Bio-MEMS

Традиційні методи мікрообробки, такі як мокре травлення, сухе травлення, глибоке реактивне іонне травлення, напилення, анодное з'єднання і з'єднання плавленням, використовуються в біо-МЕМС для виготовлення проточних каналів, датчиків потоку, хімічних детекторів, розділових капілярів, змішувачів, фільтрів, насосів і клапанів. Однак використання пристроїв на основі кремнію в біомедичних додатках має деякі недоліки, такі як висока вартість і біологічна несумісність. Через одноразового використання, великих розмірів в порівнянні з МЕМС-аналогами і вимоги до чистоти приміщень, висока вартість матеріалів і обробки робить біо-МЕМС на основі кремнію менш економічно привабливими. У природних умовах біо-МЕМС на основі кремнію можуть бути легко функціоналізованих для мінімізації адсорбції білків, але крихкість кремнію залишається основною проблемою.

Використання пластмас і полімерів в біо-МЕМС привабливо тим, що вони легко виготовляються, сумісні з методами мікрообробки і швидкого прототипування, а також мають низьку вартість. Багато полімери також оптично прозорі і можуть бути інтегровані в системи, що використовують оптичні методи виявлення, такі як флуоресценція, УФ / Вид поглинання або метод Рамана. Більш того, багато полімери біологічно сумісні, хімічно інертні до розчинників і електрично ізольовані для додатків, де необхідні сильні електричні поля, наприклад, для електрофоретичного розділення. Хімічний склад поверхні полімерів також може бути змінений для конкретних застосувань. Зокрема, поверхню ПДМС може бути опромінена іонами таких елементів, як магній, тантал і залізо, для зниження гідрофобності поверхні, що дозволяє поліпшити адгезію клітин в умовах «in vivo». Найбільш поширені полімери, використовувані в біо-МЕМС, включають ПММА, ПДМС, OSTEmer і SU-8.

• A) Мікронанесеніе фибронектина на поверхню скла PNIPAM.
• B) і C) Поодинокі фібробласти просторово обмежені геометрією мікрошаблона фибронектина.
• Мікромасштабное маніпулювання і нанесення малюнка на біологічні матеріали, такі як білки, клітини і тканини, використовується при розробці клітинних масивів, мікромассівов, тканинної інженерії на основі мікрофабрики і штучних органів. * Біологічний мікропаттернінг може бути використаний для високопродуктивного аналізу окремих клітин, точного контролю клітинного мікрооточення, а також контрольованої інтеграції клітин до відповідних багатоклітинні архітектури для відтворення умов in vivo. Фотолітографія, Мікроконтактна друк, селективна мікрофлюідних доставка і самозбирається моношарів — ось деякі методи, використовувані для нанесення біологічних молекул на поверхні. Для нанесення мікрошаблонов на клітини можна використовувати Мікроконтактна нанесення білків позаклітинного матриксу, клітинний електрофорез, оптичні Пінцетний решітки, діелектрофорез і електрохімічних активні поверхні.

Паперова мікрофлюідіка (іноді звана «лабораторія на папері») — це використання паперових підкладок в мікрофабрики для маніпулювання потоками рідини в різних додатках. Паперова мікрофлюідіка застосовується в паперовому електрофорезі і імуноаналізі, найбільш відомим з яких є комерціалізований тест на вагітність ClearBlue. Переваги використання паперу для мікрофлюідікі і електрофорезу в біо-МЕМС включають її низьку вартість, биоразлагаемость і природне фітільнимі дію. Серйозним недоліком мікрофлюідікі на основі паперу є залежність швидкості гніту від умов навколишнього середовища, таких як температура і відносна вологість. Паперові аналітичні пристрої особливо привабливі для діагностики в країнах, що розвиваються як через низьку вартості матеріалу, так і з-за акценту на колориметрические аналізи, які дозволяють медичним працівникам легко інтерпретувати результати на око. У порівнянні з традиційними мікрофлюідіческімі каналами, паперові мікроканали доступні для введення зразків (особливо зразків судово-медичного характеру, таких як біологічні рідини і грунт), а також завдяки своїм природним фільтруючим властивостям, виключає потрапляння в зразки залишків клітин, бруду та інших домішок. Репліки на паперовій основі продемонстрували таку ж ефективність при виконанні звичайних мікрофлюідних операцій, таких як гідродинамічна фокусування, виділення молекул за розміром, мікросмешіваніе і розведення; звичайні 96- і 384-ямкові мікропланшети для автоматизованої обробки і аналізу рідин були відтворені за допомогою фотолітографії на папері для досягнення більш тонкого профілю і зниження вартості матеріалу при збереженні сумісності зі звичайними пристроями для читання мікропланшетів. Методи нанесення мікрошаблонов на папір включають фотолитографию, лазерну різку, струменевий друк, плазмову обробку і нанесення малюнка на віск.

Приклад експерименту по електрофорез: Два конічних електрода встановлюються на вході і виході мікроканалу, і клітини переміщаються вздовж мікроканалу під дією постійного електричного поля. Електрокінетіка була використана в біо-МЕМС для поділу сумішей молекул і клітин за допомогою електричних полів. При електрофорезі заряджений вид в рідини переміщається під впливом прикладеного електричного поля. Електрофорез використовувався для фракціонування малих іонів, заряджених органічних молекул, білків і ДНК. Електрофорез і мікрофлюідіка є синергетичним, оскільки в Мікроканали можна використовувати більш високі напруги завдяки більш швидкому відводу тепла. Ізоелектрична фокусування — це поділ білків, органел і клітин з різними ізоелектричної точки. Для ізоелектричної фокусування необхідний градієнт pH (зазвичай створюється за допомогою електродів), перпендикулярний напрямку потоку. Сортування і фокусування цікавлять видів досягається завдяки тому, що електрофоретична сила викликає перпендикулярну міграцію до тих пір, поки вони не потечуть уздовж відповідних Ізоелектрична точок. Діелектрофорез — це рух незаряджених частинок внаслідок індукованої поляризації під дією неоднорідних електричних полів. Діелектрофорез може бути використаний в біо-МЕМС для створення діелектрофоретіческіх пасток, концентрації певних частинок в певних точках на поверхні і перенаправлення частинок з одного потоку в інший для динамічної концентрації.

Affymetrix GeneChip® є прикладом геномного мікрочіпа. Цілі геномних і протеомних мікрочіпів — зробити високопродуктивний аналіз генома швидше і дешевше, а також виявити активовані гени і їх послідовності. Існує безліч різних типів біологічних об'єктів, що використовуються в мікрочіпах, але в цілому мікрочіп складається з впорядкованої колекції мікрокрапок, кожна з яких містить один певний молекулярний вид, який взаємодіє з аналітом, для одночасного тестування тисяч параметрів в одному експерименті. Деякі області застосування геномних і протеомних мікрочіпів — неонатальний скринінг, визначення ризику захворювань і прогнозування ефективності терапії для персоналізованої медицини.

Олігонуклеотидних чіпи — це мікрочіпи олігонуклеотидів. Вони можуть використовуватися для виявлення мутацій і моніторингу експресії, а також для виявлення і картування генів. Основними методами створення олігонуклеотидних мікрочіпів є гелеві подушечки (Motorola), мікроелектроди (Nanogen), фотолітографія (Affymetrix) і струменевий технологія (Agilent).

За допомогою гелевих подушечок готові олігонуклеотиди прикріплюються до ділянок активованого поліакриламіду. За допомогою мікроелектродів негативно заряджені ДНК і молекулярні зонди можуть бути сконцентровані на заряджених електродах для взаємодії. За допомогою фотолітографії на підкладці створюється світловий вплив з використанням фотомаски або віртуальної фотомаски, яка проектується з цифрового мікродзеркальна пристрою. Світло видаляє фотоліабільние захисні групи з обраних областей впливу. Після зняття захисту нуклеотиди з фотолабільной захисної групою піддаються впливу світла по всій поверхні, і процес хімічної сполуки відбувається лише там, де на попередньому етапі було вплив світла. Цей процес може бути повторений для синтезу олігонуклеотидів щодо невеликої довжини на поверхні, нуклеотид за нуклеотидів. Використовуючи струминну технологію, нуклеотиди наносяться на поверхню крапля за краплею, утворюючи олігонуклеотиди

Мікрочіпи кДНК часто використовуються для великомасштабного скринінгу та вивчення експресії. У кДНК-мікрочіпах мРНК з клітин збирають і перетворюють в кДНК шляхом зворотної транскрипції. Потім молекули кДНК (кожна з яких відповідає одному гену) мобілізують у вигляді плям діаметром ~ 100 мкм на мембрані, склі або кремнієвому чіпі за допомогою металевих штифтів. Для детекції флуоресцентно мічені одноцепочечниє кДНК з клітин гибрідизуючою з молекулами на мікрочіпі, і для аналізу використовується диференціальне порівняння між обробленим (наприклад, поміченим червоним кольором) і необробленим зразком (позначеним іншим кольором, наприклад, зеленим). Червоні точки означають, що відповідний ген був експресувати на більш високому рівні в обробленому зразку. І навпаки, зелені точки означають, що відповідний ген був експресувати на більш високому рівні в необробленому зразку. Жовті точки, як результат перекриття червоних і зелених точок, означають, що відповідний ген експресуватися на відносно однаковому рівні в обох зразках, тоді як темні точки вказують на відсутність або незначну експресію в обох зразках.

Мотивація для використання пептидних і білкових мікрочіпів полягає, по-перше, в тому, що транскрипти мРНК часто погано корелюють з фактичною кількістю синтезованого білка. По-друге, ДНК-мікрочіпи не можуть визначити посттрансляційної модифікації білків, яка безпосередньо впливає на функцію білка. По-третє, в деяких біологічних рідинах, таких як сеча, відсутні мРНК. Білковий мікрочіп складається з бібліотеки білків, иммобилизованной на підкладці, зазвичай скляній, кремнієвої, полистироловой, PVDF або нітроцелюлозній. В цілому, існує три типи білкових мікрочіпів: функціональні, аналітичні або захватні і обернено-фазові білкові масиви.

Функціональні білкові масиви відображають згорнуті і активні білки і використовуються для скринінгу молекулярних взаємодій, вивчення білкових шляхів, виявлення мішеней для посттрансляційної модифікації і аналізу ферментативної активності. Аналітичні або захватні білкові масиви відображають антигени і антитіла для профілювання експресії білка або антитіла в сироватці. Ці масиви можуть використовуватися для виявлення біомаркерів, моніторингу кількості білків, моніторингу стану активності в сигнальних шляхах і профілювання репертуару антитіл при захворюваннях. Назад-фазові білкові масиви тестують репліки клітинних лізатів і зразків сироватки з різними антитілами для вивчення змін в експресії конкретних білків і модифікацій білків під час розвитку хвороби, а також для виявлення біомаркерів. Білкові мікрочіпи мають суворі умови виробництва, зберігання і проведення експериментів з-за низької стабільності і необхідності враховувати нативную складчастість іммобілізованих білків. Пептиди, з іншого боку, більш хімічно стійкі і можуть зберігати часткові аспекти функції білка. Тому пептидні мікрочіпи використовуються на додаток до білкових Мікрочіпи в протеомних дослідженнях і діагностиці. Білкові мікрочіпи зазвичай використовують кишкову паличку для отримання потрібних білків, в той час як пептидні мікрочіпи використовують техніку SPOT (поетапний синтез пептидів на целюлозі) або фотолитографию для отримання пептидів.