioonide, laetud orgaaniliste molekulide, valkude ja DNA fraktsioneerimiseks. Elektroforees ja mikrofluidika on väga sünergilised, sest tänu kiiremale soojuse eemaldamisele on mikrokanalites võimalik kasutada kõrgemaid pingeid. Isoelektriline fookus on erinevate isoelektriliste punktidega valkude, organellide ja rakkude eraldamine. Isoelektriline fookus nõuab pH-gradienti (tavaliselt elektroodidega loodud), mis on risti voolusuunaga. Huvipakkuvate liikide sorteerimine ja fokuseerimine saavutatakse, sest elektroforeetiline jõud põhjustab risti rännet, kuni see voolab mööda vastavaid isoelektrilisi punkte. Dielektroforees on laenguta osakeste liikumine ebaühtlastest elektriväljadest tingitud indutseeritud polarisatsiooni tõttu. Dielektroforeesi saab kasutada bio-MEMSis dielektroforeesilõksude loomiseks, konkreetsete osakeste kontsentreerimiseks konkreetsetes punktides pindadel ja osakeste suunamiseks ühest voolust teise dünaamiliseks kontsentreerimiseks.

Mikrofluidika

Mikrofluidika viitab süsteemidele, mis manipuleerivad väikeseid (µL, nL, pL, fL) vedelike koguseid mikrovalmistatud substraatidel. Bio-MEMSi mikrofluidika annab mitmeid eeliseid:

• Kui ühte ja samasse mikrokanalisse lisatakse mitu lahust, voolavad need laminaarse voolu omaduste tõttu eraldi vooluradadel (ei segune).
• Voolamine mikrokanalites on laminaarne, mis võimaldab rakkude selektiivset töötlemist mikrokanalites, voolumustrite ja kontsentratsioonide matemaatilist modelleerimist, samuti rakkude bioloogilise keskkonna ja biokeemiliste reaktsioonide kvantitatiivseid prognoose.
• Mikrofluidilisi elemente saab valmistada raku mõõtkavas või väiksemas mõõtkavas, mis võimaldab (sub)rakuliste nähtuste uurimist, üksikute rakkude külvamist ja sorteerimist ning füsioloogiliste parameetrite kordamist.

Mikroelektroonika, mikromehaanika ja mikrooptika integreerimine samale platvormile võimaldab automatiseeritud seadme juhtimist, mis vähendab inimlikke vigu ja tegevuskulusid.

• Mikrofluidika tehnoloogia on suhteliselt ökonoomne tänu partiide valmistamisele ja suurele läbilaskevõimele (paralleliseerimine ja redundantsus). See võimaldab toota ühekordselt kasutatavaid või ühekordselt kasutatavaid kiipe, mis parandab kasutusmugavust ja vähendab bioloogilise ristsaastumise tõenäosust, samuti kiiret prototüüpimist.
• Mikrofluidikaseadmed tarbivad palju väiksemaid koguseid reaktiive, neid saab valmistada nii, et keemiliseks avastamiseks on vaja ainult väikest kogust analüüse, protsesside ja reaktsioonide lõpuleviimiseks kulub vähem aega ning need tekitavad vähem jäätmeid kui tavalised makrofluidikaseadmed ja -katseid.
• Mikrofluidikaseadmete asjakohane pakendamine võib muuta need sobivaks kantavateks rakendusteks, implantaatideks ja kaasaskantavateks rakendusteks arengumaades.

Huvitav lähenemisviis, mis ühendab elektrokineetilised nähtused ja mikrofluidika, on digitaalne mikrofluidika. Digitaalses mikrofluidikas on substraadi pind mikromustritega kaetud ja valikuliselt aktiveeritud elektroodidega. Väikeste vedeliku tilkade manipuleerimine toimub elektrokineetika kaudu, mis on nähtus, mille puhul elektriväli muudab elektrolüütilise tilga märguvus pinnal.

Bio-MEMS kui miniatuursed biosensorid

Biosensorid on seadmed, mis koosnevad bioloogilisest äratundmissüsteemist, mida nimetatakse bioretseptoriks, ja muundurist. Analüüdi ja bioretseptori vastastikmõju põhjustab mõju, mille muundur saab muundada mõõtmiseks, näiteks elektriliseks signaaliks. Kõige levinumad bioretseptorid, mida kasutatakse biotuvastuses, põhinevad antikeha ja antigeeni, nukleiinhappe, ensüümide, rakkude ja biomimeetiliste materjalide koostoimel. Levinud muunduritehnikad hõlmavad mehaanilist, elektrilist ja optilist avastamist.

Mikromehaanilised andurid

Mehaaniline avastamine bio-MEMSis saavutatakse mikro- ja nanomõõtkavalate kandeelementide abil pinge ja massi tuvastamiseks või mikro- ja nanomõõtkavalate plaatide või membraanide abil. Stressianduris toimub biokeemiline reaktsioon selektiivselt ühel pool kantseliivi, et põhjustada pinna vaba energia muutust. Selle tulemuseks on kantiiveri paindumine, mis on mõõdetav kas optiliselt (laserpeegeldus neljapunktilises detektoris) või elektriliselt (pieso-takisti kantiiveri fikseeritud servas) pinna pinge muutumise tõttu. Massimõõtmise puhul vibreerib kandekandur oma resonantssagedusel, mida mõõdetakse elektriliselt või optiliselt. Kui toimub biokeemiline reaktsioon, mis on kantiiveri külge kinnitatud, muutub kantiiveri mass ja resonantssagedus. Nende andmete analüüs võib siiski olla veidi keerulisem, sest on leitud, et proovi adsorptsioon kantiiverile muudab ka kantiiveri Youngi moodulit. Kantilevi jäikus muutub ka selle resonantssagedust, mistõttu tuleb analüüsida võnkesignaali müra, et teha kindlaks, kas resonantssagedus sõltub ka elastsuse muutumisest. Seda tehnikat kasutatakse tavaliselt DNA nukleotiidide valesti sobivate aluside tuvastamiseks, sest vale aluside esinemisest tingitud massi muutumine on piisav, et muuta kantseliivi resonantssagedust ja registreerida signaal. Massi tuvastamine ei ole vedelikes nii tõhus, sest minimaalne tuvastatav mass on niisketes keskkondades palju suurem. Riputatud mikrokanalite takistid on eriline kantseliidi konstruktsioon, mis suudab seda piirangut vältida, kasutades kantseliidi sees olevaid mikrofluidilisi kanaleid. Need kanalid võimaldavad liikuma panna proovid in situ kantiiveri peal, ilma kantiiveri uputamata, mõjutades minimaalselt selle võnkumist. See tehnoloogia on siiski alles lapsekingades ja seda ei ole veel võimalik kasutada kaugemale kui mõned üksikud piiratud rakendused. Cantileveriandurite kasutamise eelis on see, et analüüsitaval ainel või bioretseptoril ei ole vaja optiliselt tuvastatavat märgistust.

Elektrilised ja elektrokeemilised sensorid

Elektriline ja elektrokeemiline avastamine on kergesti kohandatav kaasaskantavuse ja miniatuursuse tõttu, eriti võrreldes optilise avastamisega. Amperomeetrilistes biosensorites põhjustab ensüümkatalüüsitud redoksreaktsioon redokselektronide voolu, mida mõõdetakse tööelektroodiga. Amperomeetrilisi biosensoreid on kasutatud bio-MEMSides glükoosi, galaktoosi, laktoosi, karbamiidi ja kolesterooli avastamiseks, samuti gaasi avastamiseks ja DNA hübriidistamiseks. Potentsiomeetriliste biosensorite puhul mõõdetakse elektrilist potentsiaali ühel elektroodil teise elektroodi suhtes. Potentsiomeetriliste biosensorite näideteks on ioonitundlikud väljatransistorid (ISFET), keemilised väljatransistorid (chem-FET) ja valguse abil adresseeritavad potentsiomeetrilised sensorid (LAPS). Konduktomeetriliste biosensorite puhul mõõdetakse kahe elektroodi vahelise elektriimpedantsi muutusi biomolekulaarse reaktsiooni tulemusena. Konduktomeetrilised mõõtmised on lihtsad ja hõlpsasti kasutatavad, sest ei ole vaja spetsiaalset võrdluselektroodi, ning neid on kasutatud biokeemiliste ainete, toksiinide, nukleiinhapete ja bakterirakkude avastamiseks.

Optilised andurid

Optilise detekteerimise väljakutse on vajadus integreerida detektorid ja fotodioodid miniatuurses kaasaskantavas formaadis bio-MEMSi. Optiline avastamine hõlmab fluorestsentsil põhinevaid tehnikaid, kemiluminestsentsil põhinevaid tehnikaid ja pindplasmonresonantsi (SPR). Fluorestsentsil põhinevate optiliste meetodite puhul kasutatakse markereid, mis kiirgavad valgust konkreetsetel lainepikkustel ja optilise signaali olemasolu või suurenemine/vähenemine (nt fluorestsentsresonantsi energiaülekanne) näitab, et reaktsioon on toimunud. Fluoresentsil põhinevat avastamist on kasutatud mikrolaiudades ja PCR-kiibil põhinevates seadmetes. Kemiluminestsents on valguse teke keemilise reaktsiooni energia vabanemise teel. Bioluminestsents ja elektrokeemiline luminestsents on kemiluminestsentsuse alaliigid. Pinnaplasmonresonantsandurid võivad olla õhukese kile refraktomeetrid või võre, mis mõõdavad pinnaplasmonite resonantskäitumist metall- või dielektrilistel pindadel. Resonants muutub, kui biomolekulid püütakse kinni või adsorbeeritakse anduri pinnale, ja sõltub nii analüüdi kontsentratsioonist kui ka omadustest. Pinnaplasmonresonantsi on kasutatud toidu kvaliteedi ja ohutuse analüüsis, meditsiinilises diagnostikas ja keskkonnaseires.

Bio-MEMS diagnostika jaoks

Genoomilised ja proteoomilised mikromõõturid

Affymetrix GeneChip® on näide genoomilisest mikromustrist. Genoomiliste ja proteoomiliste mikrolaagrite eesmärk on muuta suure läbilaskevõimega genoomianalüüs kiiremaks ja odavamaks ning tuvastada aktiveeritud geenid ja nende järjestused. Mikrolaudades kasutatavaid bioloogilisi üksusi on palju erinevaid, kuid üldiselt koosneb mikrolaud korrastatud mikrolaikude kogumikust, millest igaüks sisaldab ühte kindlat molekulaarset liiki, mis interakteerub analüüdiga tuhandete parameetrite üheaegseks testimiseks ühes eksperimendis. Mõned genoomiliste ja proteoomiliste mikromassiivide rakendused on vastsündinute skriining, haiguste riski tuvastamine ja ravi tõhususe ennustamine personaliseeritud meditsiini jaoks.

Oligonukleotiidide kiibid

Oligonukleotiidikiibid on oligonukleotiidide mikrosarjad. Neid saab kasutada mutatsioonide avastamiseks ja ekspressiooni jälgimiseks ning geenide avastamiseks ja kaardistamiseks. Oligonukleotiid-mikromassiivi valmistamise peamised meetodid on geelipadjad (Motorola), mikroelektroodid (Nanogen), fotolitograafia (Affymetrix) ja tindiprits-tehnoloogia (Agilent).

Geeliplaatide abil kinnitatakse eelnevalt valmistatud oligonukleotiidid aktiveeritud polüakrüülamiidi plaastritele. Mikroelektroodide abil saab negatiivselt laetud DNA-d ja molekulaarsed sondid koondada interaktsiooniks pingestatud elektroodidele.

Fotolitograafia abil luuakse substraadile valguse eksponeerimise muster, kasutades fotomaski või virtuaalset fotomaski, mis projitseeritakse digitaalsest mikropeegelseadmest. Valgus eemaldab valitud ekspositsioonialadelt fotoläbipaistvad kaitserühmad. Pärast kaitsevõime eemaldamist eksponeeritakse fotolabiilse kaitserühmaga nukleotiidid kogu pinnal ja keemiline sidumisprotsess toimub ainult seal, kus eelmises etapis valgust eksponeeriti. Seda protsessi saab korrata, et sünteesida pinnal suhteliselt lühikese pikkusega oligonukleotiide, nukleotiidi kaupa.

Tindipritsitehnoloogiat kasutades trükitakse nukleotiidid tilkhaaval pinnale, et moodustada oligonukleotiide.

cDNA-mikromass

cDNA-mikrolaipe kasutatakse sageli suuremahulisteks sõelumis- ja ekspressiooniuuringuteks. cDNA-mikrolaudade puhul kogutakse rakkudest mRNA ja muundatakse see pöördtranskriptsiooni teel cDNA-ks. Seejärel immobiliseeritakse cDNA molekulid (igaüks vastab ühele geenile) ~100 µm läbimõõduga laikudena membraanile, klaasist või ränist kiibile metallnõeltega. Detekteerimiseks hübriiditakse rakkudest saadud fluorestseeruvalt märgistatud üheahelaline cDNA mikromassi molekulide külge ning analüüsiks kasutatakse töödeldud proovi (näiteks punase märgistusega) ja töötlemata proovi (mis on märgistatud teise värviga, näiteks rohelisega) diferentseeritud võrdlust. Punased punktid tähendavad, et vastav geen ekspresseerus töödeldud proovis kõrgemal tasemel. Seevastu rohelised punktid tähendavad, et vastav geen ekspresseerus kõrgemal tasemel töötlemata proovis. Kollased täpid, mis tulenevad punaste ja roheliste täppide kattumisest, tähendavad, et vastav geen ekspresseerus mõlemas proovis suhteliselt samal tasemel, samas kui tumedad täpid näitavad, et kummaski proovis ei ekspresseeru või ekspressioon on tühine.

Peptiidide ja valkude mikroanalüüsid

Peptiidide ja valkude mikroskoopide kasutamise motivatsioon on esiteks selles, et mRNA transkriptsioonid korreleeruvad sageli halvasti sünteesitud valkude tegeliku kogusega. Teiseks ei saa DNA-mikroskoopide abil tuvastada valkude translatsioonijärgset modifikatsiooni, mis mõjutab otseselt valkude funktsiooni. Kolmandaks puudub mõnes kehavedelikus, näiteks uriinis, mRNA. Valgu mikrokihid koosnevad valkude raamatukogust, mis on immobiliseeritud substraatlaastule, tavaliselt klaasile, ränile, polüstüreenile, PVDFile või nitrotselluloosile. Üldiselt on olemas kolme tüüpi valgumikroskoopid: funktsionaalsed, analüütilised või püüdmis- ja pöördfaasilised valgumikroskoopid.

Funktsionaalsed valgumassiivid näitavad volditud ja aktiivseid valke ning neid kasutatakse molekulaarsete koostoimete skriininguks, valguradade uurimiseks, translatsioonijärgse modifikatsiooni sihtmärkide tuvastamiseks ja ensüümide aktiivsuse analüüsimiseks. Analüütilised või püüdmisvalkude massiivid kuvavad antigeene ja antikehi, et profileerida valkude või antikehade ekspressiooni seerumis. Neid massiive saab kasutada biomarkerite avastamiseks, valgukoguste jälgimiseks, signaaliradade aktiivsuse jälgimiseks ja antikehade repertuaaride profileerimiseks haiguste korral. Reverse-phase proteiinimassiividega testitakse rakulüsaatide ja seerumi proovide kordusi erinevate antikehadega, et uurida konkreetsete valkude ekspressiooni muutusi ja valkude modifikatsiooni haiguse progresseerumise ajal, samuti biomarkerite avastamiseks. Valgu mikromassiividel on ranged tootmis-, ladustamis- ja katsetingimused, kuna need on vähe stabiilsed ja nende puhul tuleb arvestada immobiliseeritud valkude natiivset voldimist. Peptiidid seevastu on keemiliselt vastupidavamad ja võivad säilitada valkude funktsiooni osalisi aspekte. Seetõttu on proteoomika uurimises ja diagnostikas valkude mikrolaiendite täiendamiseks kasutatud peptiidide mikrolaiendeid. Valgu mikromassiivid kasutavad tavaliselt Escherichia coli't, et toota huvipakkuvaid valke; samas kui peptiidimikromassiivid kasutavad peptiidide valmistamiseks SPOT-tehnikat (peptiidide järkjärguline süntees tselluloosil) või fotolitograafiat.

PCR-kiibid

Pidevvoolupõhine PCR-mikrofluidikasüsteem, milles on õhukese kilega kuumutid, süstlapump ja pideva vooluga PCR-kanal. Selle bio-MEMSi näite rakendus on gripi A RNA võimendamiseks hingamisteede proovides. Polümeraasi ahelreaktsioon (PCR) on põhiline molekulaarbioloogiline tehnika, mis võimaldab DNA järjestuste selektiivset amplifitseerimist, mis on kasulik haruldaste proovide, nt: tüvirakud, biopsiad, tsirkuleerivad kasvajarakud, laiendatud kasutamisel. Reaktsioon hõlmab DNA-järjestuse ja DNA-polümeraasi termilist tsüklit kolme erineva temperatuuri läbimisel. Tavapäraste PCR-seadmete kuumutamine ja jahutamine on aeganõudev ja tüüpilised PCR-reaktsioonid võivad kesta tunde. Muud tavapärast PCR-i puudused on kallite reaktiivide suur kulu, lühikeste fragmentide amplifitseerimise eelistamine ja lühikeste kimeeriliste molekulide tootmine. PCR-kiipe kasutatakse reaktsioonikeskkonna miniatuurseks muutmiseks, et saavutada kiire soojusülekanne ja kiire segunemine tänu suuremale pinna ja mahu suhtele ning lühikestele difusioonidistantsidele. PCR-kiipide eeliste hulka kuuluvad lühem termiline tsükli aeg, ühtlasem temperatuur, mis suurendab saagist, ja teisaldatavus ravipunktis kasutamiseks. Mikrofluidiliste PCR-kiipide kaks probleemi on PCR-i pärssimine ja saastumine, mis on tingitud suure pinna ja mahu suhtest, mis suurendab pinna ja reagendi vastastikmõju. Näiteks ränisubstraadid on hea soojusjuhtivusega, mis võimaldab kiiret kuumutamist ja jahutamist, kuid võib mürgitada polümeraasi reaktsiooni. Ränisubstraadid on ka läbipaistmatud, mis takistab qPCRi optilist avastamist, ja elektriliselt juhtivad, mis takistab elektroforeetilist transporti läbi kanalite. Samal ajal on klaas ideaalne materjal elektroforeesi jaoks, kuid see pärsib ka reaktsiooni. Polümeerid, eriti PDMS, on optiliselt läbipaistvad, ei ole inhibeerivad ja neid saab kasutada elektroforeetilise klaaskanali katmiseks. On olemas ka mitmesuguseid muid pinnatöötlusvahendeid, sealhulgas polüetüleenglükool, veise seerumi albumiin ja ränidioksiid. On olemas statsionaarseid (kambripõhiseid), dünaamilisi (pidevvoolupõhiseid) ja mikrotilkade (digitaalne PCR) kiibiarhitektuurid.

Kambripõhine arhitektuur tuleneb tavapäraste PCR-reaktorite kahanemisest, mida on raske suurendada. Selle arhitektuuri abil on välja töötatud neljakihiline klaas-PDMS-seade, mis integreerib mikroventiilid, mikrokuumutid, temperatuuriandurid, 380-nl reaktsioonikambrid ja kapillaarelektroforeesi kanalid pöördtranskriptsioonipolümeraasi ahelreaktsiooni (RT-PCR) jaoks, millel on attomolaarne avastamistundlikkus. Pideval voolul põhinev arhitektuur liigutab proovi läbi erinevate temperatuuritsoonide, et saavutada termiline tsüklilisus. See lähenemisviis kasutab vähem energiat ja on suure läbilaskevõimega, kuid tarbib palju reaktiivi ja voolukanalites võivad tekkida gaasimullid. Digitaalne PCR välistab proovi/reaktiivi pinnale adsorbeerumise ja saastumise, teostades PCRi mikrotroppides või mikrokambrites. PCR tilkudes takistab ka homoloogiliste geenifragmentide rekombinatsiooni, nii et lühikeste kimeeriliste toodete süntees on välistatud.

Point-of-care-diagnostikaseadmed

Ämmaemand võtab Ugandas 20 minuti jooksul verd, et mõõta patsientide CD4-arvu, kasutades Pima-point-of-care CD4-analüsaatorit. Võimalus teha meditsiinilist diagnostikat voodi ääres või ravipunktis on tervishoius oluline, eriti arengumaades, kus juurdepääs tsentraalsetele haiglatele on piiratud ja liiga kallis. Selleks on välja töötatud ravipunktis kasutatavad diagnostilised bio-MEMSid, mis võtavad sülje-, vere- või uriiniproovid ning teostavad integreeritud lähenemisviisi raames proovi eeltöötluse, proovi fraktsioneerimise, signaali võimendamise, analüüdi tuvastamise, andmeanalüüsi ja tulemuste kuvamise. Eelkõige on veri väga levinud bioloogiline proov, sest see läbib keha iga paari minuti tagant ja selle sisu võib näidata paljusid tervise aspekte.

Proovide konditsioneerimine

Vereanalüüsis tuleb eraldada valgeliblede, trombotsüüdid, bakterid ja plasma. Sõelad, sõelad, inertsed piiritus- ja voolu ümberjuhtimisseadmed on mõned lähenemisviisid, mida kasutatakse vereplasma ettevalmistamisel rakuvabaks analüüsiks. Sõelad võivad olla mikrokonstruktsiooniga, millel on kõrge suhtarvuga kolonnid või postid, kuid need sobivad ainult väikese koormuse korral, et vältida rakkude ummistumist. Paisud on madalad mesa-taolised lõigud, mida kasutatakse voolu piiramiseks kitsastesse kihtide vahelistesse piludesse ilma postideta. Paisude kasutamise üks eelis on see, et postide puudumine võimaldab efektiivsemalt retenaati ringlusse võtta, et voolata üle filtri, et pesta maha ummistunud rakud. Analüütide eraldamise hõlbustamiseks kasutatakse magnetilisi helmekesi. Need mikroskoopilised helmed on funktsionaliseeritud sihtmolekulidega ja neid liigutatakse läbi mikrofluidiliste kanalite, kasutades muutuvat magnetvälja. See on kiire meetod sihtmärkide kogumiseks analüüsiks. Pärast selle protsessi lõppu rakendatakse tugevat, statsionaarset magnetvälja, et immobiliseerida sihtmärgiga seotud helmed ja pesta ära mittesiduvad helmed. H-filter on kahe sisse- ja väljavooluga mikrofluidiline seade, mis kasutab ära laminaarvoolu ja difusiooni, et eraldada komponendid, mis difundeeruvad üle kahe sissevooluvoolu vahelise liidese. Voolukiiruse, difusiooni vahemaa ja vedeliku viibimisaja reguleerimise abil filtris jäetakse rakud filtraadist välja nende aeglasema difusioonikiiruse tõttu. H-filter ei ummistu ja võib töötada lõputult, kuid analüütide lahjendamine on kahekordne. Rakuanalüüsiks võib rakke uurida kas tervena või pärast lüüsi. Lüüsipuhvri voolu saab sisestada koos rakke sisaldava vooluga ja difusiooni teel esile kutsuda lüüsi enne edasist analüüsi. Rakkude analüüs toimub tavaliselt voolutsütomeetria abil ja seda saab rakendada mikrofluidikasse, kus vedeliku kiirus on väiksem ja läbilaskevõime väiksem kui tavapärastel makroskoopilistel analoogidel.

Proovi fraktsioneerimine

Mikrofluidika proovide eraldamine võib toimuda kapillaarelektroforeesi või pideva voolu eraldamise teel. Kapillaarelektroforeesi puhul eraldatakse pika õhukese toru abil analüüdid pinge abil, kui need rändavad elektroosmootilise voolu abil. Pidevvoolulisel eraldamisel on üldine idee rakendada voolusuunaga nurga all olev väli, et suunata proovi voolutee eri kanalite suunas. Pidevvoolu eraldamise meetodite hulka kuuluvad näiteks pidevvoolu elektroforees, isoelektriline fookus, pidevvoolu magnetiline eraldamine ja molekulaarsõelumine.

Väljapaistvad väljakutsed

Enamik turul olevaid diagnostikaseadmeid suudab testida ainult ühte haigust. Lisaks sellele on enamik seadmeid binaarse väljundiga (jah/ei), ilma nüansseeritud teabeta patsiendi seisundi kohta. Seega töötavad teadlased praegu lisaks testide väljatöötamisele rohkemate haiguste jaoks ka nende seadmete keerukuse suurendamise nimel, et suurendada nende kasulikkust. MEMS-diagnostikaseadmeid on raske valmistada väljaspool laboratooriumi. Suur osa nende seadmete uurimisest toimub kliimakontrollitud laborites, kus seadmeid saab katsetada vahetult pärast nende valmistamist. Kuna aga paljusid neist seadmetest kasutatakse troopiliste haiguste sõelumiseks, peavad need olema piisavalt vastupidavad, et elada kuumades ja niisketes tingimustes. Samuti tuleb neid pikalt ladustada alates tootmisest kuni kasutamiseni. Troopiliste haiguste uurimise rahastamine on piiratud. Lisaks sellele tuleb enne meditsiiniseadme heakskiitmist ületada palju regulatiivseid takistusi, mis võivad maksta kümneid miljoneid dollareid. Seega peavad troopiliste haiguste uurimisega tegelevad ettevõtted sageli ühendama oma troopiliste haiguste uurimiseesmärgid teiste, paremini rahastatud meditsiiniliste uuringute valdkondade uurimisega.

Bio-MEMS koetehnoloogias

Rakukultuur

Tavapärane rakukultuuritehnoloogia ei võimalda tõhusalt ravimite, kasvufaktorite, neuropeptiidide, geenide ja retroviiruste kombineeritud testimist rakukultuuris. Kuna rakke tuleb perioodiliselt toita värske söötmega ja passageerida, nõuab isegi mõne tingimuse testimine suurt arvu rakke ja tarvikuid, kalleid ja mahukaid inkubaatoreid, suuri vedeliku koguseid (~0,1–2 ml proovi kohta) ja tüütut inimtööd. Inimtööjõu nõue piirab ka katsete arvu ja pikkust ajahetkede vahel. Mikrofluidilised rakukultuurid on potentsiaalselt suur edasiminek, sest neid saab automatiseerida, samuti annavad nad väiksemaid üldkulusid, suuremat läbilaskevõimet ja kvantitatiivsemaid kirjeldusi üksikute rakkude käitumise varieeruvuse kohta. Kaasates gaasivahetuse ja temperatuuri reguleerimise süsteemid kiibile, võib mikrofluidiline rakukultuuride kasvatamine kaotada vajaduse inkubaatorite ja koekultuurikapuute järele. Sellise pideva mikrofluidilise rakukultuuri toimimisega kaasnevad siiski ka oma ainulaadsed probleemid. Rakkude külvamisel mikrokanalitesse on oluline voolu kontroll, sest pärast rakususpensiooni esialgset süstimist tuleb voolu peatada, et rakud kinnituksid või jääksid kinni mikrokanalitesse, dielektroforeetilistesse, mikromagnetilistesse või hüdrodünaamilistesse püünistesse. Seejärel tuleb voolu jätkata nii, et see ei tekitaks suuri jõude, mis lõikaksid rakud substraadist välja. Vedelike doseerimine käsitsi või robotpipettimisega võib asendada mikropumpade ja mikroventiilidega, kus vedeliku doseerimine on lihtsasti määratav, erinevalt mikrosegistite poolt kasutatavatest pideva voolu süsteemidest. Inimese embrüonaalsete tüvirakkude osteogeense diferentseerumise uurimiseks on välja töötatud täielikult automatiseeritud mikrofluidiline rakukultuurisüsteem. Samuti on välja töötatud käeshoitav mikrofluidiline rakukultuuri inkubaator, mis on võimeline rakukultuurilahuseid kuumutama ja pumpama. Mikrofluidiliste kultuuride mahu vähenemise tõttu on kogutud kontsentratsioonid suuremad, mis võimaldab paremat signaali-müra suhte mõõtmist, kuid kogumine ja avastamine on vastavalt raskem. In situ mikroskoopiamõõtmised mikrofluidiliste rakukultuuridega võivad selles osas aidata, kuid nende läbilaskevõime on väiksem, kuna mikroskoobi sondil on ainult väike vaateväli. Berkeley Lights Beacon platvorm on lahendanud kogumise ja tuvastamise probleemi, teostades mikrofluidilist kultuuri fotojuhi massiivil, mida saab optoelektriliselt aktiveerida, et manipuleerida rakke üle kiibi. Selle platvormi on võtnud kasutusele Amgen ja Novartis biofarmatseutilise tööstuse rakuliinide arendamiseks. Mikromustrilised kooskultuurid on aidanud kaasa ka bio-MEMSi kasutamisele koetehnoloogias, et jäljendada in vivo tingimusi ja looduslikku 3D-struktuuri. Konkreetselt on hepatotsüüdid kujundatud kooskultuuriks konkreetsete rakutiheduste juures koos fibroblastidega, et säilitada maksaspetsiifilised funktsioonid, nagu albumiini sekretsioon, karbamiidi süntees ja p450 detoksikatsioon. Samamoodi on mikrofluidika integreerimine mikromustriliste kooskultuuridega võimaldanud modelleerida elundeid, kus mitmed vaskulariseeritud koed, näiteks vere-aju barjäär ja kopsud, on omavahel seotud. Kopsu funktsioonid on rekonstrueeritud kopsu-on-a-chip seadmetes, kus poorne membraan ja külvatud epiteelirakkude kiht on tsükliliselt venitatud rakendatud vaakumiga kõrvuti asetsevatele mikrokanalitele, et imiteerida sissehingamist.

Tüvirakutehnoloogia

Integreeritud mikrofluidikaseade kontsentratsioonigradiendi generaatori ja individuaalsete rakukambritega diferentseerumist esilekutsuvate faktorite annusest sõltuva mõju uurimiseks. Tüvirakutehnoloogia eesmärk on kontrollida pluripotentsete tüvirakkude diferentseerumist ja iseeneslikku uuenemist rakuteraapia jaoks. Tüvirakkude diferentseerumine sõltub paljudest teguritest, sealhulgas lahustuvatest ja biokeemilistest teguritest, vedeliku nihkepingest, raku-EKMi interaktsioonidest, raku ja raku vahelistest interaktsioonidest, samuti embrüokeha moodustumisest ja organiseerumisest. Bio-MEMSi abil on uuritud, kuidas optimeerida tüvirakkude kasvatus- ja kasvutingimusi, kontrollides neid tegureid. Tüvirakkude ja nende diferentseeritud järglaste uurimiseks kasutatakse mikroanalüüse, et uurida, kuidas transkriptsioonifaktorid ja miRNAd määravad raku saatust, kuidas epigeneetilised modifikatsioonid tüvirakkude ja nende tütarrakkude vahel mõjutavad fenotüüpe, samuti tüvirakkude mõõtmist ja sorteerimist nende valkude ekspressiooni järgi.

Biokeemilised tegurid

Mikrofluidika võib kasutada oma mikroskoopilist mahtu ja laminaarse voolu omadusi tüvirakkudesse viidavate biokeemiliste tegurite ruumilis-ajaliseks kontrollimiseks. Mikrofluidika gradientgeneraatoreid on kasutatud annuse ja vastuse suhete uurimiseks. Hapnik on oluline biokeemiline tegur, mida tuleb arvesse võtta diferentseerumisel hüpoksia poolt indutseeritud transkriptsioonifaktorite (HIF) ja nendega seotud signaaliradade kaudu, eelkõige vere, veresoonkonna, platsenta ja luukoe arengus. Tavapärased meetodid hapniku mõju uurimiseks tuginesid kogu inkubaatori seadmisele konkreetsele hapniku kontsentratsioonile, mis piiras analüüsi soovitud kontsentratsioonist sõltuva iseloomustuse asemel normoksiliste ja hüpoksiliste tingimuste paarikaupa võrdlemisega. Välja töötatud lahenduste hulka kuuluvad pidevate aksiaalsete hapniku gradientide ja mikrofluidiliste rakukultuurikambrite massiivid, mis on eraldatud õhukeste PDMS-membraanidega gaasiga täidetud mikrokanalitele.

Vedeliku nihkepinge

Vedeliku nihkepinge on oluline kardiovaskulaarsete liinide tüvirakkude diferentseerumisel, samuti hilises embrüogeneesis ja organogeneesis, näiteks vasak-parem asümmeetria arengu ajal. Makromajanduslikud uuringud ei võimalda kvantitatiivset analüüsi nihkepinge diferentseerumise kohta, sest neid tehakse ainult paralleelsete plaatidega voolukambrite või pöörlevate koonusaparaatide abil sisse-välja stsenaariumides. Poiseuille'i voolamine mikrofluidikas võimaldab nihkepingeid süstemaatiliselt muuta, kasutades kanali geomeetriat ja voolukiirust mikropumpade abil, nagu on näidatud perfusioonikambrite massiivi kasutamisel mesenhümaatiliste tüvirakkude ja fibroblastide rakkude adhesiivsuse uuringutes.

Rakkude ja ECM-i vastastikmõjud

Raku ja ECMi vastastikmõjusid põhjustavad muutused diferentseerumises ja iseeneslikus uuenemises substraadi jäikuse kaudu mehhanotransduktsiooni ja erinevate integriinide ja ECMi molekulide vastastikmõju kaudu. Tüvirakkude ja ECM-i vastastikmõju uuringutes on kasutatud ECM-i valkude mikromustrit mikrokontaktprintimist (μCP), tindiprintimist ja maski pihustamist. Mikrokontaktitrükkimise abil on leitud, et rakkude kinnitumisala kontrollimiseks on leitud, et inimese mesenhümaatiliste tüvirakkude osteogeense/adipogeense liini üleminek võib sõltuda raku kujust. Mikropostide mikrotootmine ja nende läbipainde mõõtmine võimaldab määrata rakkudele rakendatavaid tõmbejõude. Fotolitograafiat saab kasutada ka rakkudega külvatud fotopolümeriseeritava ECM-i ristseotamiseks kolmemõõtmeliste uuringute jaoks. ECM-mikrolaudade kasutamine kollageeni, lamini ja fibronektiini kombinatoorsete mõjude optimeerimiseks tüvirakkudele on tavapärastest kaevuplaatidest soodsam, kuna selle läbilaskevõime on suurem ja kallimate reagentide vajadus väiksem.

Raku ja raku vastastikmõju

Raku saatust reguleerivad nii tüvirakkude omavahelised kui ka tüvirakkude ja membraanvalkude vahelised vastastikmõjud. Rakkude külvikutiheduse manipuleerimine on levinud bioloogiline tehnika rakkude ja rakkude koostoimete kontrollimisel, kuid kohaliku tiheduse kontrollimine on keeruline ja sageli on raske lahustuvaid signaale keskkonnas ja füüsilisi rakkude ja rakkude koostoimeid lahutada. Rakkude adhesiivvalkude mikromustrit saab kasutada erinevate rakkude ruumilise asukoha määramisel substraadil, et uurida inimese ESC proliferatsiooni. Täpse ruumilise kontrolli saavutamise meetodiks on tüvirakkude külvamine PDMS-mikrorakkudesse ja nende ümberpööramine substraadile või teisele rakukihile. Samuti on mikrofluidika abil uuritud lõhede vahelist kommunikatsiooni, mille puhul negatiivne rõhk, mida tekitab vedelikuvool keskkanalit ääristavates külgkanalites, püüab rakupaarid, mis on omavahel otseses kontaktis või väikese lõhega eraldatud. Üldiselt häirib aga tüvirakkude mittenullemobiilsus ja lühike rakutsükli aeg sageli nende mikrotehnoloogiate poolt kehtestatud ruumilist korraldust.

Embrüokeha moodustumine ja organiseerumine

Hiire embrüoidsed kehad suspensioonikultuuris pärast 24-tunnist moodustumist embrüonaalsetest tüvirakkudest. Embrüoidsed kehad on tavaline in vitro pluripotentsuse test tüvirakkude jaoks ja nende suurust tuleb kontrollida, et indutseerida suunatud diferentseerumist spetsiifilistesse liinidesse. Ühetaolise suurusega embrüoidsete kehade suure läbilaskevõimega moodustamine mikrorakkude ja mikrofluidika abil võimaldab hõlpsasti kätte saada ja, mis veelgi olulisem, kliiniliste kontekstide jaoks laiendada. Embrüoidkeha rakkude organismi ja arhitektuuri aktiivne kontrollimine võib samuti suunata tüvirakkude diferentseerumist, kasutades endodermi, mesodermi ja ektodermi indutseerivaid tegureid ning eneseuuendusfaktoreid mikrofluidiliste gradientide abil.

Abistatud reproduktsioonitehnoloogiad

Abistatud reproduktsioonitehnoloogiad aitavad ravida viljatust ja parandada geneetiliselt karja. Siiski on nende tehnoloogiate tõhusus imetajate embrüote krüokonserveerimisel ja in vitro tootmisel madal. Mikrofluidikat on nendes tehnoloogiates rakendatud, et paremini jäljendada in vivo mikrokeskkonda mustriliste topograafiliste ja biokeemiliste pindade abil, mis võimaldavad rakkude kontrollitud ruumilis-ajalist adhesiivsust, samuti surnud mahtude minimeerimist. Mikropumpade ja mikroventiilidega saab automatiseerida tüütuid vedeliku doseerimisprotseduure ning erinevaid andureid saab integreerida reaalajas kvaliteedikontrolliks. Bio-MEMS-seadmed on välja töötatud sperma liikuvuse hindamiseks, spermatosoidide selekteerimiseks ning in vitro viljastamise käigus polüspermia vältimiseks.

Bio-MEMS meditsiinilistes implantaatides ja kirurgias

Implanteeritavad mikroelektroodid

Implanteeritavate mikroelektroodide eesmärk on liidestuda keha närvisüsteemiga bioelektriliste signaalide salvestamiseks ja saatmiseks, et uurida haigusi, parandada proteese ja jälgida kliinilisi parameetreid. Mikrotootmine on viinud Michigani sondide ja Utah' elektroodide massiivi väljatöötamiseni, mis on suurendanud elektroode ühiku mahu kohta, lahendades samal ajal probleeme, mis on seotud paksude substraatide kahjustamisega implanteerimise ajal ja võõrkehareaktsiooni ning elektroodide kapseldamisega räni ja metallide kaudu elektroodides. Michigani sondi on kasutatud neuronite suuremahuliste salvestuste ja võrguanalüüside tegemiseks ning Utah' elektroodide massiivi on kasutatud halvatute aju ja arvuti liidese jaoks. Ekstratsellulaarsed mikroelektroodid on kujundatud täispuhutavale spiraalikujulisele plastile sisekõrvaimplantaatides, et parandada sügavamat sisestamist ja paremat elektroodide ja kudede kontakti kõrgtruudsete helide ülekandmiseks. Mikroelektroonika integreerimine õhukestele, paindlikele põhimikele on viinud südame elektrofüsioloogia mõõtmiseks mõeldud südameplaastri väljatöötamiseni, mis kinnitub südame kõverale pinnale üksnes pinnapinevuse abil, ning elektrooniliste tätoveeringute väljatöötamiseni naha temperatuuri ja bioelektrilisuse mõõtmiseks. Elektrofüsioloogiliste signaalide traadita salvestamine on võimalik, kui implanteeritud mikroseadme kahest salvestuselektroodist ja ühest transistorist koosnevale vooluringile lisatakse piesokristall. Väline muundur kiirgab ultraheli energiaimpulsse}, mis tabavad piesokristalli ja rakuvälised pinge muutused on piesokristalli poolt ultraheli tagasi hajutatud, mis võimaldab mõõtmist. Niinimetatud "närvitolmu" motide võrgustik võib kaardistada signaale kogu kehapiirkonnas, kuhu mikroandurid on implanteeritud.

Mikrotööriistad kirurgia jaoks

Südamekateeter koos temperatuuriandurite, elektrokardiograafiaandurite ja valgusdioodidega on kirurgiline bio-MEMS. Bio-MEMSid kirurgiliste rakenduste jaoks võivad parandada olemasolevat funktsionaalsust, lisada kirurgidele uusi võimalusi uute tehnikate ja protseduuride väljatöötamiseks ning parandada kirurgilisi tulemusi, vähendades riski ja andes operatsiooni ajal reaalajas tagasisidet. Mikrotöödeldud kirurgilised tööriistad, nagu pisikesed pintsakud, mikronõelte massiivid ja koe debriderid, on saanud võimalikuks tänu metallist ja keraamilistest kihtide kaupa mikrovalmistamise tehnikatele minimaalselt invasiivse kirurgia ja robotkirurgia jaoks. Andurite lisamine kirurgilistele vahenditele võimaldab kirurgile ka taktilist tagasisidet, koetüübi tuvastamist tüve ja tiheduse kaudu lõikamistoimingute ajal ning diagnostilist kateteriseerimist verevoolu, rõhu, temperatuuri, hapnikusisalduse ja keemiliste kontsentratsioonide mõõtmiseks.

Ravimite manustamine

Transdermaalne mikronõelaplaaster on vähem invasiivne võrreldes tavapärase ravimi manustamisega subkutaanse nõela abil. Mikronõelad, formuleerimissüsteemid ja implanteeritavad süsteemid on ravimite manustamiseks kasutatavad bio-MEMSid. Ligikaudu 100 μm pikkused mikroneelad võivad läbida nahabarjääri ja toimetada ravimeid aluspõhja rakkudesse ja interstitsiaalsesse vedelikku, vähendades koekahjustusi, vähendades valu ja verejooksu puudumist. Mikronõelu saab integreerida ka mikrofluidikaga, et automatiseerida ravimite laadimist või multipleksimist. Kasutaja seisukohalt saab mikroneelad lisada plaastriformaati, et neid saaks ise manustada, ning need ei kujuta endast teravaid biojäätmeid (kui materjal on polümeerist). Ravimite manustamine mikroneedlite abil hõlmab pinna katmist ravimi toimeainetega, ravimite laadimist poorsetesse või õõnes mikroneedlitesse või mikroneedlite valmistamist ravimi ja kattematriitsiga maksimaalseks ravimi laadimiseks. Samuti töötatakse välja mikronõelu interstitsiaalse vedeliku eraldamiseks, vere eraldamiseks ja geenide manustamiseks. Mikronõelaga ravimi manustamise tõhusus on endiselt probleemiks, sest on raske kindlaks teha, kas mikronõelad tungisid tõhusalt naha sisse. Mõned ravimid, näiteks diasepaam, on halvasti lahustuvad ja need tuleb vahetult enne intranasaalset manustamist aerosoolistada. Bio-MEMS-tehnoloogiat, milles kasutatakse piesoelektrilisi muundureid vedelikureservuaaridele, saab sellistes olukordades kasutada, et luua aerosoolide kitsas suurusjaotus ravimi paremaks manustamiseks. Implanteeritavad ravimite manustamissüsteemid on välja töötatud ka selliste raviainete manustamiseks, millel on halb biosaadavus või mis nõuavad lokaalset vabanemist ja ekspositsiooni sihtkohas. Näidetena võib tuua PDMS-mikrofluidilise seadme, mis on implanteeritud konjunktiivi alla, et manustada ravimeid silma silmahaiguste raviks, ja mikrokiibid, millel on kuldkattega ravimireservuaarid osteoporoosi raviks. Ravimite manustamiseks kasutatavate implanteeritavate bio-MEMSide puhul on oluline arvestada seadme purunemist ja annuse äravoolu, seadme kiudset kapseldumist ja seadme eksplantatsiooni. Samuti tuleb enamik ravimeid manustada suhteliselt suurtes kogustes (milliliitrites või isegi suuremates kogustes), mis muudab implanteeritavate bio-MEMSide ravimite manustamise keeruliseks nende piiratud ravimihoidmisvõime tõttu.

Vaata ka

• MEMS
• Lab-on-a-chip