Bio-MEMS
| Το λήμμα δεν περιέχει πηγές ή αυτές που περιέχει δεν επαρκούν. |
Το Bio-MEMS είναι συντομογραφία για τα βιοϊατρικά (ή βιολογικά) μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα. Τα Bio-MEMS παρουσιάζουν σημαντική επικάλυψη και μερικές φορές θεωρούνται συνώνυμα με τα lab-on-a-chip (LOC) και τα micro total analysis systems (μTAS). Τα Bio-MEMS επικεντρώνονται συνήθως περισσότερο σε μηχανικά μέρη και τεχνολογίες μικροκατασκευής που γίνονται κατάλληλες για βιολογικές εφαρμογές. Από την άλλη πλευρά, το lab-on-a-chip ασχολείται με τη σμίκρυνση και την ενσωμάτωση εργαστηριακών διεργασιών και πειραμάτων σε ενιαία (συχνά μικρορευστικά) τσιπ. Σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό, οι συσκευές lab-on-a-chip δεν έχουν αυστηρά βιολογικές εφαρμογές, αν και οι περισσότερες έχουν ή μπορούν να προσαρμοστούν για βιολογικούς σκοπούς. Ομοίως, τα συστήματα μικροολικής ανάλυσης μπορεί να μην έχουν κατά νου βιολογικές εφαρμογές και συνήθως προορίζονται για χημική ανάλυση.[1] Ένας ευρύς ορισμός για τα βιο-ΜΕΜΣ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναφερθεί στην επιστήμη και την τεχνολογία της λειτουργίας σε μικροκλίμακα για βιολογικές και βιοϊατρικές εφαρμογές, οι οποίες μπορεί να περιλαμβάνουν ή όχι ηλεκτρονικές ή μηχανικές λειτουργίες. Ο διεπιστημονικός χαρακτήρας των βιο-MEMS συνδυάζει τις επιστήμες των υλικών, τις κλινικές επιστήμες, την ιατρική, τη χειρουργική, την ηλεκτρική μηχανική, τη μηχανολογία, την οπτική μηχανική, τη χημική μηχανική και τη βιοϊατρική μηχανική. Ορισμένες από τις σημαντικότερες εφαρμογές τους περιλαμβάνουν τη γονιδιωματική, την πρωτεομική, τη μοριακή διάγνωση, τη διάγνωση σε σημείο φροντίδας, τη μηχανική ιστών, την ανάλυση μεμονωμένων κυττάρων και τις εμφυτεύσιμες μικροσυσκευές.
Ιστορία Επεξεργασία
Το 1967, ο S. B. Carter ανέφερε τη χρήση νησίδων παλλαδίου που εξατμίστηκαν με σκιά για την προσκόλληση κυττάρων. Μετά από αυτή την πρώτη μελέτη βιο-MEMS, η μετέπειτα ανάπτυξη στον τομέα ήταν αργή για περίπου 20 χρόνια.[2] Το 1985, η Unipath Inc. εμπορευματοποίησε το ClearBlue, ένα τεστ εγκυμοσύνης που χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα και το οποίο μπορεί να θεωρηθεί η πρώτη μικρορευστομηχανική συσκευή που περιέχει χαρτί και το πρώτο μικρορευστομηχανικό προϊόν που κυκλοφόρησε στην αγορά. Το 1990, ο Andreas Manz και ο H. Michael Widmer από την Ciba-Geigy (σήμερα Novartis), Ελβετία, επινόησαν για πρώτη φορά τον όρο μικροσύστημα ολικής ανάλυσης (μTAS) στην πρωτοποριακή εργασία τους, στην οποία πρότειναν τη χρήση μικροσκοπικών συστημάτων ολικής χημικής ανάλυσης για τη χημική ανίχνευση. Υπήρξαν τρεις βασικοί παράγοντες που αποτέλεσαν κίνητρο για την έννοια του μTAS. Πρώτον, η ανακάλυψη φαρμάκων κατά τις τελευταίες δεκαετίες που οδήγησαν στη δεκαετία του 1990 ήταν περιορισμένη λόγω του χρόνου και του κόστους της παράλληλης εκτέλεσης πολλών χρωματογραφικών αναλύσεων σε μακροσκοπικό εξοπλισμό. Δεύτερον, το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος (HGP), το οποίο ξεκίνησε τον Οκτώβριο του 1990, δημιούργησε ζήτηση για βελτιώσεις στην ικανότητα αλληλούχισης του DNA. Η τριχοειδής ηλεκτροφόρηση έγινε έτσι το επίκεντρο για τον χημικό διαχωρισμό και τον διαχωρισμό DNA. Τρίτον, η DARPA του Υπουργείου Άμυνας των ΗΠΑ υποστήριξε μια σειρά ερευνητικών προγραμμάτων μικρορευστομηχανικής τη δεκαετία του 1990, αφού συνειδητοποίησε ότι υπήρχε ανάγκη να αναπτυχθούν μικροσυστήματα που μπορούν να αναπτυχθούν στο πεδίο για την ανίχνευση χημικών και βιολογικών παραγόντων που αποτελούσαν δυνητικές στρατιωτικές και τρομοκρατικές απειλές. Οι ερευνητές άρχισαν να χρησιμοποιούν εξοπλισμό φωτολιθογραφίας για τη μικροκατασκευή μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS), όπως τον κληρονόμησαν από τη βιομηχανία μικροηλεκτρονικής. Εκείνη την εποχή, η εφαρμογή των MEMS στη βιολογία ήταν περιορισμένη, επειδή η τεχνολογία αυτή ήταν βελτιστοποιημένη για πλακέτες πυριτίου ή γυαλιού και χρησιμοποιούσε φωτορευστά με βάση διαλύτες που δεν ήταν συμβατά με βιολογικά υλικά. Το 1993, ο George M. Whitesides, ένας χημικός του Χάρβαρντ, εισήγαγε τη φθηνή μικροκατασκευή με βάση το PDMS και αυτό έφερε επανάσταση στον τομέα των βιο-MEMS. Έκτοτε, ο τομέας των βιο-MEMS έχει εκραγεί. Επιλεγμένα σημαντικά τεχνικά επιτεύγματα κατά την ανάπτυξη των βιο-MEMS της δεκαετίας του 1990 περιλαμβάνουν:
Το 1991, αναπτύχθηκε το πρώτο τσιπ ολιγονουκλεοτιδίων Το 1998, αναπτύχθηκαν οι πρώτες στερεές μικροβελόνες για τη χορήγηση φαρμάκων Το 1998, αναπτύχθηκε το πρώτο τσιπ αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης συνεχούς ροής Το 1999, η πρώτη επίδειξη ετερογενών στρωματοειδών ροών για την επιλεκτική επεξεργασία κυττάρων σε μικροκανάλια Σήμερα, οι υδρογέλες, όπως η αγαρόζη, τα βιοσυμβατά φωτορευστά και η αυτοσυναρμολόγηση αποτελούν βασικούς τομείς έρευνας για τη βελτίωση των βιο-ΜΗΜΣ ως αντικαταστάτες ή συμπληρώματα του PDMS.
Προσεγγίσεις Επεξεργασία
Υλικά Επεξεργασία
Πυρίτιο και γυαλί Επεξεργασία
Οι συμβατικές τεχνικές μικροκατεργασίας, όπως η υγρή χάραξη, η ξηρή χάραξη, η βαθιά ιοντική χάραξη, η σπατουλαρίσματος, η ανοδική συγκόλληση και η συγκόλληση σύντηξης, έχουν χρησιμοποιηθεί στα βιο-MEMS για την κατασκευή καναλιών ροής, αισθητήρων ροής, χημικών ανιχνευτών, τριχοειδών διαχωρισμού, αναμεικτών, φίλτρων, αντλιών και βαλβίδων. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα στη χρήση διατάξεων με βάση το πυρίτιο σε βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως το υψηλό κόστος και η βιοσυμβατότητά τους. Λόγω του ότι είναι μόνο μιας χρήσης, μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες συσκευές MEMS και της απαίτησης εγκαταστάσεων καθαρού δωματίου, το υψηλό κόστος υλικών και επεξεργασίας καθιστά τα βιο-MEMS με βάση το πυρίτιο λιγότερο ελκυστικά από οικονομική άποψη. In vivo, τα βιο-MEMS με βάση το πυρίτιο μπορούν εύκολα να λειτουργήσουν για να ελαχιστοποιήσουν την προσρόφηση πρωτεϊνών, αλλά η ευθραυστότητα του πυριτίου παραμένει ένα σημαντικό ζήτημα.
Πλαστικά και πολυμερή Επεξεργασία
Η χρήση πλαστικών και πολυμερών σε βιο-MEMS είναι ελκυστική επειδή μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα, να είναι συμβατά με μεθόδους μικροκατασκευής και ταχείας πρωτοτυποποίησης, καθώς και να έχουν χαμηλό κόστος. Πολλά πολυμερή είναι επίσης οπτικά διαφανή και μπορούν να ενσωματωθούν σε συστήματα που χρησιμοποιούν τεχνικές οπτικής ανίχνευσης όπως ο φθορισμός, η απορρόφηση UV/Vis ή η μέθοδος Raman. Επιπλέον, πολλά πολυμερή είναι βιολογικά συμβατά, χημικά αδρανή σε διαλύτες και ηλεκτρικά μονωτικά για εφαρμογές όπου απαιτούνται ισχυρά ηλεκτρικά πεδία, όπως ο ηλεκτροφορητικός διαχωρισμός. Η επιφανειακή χημεία των πολυμερών μπορεί επίσης να τροποποιηθεί για συγκεκριμένες εφαρμογές. Συγκεκριμένα, η επιφάνεια των PDMS μπορεί να ακτινοβοληθεί με ιόντα με στοιχεία όπως το μαγνήσιο, το ταντάλιο και ο σίδηρος για να μειωθεί η επιφανειακή υδροφοβικότητα, επιτρέποντας την καλύτερη προσκόλληση των κυττάρων σε in vivo εφαρμογές. Τα πιο συνηθισμένα πολυμερή που χρησιμοποιούνται στα βιο-MEMS περιλαμβάνουν τα PMMA, PDMS, OSTEmer και SU-8.
Βιολογικά υλικά Επεξεργασία
- Α) Μικροδιαμόρφωση ινωδονεκτίνης σε γυάλινη επιφάνεια PNIPAM.
- B) & C) Μεμονωμένοι ινοβλάστες περιορίζονται χωρικά στη γεωμετρία του μικροδιαγράμματος ινωδονεκτίνης.
- Ο χειρισμός και η διαμόρφωση βιολογικών υλικών σε μικροκλίμακα, όπως πρωτεΐνες, κύτταρα και ιστοί, έχουν χρησιμοποιηθεί στην ανάπτυξη συστοιχιών με βάση τα κύτταρα, μικροσυστοιχιών, μηχανικής ιστών με βάση τη μικροκατασκευή και τεχνητών οργάνων. * Η βιολογική μικροδιαμόρφωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση μεμονωμένων κυττάρων υψηλής απόδοσης, τον ακριβή έλεγχο του κυτταρικού μικροπεριβάλλοντος, καθώς και την ελεγχόμενη ενσωμάτωση κυττάρων σε κατάλληλες πολυκυτταρικές αρχιτεκτονικές για την αναπαράσταση in vivo συνθηκών. Η φωτολιθογραφία, η εκτύπωση μικροεπαφής, η επιλεκτική μικρορευστική παράδοση και οι αυτοσυναρμολογούμενες μονοστρώσεις είναι μερικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση βιολογικών μορίων σε επιφάνειες. Η μικροδιαμόρφωση κυττάρων μπορεί να γίνει με τη χρήση διαμόρφωσης μικροεπαφής πρωτεϊνών εξωκυτταρικής μήτρας, κυτταρικής ηλεκτροφόρησης, οπτικών συστοιχιών τσιμπίδας, διηλεκτροφόρησης και ηλεκτροχημικά ενεργών επιφανειών.
Paper Επεξεργασία
Η χάρτινη μικρορευστομηχανική (που μερικές φορές αποκαλείται εργαστήριο σε χαρτί) είναι η χρήση χάρτινων υποστρωμάτων στη μικροκατασκευή για τη χειραγώγηση της ροής των ρευστών για διάφορες εφαρμογές. Η χάρτινη μικρορευστομηχανική έχει εφαρμοστεί στην ηλεκτροφόρηση χαρτιού και στις ανοσοδοκιμές, με πιο αξιοσημείωτο παράδειγμα το τεστ εγκυμοσύνης ClearBlue που έχει διατεθεί στο εμπόριο. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης χαρτιού για μικρορευστομηχανική και ηλεκτροφόρηση στα βιο-EMS περιλαμβάνουν το χαμηλό κόστος, τη βιοδιασπασιμότητα και τη φυσική δράση του ως φυτίλι. Ένα σοβαρό μειονέκτημα της μικρορευστομηχανικής με βάση το χαρτί είναι η εξάρτηση του ρυθμού φυγοκέντρισης από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως η θερμοκρασία και η σχετική υγρασία. Οι αναλυτικές συσκευές με βάση το χαρτί είναι ιδιαίτερα ελκυστικές για τη διάγνωση σε σημεία περίθαλψης στις αναπτυσσόμενες χώρες τόσο για το χαμηλό κόστος των υλικών όσο και για την έμφαση στις χρωματομετρικές αναλύσεις που επιτρέπουν στους επαγγελματίες υγείας να ερμηνεύουν εύκολα τα αποτελέσματα με το μάτι. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μικρορευστολογικά κανάλια, τα μικροκανάλια χαρτιού είναι προσβάσιμα για την εισαγωγή δειγμάτων (ιδίως δείγματα εγκληματολογικού τύπου, όπως σωματικά υγρά και χώμα), καθώς και οι φυσικές ιδιότητες φιλτραρίσματος που αποκλείουν τα κυτταρικά υπολείμματα, τη βρωμιά και άλλες ακαθαρσίες στα δείγματα. Τα αντίγραφα με βάση το χαρτί έχουν αποδείξει την ίδια αποτελεσματικότητα στην εκτέλεση κοινών μικρορευστολογικών λειτουργιών, όπως η υδροδυναμική εστίαση, η μοριακή εκχύλιση βάσει μεγέθους, η μικροανάμειξη και η αραίωση- οι κοινές μικροπλάκες 96 και 384 πηγαδιών για τον αυτοματοποιημένο χειρισμό και την ανάλυση υγρών έχουν αναπαραχθεί μέσω φωτολιθογραφίας σε χαρτί για να επιτευχθεί λεπτότερο προφίλ και χαμηλότερο κόστος υλικού, διατηρώντας παράλληλα τη συμβατότητα με συμβατικούς αναγνώστες μικροπλαστών. Οι τεχνικές για τη μικροδιαμόρφωση του χαρτιού περιλαμβάνουν τη φωτολιθογραφία, την κοπή με λέιζερ, την εκτύπωση με μελάνι, την επεξεργασία με πλάσμα και τη διαμόρφωση με κερί.
Ηλεκτροκινητική Επεξεργασία
Παράδειγμα πειράματος ηλεκτροφόρησης: Δύο κωνικά ηλεκτρόδια τοποθετούνται τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο ενός μικροκαναλιού και τα κύτταρα μετακινούνται κατά μήκος του μικροκαναλιού από ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο συνεχούς ρεύματος. Η ηλεκτροκινητική έχει αξιοποιηθεί στα βιο-MEMS για το διαχωρισμό μιγμάτων μορίων και κυττάρων με τη χρήση ηλεκτρικών πεδίων. Στην ηλεκτροφόρηση, ένα φορτισμένο είδος σε ένα υγρό κινείται υπό την επίδραση ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Η ηλεκτροφόρηση έχει χρησιμοποιηθεί για την κλασματοποίηση μικρών ιόντων, φορτισμένων οργανικών μορίων, πρωτεϊνών και DNA. Η ηλεκτροφόρηση και η μικρορευστομηχανική είναι ιδιαίτερα συνεργιστικές, επειδή είναι δυνατή η χρήση υψηλότερων τάσεων σε μικροκανάλια λόγω της ταχύτερης απομάκρυνσης θερμότητας. Η ισοηλεκτρική εστίαση είναι ο διαχωρισμός πρωτεϊνών, οργανιδίων και κυττάρων με διαφορετικά ισοηλεκτρικά σημεία. Η ισοηλεκτρική εστίαση απαιτεί μια κλίση pH (που συνήθως δημιουργείται με ηλεκτρόδια) κάθετη προς τη διεύθυνση της ροής. Η διαλογή και η εστίαση των ειδών ενδιαφέροντος επιτυγχάνεται επειδή μια ηλεκτροφορητική δύναμη προκαλεί κάθετη μετανάστευση μέχρι να ρέει κατά μήκος των αντίστοιχων ισοηλεκτρικών σημείων. Η διηλεκτροφόρηση είναι η κίνηση μη φορτισμένων σωματιδίων λόγω επαγόμενης πόλωσης από ανομοιόμορφα ηλεκτρικά πεδία. Η διηλεκτροφόρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα βιο-MEMS για παγίδες διηλεκτροφόρησης, συγκέντρωση συγκεκριμένων σωματιδίων σε συγκεκριμένα σημεία επιφανειών και εκτροπή σωματιδίων από ένα ρεύμα ροής σε ένα άλλο για δυναμική συγκέντρωση.
Μικρορευστομηχανική Επεξεργασία
Η μικρορευστομηχανική αναφέρεται σε συστήματα που χειρίζονται μικρές ( μL, nL, pL, fL) ποσότητες υγρών σε μικροκατασκευασμένα υποστρώματα. Οι μικρορευστολογικές προσεγγίσεις στα βιο-MEMS παρέχουν διάφορα πλεονεκτήματα:
Όταν πολλαπλά διαλύματα προστίθενται στο ίδιο μικροκανάλι, ρέουν σε ξεχωριστές λωρίδες ροής (χωρίς ανάμιξη) λόγω των χαρακτηριστικών στρωτής ροής.
- Η ροή στα μικροκανάλια είναι στρωτή, γεγονός που επιτρέπει την επιλεκτική επεξεργασία των κυττάρων στα μικροκανάλια,[9] τη μαθηματική μοντελοποίηση των προτύπων ροής και των συγκεντρώσεων, καθώς και τις ποσοτικές προβλέψεις του βιολογικού περιβάλλοντος των κυττάρων και των βιοχημικών αντιδράσεων.
- Τα μικρορευστοδυναμικά χαρακτηριστικά μπορούν να κατασκευαστούν σε κυτταρική κλίμακα ή μικρότερη, γεγονός που επιτρέπει τη διερεύνηση (υπο)κυτταρικών φαινομένων, τη σπορά και τη διαλογή μεμονωμένων κυττάρων και την αναπαράσταση φυσιολογικών παραμέτρων.
Η ενσωμάτωση της μικροηλεκτρονικής, της μικρομηχανικής και της μικροοπτικής στην ίδια πλατφόρμα επιτρέπει τον αυτοματοποιημένο έλεγχο της συσκευής, γεγονός που μειώνει το ανθρώπινο λάθος και το κόστος λειτουργίας.
- Η τεχνολογία μικρορευστομηχανών είναι σχετικά οικονομική λόγω της κατασκευής σε παρτίδες και της υψηλής απόδοσης (παραλληλισμός και πλεονασμός). Αυτό επιτρέπει την παραγωγή τσιπ μίας χρήσης ή μίας χρήσης για βελτιωμένη ευκολία χρήσης και μειωμένη πιθανότητα βιολογικής διασταυρούμενης μόλυνσης, καθώς και ταχεία κατασκευή πρωτοτύπων
- Οι μικρορευστομηχανές καταναλώνουν πολύ μικρότερες ποσότητες αντιδραστηρίων, μπορούν να κατασκευαστούν ώστε να απαιτούν μόνο μια μικρή ποσότητα αναλυτών για χημική ανίχνευση, απαιτούν λιγότερο χρόνο για την ολοκλήρωση των διαδικασιών και των αντιδράσεων και παράγουν λιγότερα απόβλητα από ό,τι οι συμβατικές μακρορευστομηχανές και τα πειράματα.
- Η κατάλληλη συσκευασία των μικρορευστολογικών συσκευών μπορεί να τις καταστήσει κατάλληλες για φορητές εφαρμογές, εμφυτεύματα και φορητές εφαρμογές στις αναπτυσσόμενες χώρες
Μια ενδιαφέρουσα προσέγγιση που συνδυάζει τα ηλεκτροκινητικά φαινόμενα και τη μικρορευστομηχανική είναι η ψηφιακή μικρορευστομηχανική. Στην ψηφιακή μικρορευστομηχανική, μια επιφάνεια υποστρώματος είναι μικροδιαμορφωμένη με ηλεκτρόδια και ενεργοποιείται επιλεκτικά. Ο χειρισμός των μικρών σταγονιδίων υγρού γίνεται μέσω της ηλεκτροβροχής, δηλαδή του φαινομένου όπου ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταβάλλει τη διαβρεξιμότητα ενός σταγονιδίου ηλεκτρολύτη σε μια επιφάνεια.
Bio-MEMS ως μικροσκοπικοί βιοαισθητήρες Επεξεργασία
Οι βιοαισθητήρες είναι συσκευές που αποτελούνται από ένα βιολογικό σύστημα αναγνώρισης, που ονομάζεται βιοϋποδοχέας, και έναν μετατροπέα. Η αλληλεπίδραση του αναλύτη με τον βιοϋποδοχέα προκαλεί ένα αποτέλεσμα που ο μετατροπέας μπορεί να μετατρέψει σε μέτρηση, όπως ένα ηλεκτρικό σήμα. Οι πιο συνηθισμένοι βιοϋποδοχείς που χρησιμοποιούνται στη βιοανίχνευση βασίζονται σε αλληλεπιδράσεις αντισωμάτων-αντιγόνων, σε αλληλεπιδράσεις νουκλεϊκών οξέων, σε ενζυμικές αλληλεπιδράσεις, σε κυτταρικές αλληλεπιδράσεις και σε αλληλεπιδράσεις με τη χρήση βιομιμητικών υλικών. Οι συνήθεις τεχνικές μετατροπής περιλαμβάνουν τη μηχανική ανίχνευση, την ηλεκτρική ανίχνευση και την οπτική ανίχνευση.
Μικρομηχανικοί αισθητήρες Επεξεργασία
Η μηχανική ανίχνευση στα βιο-MEMS επιτυγχάνεται μέσω μικρο- και νανοκλίμακας ακροβατών για ανίχνευση τάσεων και ανίχνευση μάζας, ή μικρο- και νανοκλίμακας πλακών ή μεμβρανών. Στην ανίχνευση τάσης, η βιοχημική αντίδραση εκτελείται επιλεκτικά στη μία πλευρά του ακροβάθρου για να προκληθεί αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια της επιφάνειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την κάμψη του ακρολοφίου που είναι μετρήσιμη είτε οπτικά (ανάκλαση λέιζερ σε ανιχνευτή τετραπλής θέσης) είτε ηλεκτρικά (πιεζοαντίσταση στο σταθερό άκρο του ακρολοφίου) λόγω της μεταβολής της επιφανειακής τάσης. Στην ανίχνευση μάζας, το ακρόβαθρο δονείται στη συχνότητα συντονισμού του, όπως μετράται ηλεκτρικά ή οπτικά. Όταν λαμβάνει χώρα μια βιοχημική αντίδραση και συλλαμβάνεται στο ακρολοφίο, η μάζα του ακρολοφίου αλλάζει, όπως και η συχνότητα συντονισμού. Ωστόσο, η ανάλυση αυτών των δεδομένων μπορεί να είναι ελαφρώς λιγότερο απλή, καθώς έχει διαπιστωθεί ότι η προσρόφηση δείγματος στο ακροδέκτη μεταβάλλει επίσης το μέτρο ελαστικότητας του ακροδέκτη. Η μεταβολή της δυσκαμψίας του ακροβάθρου θα μεταβάλει επίσης τη συχνότητα συντονισμού του και, επομένως, ο θόρυβος στο σήμα ταλάντωσης πρέπει να αναλυθεί για να προσδιοριστεί εάν η συχνότητα συντονισμού είναι επίσης συνάρτηση της μεταβαλλόμενης ελαστικότητας. Μια συνήθης χρήση αυτής της τεχνικής είναι η ανίχνευση εσφαλμένων νουκλεοτιδικών αντιστοιχιών στο DNA, επειδή η μεταβολή της μάζας που προκαλείται από την παρουσία μιας λανθασμένης βάσης είναι αρκετή για να αλλάξει η συχνότητα συντονισμού του ακροβάθρου και να καταγραφεί ένα σήμα. Η ανίχνευση μάζας δεν είναι εξίσου αποτελεσματική στα υγρά, διότι η ελάχιστη ανιχνεύσιμη μάζα είναι πολύ υψηλότερη σε μέσα με απόσβεση. Οι αναρτημένες αντιστάσεις μικροκαναλιών είναι ένας ειδικός τύπος σχεδιασμού ακροβάθρου που είναι σε θέση να παρακάμψουν αυτόν τον περιορισμό χρησιμοποιώντας μικρορευστικά κανάλια στο εσωτερικό του ακροβάθρου. Αυτά τα κανάλια μπορούν να μετακινούν επί τόπου δείγματα πάνω στο ακροκάθετο, χωρίς να βυθίζουν το ακροκάθετο, επηρεάζοντας ελάχιστα την ταλάντωσή του. Ωστόσο, η τεχνολογία αυτή βρίσκεται στα σπάργανα και δεν είναι ακόμη σε θέση να χρησιμοποιηθεί πέρα από λίγες, περιορισμένες εφαρμογές. Το πλεονέκτημα της χρήσης αισθητήρων ακροβάθρου είναι ότι δεν υπάρχει ανάγκη οπτικά ανιχνεύσιμης ετικέτας στον αναλύτη ή στους βιοϋποδοχείς.
Ηλεκτρικοί και ηλεκτροχημικοί αισθητήρες Επεξεργασία
Η ηλεκτρική και η ηλεκτροχημική ανίχνευση προσαρμόζονται εύκολα για φορητότητα και μικρογραφία, ιδίως σε σύγκριση με την οπτική ανίχνευση. Στους αμπερομετρικούς βιοαισθητήρες, μια καταλυόμενη από ένζυμο αντίδραση οξειδοαναγωγής προκαλεί ένα ρεύμα οξειδοαναγωγής ηλεκτρονίων που μετράται από ένα ηλεκτρόδιο εργασίας. Οι αμπερομετρικοί βιοαισθητήρες έχουν χρησιμοποιηθεί σε βιο-MEMS για την ανίχνευση γλυκόζης, γαλακτόζης, λακτόζης, ουρίας και χοληστερόλης, καθώς και για εφαρμογές στην ανίχνευση αερίων και στον υβριδισμό του DNA. Στους ποτενσιομετρικούς βιοαισθητήρες, οι μετρήσεις του ηλεκτρικού δυναμικού σε ένα ηλεκτρόδιο γίνονται σε σχέση με ένα άλλο ηλεκτρόδιο. Παραδείγματα ποτενσιομετρικών βιοαισθητήρων περιλαμβάνουν τα ιοντοευαίσθητα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (ISFET), τα χημικά τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (chem-FET) και τους ποτενσιομετρικούς αισθητήρες με δυνατότητα προσπέλασης φωτός (LAPS). Στους αγωγιμομετρικούς βιοαισθητήρες, μετράται η μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης μεταξύ δύο ηλεκτροδίων ως αποτέλεσμα μιας βιομοριακής αντίδρασης. Οι αγώγιμες μετρήσεις είναι απλές και εύκολες στη χρήση, επειδή δεν απαιτείται ειδικό ηλεκτρόδιο αναφοράς, και έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση βιοχημικών ουσιών, τοξινών, νουκλεϊκών οξέων και βακτηριακών κυττάρων.
Οπτικοί αισθητήρες Επεξεργασία
Μια πρόκληση στην οπτική ανίχνευση είναι η ανάγκη ενσωμάτωσης ανιχνευτών και φωτοδιόδων σε μια μικροσκοπική φορητή μορφή στο βιο-MEMS. Η οπτική ανίχνευση περιλαμβάνει τεχνικές με βάση τον φθορισμό, τεχνικές με βάση τη χημειοφωταύγεια και τον συντονισμό επιφανειακού πλασμονίου (SPR). Οι οπτικές τεχνικές που βασίζονται στον φθορισμό χρησιμοποιούν δείκτες που εκπέμπουν φως σε συγκεκριμένα μήκη κύματος και η παρουσία ή η ενίσχυση/μείωση (π.χ. μεταφορά ενέργειας συντονισμού φθορισμού) στο οπτικό σήμα υποδεικνύει ότι έχει λάβει χώρα μια αντίδραση. Η ανίχνευση με βάση τον φθορισμό έχει χρησιμοποιηθεί σε μικροσυστοιχίες και συσκευές PCR σε τσιπ. Η χημειοφωταύγεια είναι η παραγωγή φωτός με απελευθέρωση ενέργειας από μια χημική αντίδραση. Η βιοφωταύγεια και η ηλεκτροχημειοφωταύγεια είναι υποκατηγορίες της χημειοφωταύγειας. Οι αισθητήρες συντονισμού επιφανειακού πλασμονίου μπορεί να είναι διαθλασίμετρα λεπτών υμενίων ή πλέγματα που μετρούν τη συμπεριφορά συντονισμού του επιφανειακού πλασμονίου σε μεταλλικές ή διηλεκτρικές επιφάνειες. Ο συντονισμός μεταβάλλεται όταν βιομόρια συλλαμβάνονται ή προσροφώνται στην επιφάνεια του αισθητήρα και εξαρτάται από τη συγκέντρωση του αναλύτη καθώς και από τις ιδιότητές του. Ο επιφανειακός συντονισμός πλασμονίων έχει χρησιμοποιηθεί στην ανάλυση της ποιότητας και της ασφάλειας των τροφίμων, στην ιατρική διάγνωση και στην περιβαλλοντική παρακολούθηση.
Bio-MEMS για διαγνωστικά Επεξεργασία
Γονιδιωματικές και πρωτεωμικές μικροσυστοιχίες Επεξεργασία
Το Affymetrix GeneChip® είναι ένα παράδειγμα γονιδιωματικής μικροσυστοιχίας. Οι στόχοι των γονιδιωματικών και πρωτεομικών μικροσυστοιχιών είναι να καταστήσουν ταχύτερη και φθηνότερη την ανάλυση γονιδιώματος υψηλής απόδοσης, καθώς και να εντοπίσουν τα ενεργοποιημένα γονίδια και τις αλληλουχίες τους. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι βιολογικών οντοτήτων που χρησιμοποιούνται στις μικροσυστοιχίες, αλλά γενικά η μικροσυστοιχία αποτελείται από μια διατεταγμένη συλλογή μικροσημείων που το καθένα περιέχει ένα μόνο καθορισμένο μοριακό είδος που αλληλεπιδρά με τον αναλύτη για την ταυτόχρονη δοκιμή χιλιάδων παραμέτρων σε ένα μόνο πείραμα. Ορισμένες εφαρμογές των γονιδιωματικών και πρωτεομικών μικροσυστοιχιών είναι ο νεογνικός έλεγχος, ο εντοπισμός του κινδύνου ασθενειών και η πρόβλεψη της αποτελεσματικότητας της θεραπείας για την εξατομικευμένη ιατρική.
τσιπ ολιγονουκλεοτιδίων Επεξεργασία
Τα τσιπ ολιγονουκλεοτιδίων είναι μικροσυστοιχίες ολιγονουκλεοτιδίων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση μεταλλάξεων και την παρακολούθηση της έκφρασης, καθώς και για την ανακάλυψη και χαρτογράφηση γονιδίων. Οι κύριες μέθοδοι για τη δημιουργία μιας μικροσυστοιχίας ολιγονουκλεοτιδίων είναι με μαξιλαράκια γέλης (Motorola), μικροηλεκτρόδια (Nanogen), φωτολιθογραφία (Affymetrix) και τεχνολογία inkjet (Agilent).
Με τη χρήση gel pads, προκατασκευασμένα ολιγονουκλεοτίδια συνδέονται σε επιθέματα ενεργοποιημένου πολυακρυλαμιδίου Χρησιμοποιώντας μικροηλεκτρόδια, αρνητικά φορτισμένα DNA και μοριακοί ανιχνευτές μπορούν να συγκεντρωθούν σε ενεργοποιημένα ηλεκτρόδια για αλληλεπίδραση Με τη χρήση φωτολιθογραφίας, δημιουργείται στο υπόστρωμα ένα μοτίβο έκθεσης στο φως με τη χρήση φωτομάσκας ή εικονικής φωτομάσκας που προβάλλεται από ψηφιακή συσκευή μικροκατόπτρου. Το φως απομακρύνει τις φωτοδιαλυτές προστατευτικές ομάδες από τις επιλεγμένες περιοχές έκθεσης. Μετά την αποπροστασία, τα νουκλεοτίδια με φωτοδιαλυτή προστατευτική ομάδα εκτίθενται σε ολόκληρη την επιφάνεια και η διαδικασία χημικής σύζευξης λαμβάνει χώρα μόνο εκεί όπου το φως εκτέθηκε στο προηγούμενο βήμα. Η διαδικασία αυτή μπορεί να επαναληφθεί για τη σύνθεση ολιγονουκλεοτιδίων σχετικά μικρού μήκους στην επιφάνεια, νουκλεοτίδιο προς νουκλεοτίδιο. Χρησιμοποιώντας τεχνολογία inkjet, τα νουκλεοτίδια εκτυπώνονται σε μια επιφάνεια σταγόνα προς σταγόνα για να σχηματίσουν ολιγονουκλεοτίδια
μικροσυστοιχία cDNA Επεξεργασία
Οι μικροσυστοιχίες cDNA χρησιμοποιούνται συχνά για μελέτες διαλογής και έκφρασης μεγάλης κλίμακας. Στις μικροσυστοιχίες cDNA, συλλέγεται mRNA από κύτταρα και μετατρέπεται σε cDNA με αντίστροφη μεταγραφή. Στη συνέχεια, τα μόρια cDNA (καθένα από τα οποία αντιστοιχεί σε ένα γονίδιο) ακινητοποιούνται ως σημεία διαμέτρου ~100 μm σε μεμβράνη, γυαλί ή τσιπ πυριτίου με μεταλλικές ακίδες. Για την ανίχνευση, τα σημασμένα με φθορισμό μονόκλωνα cDNA από κύτταρα υβριδοποιούνται με τα μόρια στη μικροσυστοιχία και για την ανάλυση χρησιμοποιείται η διαφορική σύγκριση μεταξύ ενός επεξεργασμένου δείγματος (επισημασμένου με κόκκινο χρώμα, για παράδειγμα) και ενός μη επεξεργασμένου δείγματος (επισημασμένου με άλλο χρώμα, όπως πράσινο). Οι κόκκινες κουκκίδες σημαίνουν ότι το αντίστοιχο γονίδιο εκφράστηκε σε υψηλότερο επίπεδο στο επεξεργασμένο δείγμα. Αντίθετα, οι πράσινες κουκκίδες σημαίνουν ότι το αντίστοιχο γονίδιο εκφράστηκε σε υψηλότερο επίπεδο στο μη επεξεργασμένο δείγμα. Οι κίτρινες κουκκίδες, ως αποτέλεσμα της επικάλυψης μεταξύ κόκκινων και πράσινων κουκκίδων, σημαίνουν ότι το αντίστοιχο γονίδιο εκφράστηκε σε σχετικά ίδιο επίπεδο και στα δύο δείγματα, ενώ οι σκούρες κουκκίδες υποδηλώνουν μηδενική ή αμελητέα έκφραση σε οποιοδήποτε δείγμα.
Μικροσυστοιχίες πεπτιδίων και πρωτεϊνών Επεξεργασία
Το κίνητρο για τη χρήση μικροσυστοιχιών πεπτιδίων και πρωτεϊνών είναι, πρώτον, επειδή οι μεταγραφές mRNA συχνά συσχετίζονται ελάχιστα με την πραγματική ποσότητα πρωτεΐνης που συντίθεται. Δεύτερον, οι μικροσυστοιχίες DNA δεν μπορούν να προσδιορίσουν τις μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις των πρωτεϊνών, οι οποίες επηρεάζουν άμεσα τη λειτουργία των πρωτεϊνών. Τρίτον, ορισμένα σωματικά υγρά, όπως τα ούρα, στερούνται mRNA. Μια πρωτεϊνική μικροσυστοιχία αποτελείται από μια πρωτεϊνική βιβλιοθήκη ακινητοποιημένη σε ένα τσιπ υποστρώματος, συνήθως γυαλί, πυρίτιο, πολυστυρένιο, PVDF ή νιτροκυτταρίνη. Γενικά, υπάρχουν τρεις τύποι πρωτεϊνικών μικροσυστοιχιών: λειτουργικές, αναλυτικές ή σύλληψης και πρωτεϊνικές συστοιχίες αντίστροφης φάσης.
Οι λειτουργικές πρωτεϊνικές συστοιχίες εμφανίζουν διπλωμένες και ενεργές πρωτεΐνες και χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο μοριακών αλληλεπιδράσεων, τη μελέτη πρωτεϊνικών μονοπατιών, τον εντοπισμό στόχων για μετα-μεταφραστική τροποποίηση και την ανάλυση ενζυμικών δραστηριοτήτων. Οι αναλυτικές συστοιχίες πρωτεϊνών ή συστοιχίες σύλληψης εμφανίζουν αντιγόνα και αντισώματα για τη σκιαγράφηση της έκφρασης πρωτεϊνών ή αντισωμάτων στον ορό. Αυτές οι συστοιχίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανακάλυψη βιοδεικτών, την παρακολούθηση πρωτεϊνικών ποσοτήτων, την παρακολούθηση καταστάσεων δραστηριότητας σε μονοπάτια σηματοδότησης και τη σκιαγράφηση ρεπερτορίων αντισωμάτων σε ασθένειες. Οι συστοιχίες πρωτεϊνών αντίστροφης φάσης ελέγχουν επαναλήψεις κυτταρικών λυμάτων και δειγμάτων ορού με διαφορετικά αντισώματα για τη μελέτη των αλλαγών στην έκφραση συγκεκριμένων πρωτεϊνών και πρωτεϊνικών τροποποιήσεων κατά την εξέλιξη της νόσου, καθώς και για την ανακάλυψη βιοδεικτών. Οι μικροσυστοιχίες πρωτεϊνών έχουν αυστηρές συνθήκες παραγωγής, αποθήκευσης και πειραματισμού λόγω της χαμηλής σταθερότητας και της ανάγκης να λαμβάνεται υπόψη η εγγενής αναδίπλωση στις ακινητοποιημένες πρωτεΐνες. Τα πεπτίδια, από την άλλη πλευρά, είναι πιο ανθεκτικά χημικά και μπορούν να διατηρήσουν μερικές πτυχές της λειτουργίας των πρωτεϊνών. Ως εκ τούτου, οι μικροσυστοιχίες πεπτιδίων έχουν χρησιμοποιηθεί για να συμπληρώσουν τις μικροσυστοιχίες πρωτεϊνών στην έρευνα και τη διάγνωση της πρωτεομικής. Οι πρωτεϊνικές μικροσυστοιχίες χρησιμοποιούν συνήθως Escherichia coli για την παραγωγή των πρωτεϊνών ενδιαφέροντος, ενώ οι μικροσυστοιχίες πεπτιδίων χρησιμοποιούν την τεχνική SPOT (σταδιακή σύνθεση πεπτιδίων σε κυτταρίνη) ή φωτολιθογραφία για την παραγωγή πεπτιδίων.
Chips PCR Επεξεργασία
Μικρορευστικό σύστημα PCR με βάση τη συνεχή ροή με θερμαντήρες λεπτών υμενίων, αντλία σύριγγας και κανάλι PCR συνεχούς ροής. Η εφαρμογή αυτού του παραδείγματος bio-MEMS είναι για την ενίσχυση του RNA της γρίπης Α σε αναπνευστικά δείγματα Η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) είναι μια θεμελιώδης τεχνική μοριακής βιολογίας που επιτρέπει την επιλεκτική ενίσχυση αλληλουχιών DNA, η οποία είναι χρήσιμη για την εκτεταμένη χρήση σπάνιων δειγμάτων π.χ.: βλαστικά κύτταρα, βιοψίες, κυκλοφορούντα καρκινικά κύτταρα. Η αντίδραση περιλαμβάνει θερμική ανακύκλωση της αλληλουχίας DNA και της DNA πολυμεράσης σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες. Η θέρμανση και η ψύξη στις συμβατικές συσκευές PCR είναι χρονοβόρες και οι τυπικές αντιδράσεις PCR μπορεί να διαρκέσουν ώρες για να ολοκληρωθούν. Άλλα μειονεκτήματα της συμβατικής PCR είναι η υψηλή κατανάλωση ακριβών αντιδραστηρίων, η προτίμηση στην ενίσχυση μικρών τμημάτων και η παραγωγή μικρών χιμαιρικών μορίων. Τα τσιπ PCR χρησιμεύουν στη σμίκρυνση του περιβάλλοντος της αντίδρασης για την επίτευξη ταχείας μεταφοράς θερμότητας και γρήγορης ανάμιξης λόγω της μεγαλύτερης αναλογίας επιφάνειας προς όγκο και των μικρών αποστάσεων διάχυσης. Τα πλεονεκτήματα των τσιπ PCR περιλαμβάνουν συντομότερο χρόνο θερμικού κύκλου, πιο ομοιόμορφη θερμοκρασία που ενισχύει την απόδοση και φορητότητα για εφαρμογές σε σημεία περίθαλψης. Δύο προκλήσεις στα μικρορευστικά τσιπ PCR είναι η αναστολή της PCR και η μόλυνση λόγω της μεγάλης αναλογίας επιφάνειας προς όγκο που αυξάνει τις αλληλεπιδράσεις επιφάνειας-αντιδραστηρίου. Για παράδειγμα, τα υποστρώματα πυριτίου έχουν καλή θερμική αγωγιμότητα για ταχεία θέρμανση και ψύξη, αλλά μπορούν να δηλητηριάσουν την αντίδραση της πολυμεράσης. Τα υποστρώματα πυριτίου είναι επίσης αδιαφανή, απαγορεύοντας την οπτική ανίχνευση για qPCR, και ηλεκτρικά αγώγιμα, εμποδίζοντας την ηλεκτροφορητική μεταφορά μέσω των καναλιών. Εν τω μεταξύ, το γυαλί είναι ιδανικό υλικό για ηλεκτροφόρηση, αλλά επίσης αναστέλλει την αντίδραση. Τα πολυμερή, ιδίως το PDMS, είναι οπτικά διαφανή, δεν παρεμποδίζουν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επικάλυψη ενός ηλεκτροφορητικού γυάλινου καναλιού. Υπάρχουν επίσης διάφορες άλλες επιφανειακές επεξεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της πολυαιθυλενογλυκόλης, της αλβουμίνης ορού βοοειδών και του διοξειδίου του πυριτίου. Υπάρχουν σταθερές (με βάση το θάλαμο), δυναμικές (με βάση τη συνεχή ροή) και μικροσταγονιδίων (ψηφιακή PCR) αρχιτεκτονικές τσιπ.
Η αρχιτεκτονική με βάση τον θάλαμο είναι αποτέλεσμα της συρρίκνωσης των συμβατικών αντιδραστήρων PCR, οι οποίοι είναι δύσκολο να επεκταθούν. Μια συσκευή από γυαλί-PDMS τεσσάρων στρωμάτων αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας αυτή την αρχιτεκτονική που ενσωματώνει μικροβαλβίδες, μικροθερμαντήρες, αισθητήρες θερμοκρασίας, θαλάμους αντίδρασης 380-nL και κανάλια τριχοειδούς ηλεκτροφόρησης για την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης αντίστροφης μεταγραφής (RT-PCR) που έχει αττομοριακή ευαισθησία ανίχνευσης. Η αρχιτεκτονική με βάση τη συνεχή ροή μετακινεί το δείγμα μέσω διαφορετικών ζωνών θερμοκρασίας για την επίτευξη θερμικού κύκλου. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιεί λιγότερη ενέργεια και έχει υψηλή απόδοση, αλλά έχει μεγάλη κατανάλωση αντιδραστηρίων και μπορεί να σχηματιστούν φυσαλίδες αερίου μέσα στα κανάλια ροής. Η ψηφιακή PCR εξαλείφει την επιφανειακή προσρόφηση δείγματος/αντιδραστηρίου και τη μόλυνση με τη διεξαγωγή της PCR σε μικροσταγονίδια ή μικροθαλάμους. Η PCR σε σταγονίδια αποτρέπει επίσης τον ανασυνδυασμό ομόλογων γονιδιακών τμημάτων, οπότε εξαλείφεται η σύνθεση μικρών χιμαιρικών προϊόντων.
Συσκευές διάγνωσης σε σημεία περίθαλψης Επεξεργασία
Μια μαία παίρνει αίμα για να μετρήσει τον αριθμό CD4 των ασθενών μέσα σε 20 λεπτά χρησιμοποιώντας τον αναλυτή CD4 point-of-care Pima, στην Ουγκάντα. Η δυνατότητα εκτέλεσης ιατρικής διάγνωσης δίπλα στο κρεβάτι ή στο σημείο περίθαλψης είναι σημαντική για την υγειονομική περίθαλψη, ιδίως στις αναπτυσσόμενες χώρες όπου η πρόσβαση σε κεντρικά νοσοκομεία είναι περιορισμένη και απαγορευτικά δαπανηρή. Για το σκοπό αυτό, έχουν αναπτυχθεί διαγνωστικά βιο-ΜΕΜΣ σε σημεία περίθαλψης για τη λήψη δειγμάτων σάλιου, αίματος ή ούρων και, σε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση, για την προπαρασκευή του δείγματος, την κλασματοποίηση του δείγματος, την ενίσχυση του σήματος, την ανίχνευση του αναλύτη, την ανάλυση των δεδομένων και την εμφάνιση των αποτελεσμάτων. Ειδικότερα, το αίμα είναι ένα πολύ συνηθισμένο βιολογικό δείγμα, επειδή κυκλοφορεί στο σώμα κάθε λίγα λεπτά και το περιεχόμενό του μπορεί να υποδεικνύει πολλές πτυχές της υγείας.
Προετοιμασία δείγματος Επεξεργασία
Στην ανάλυση αίματος πρέπει να διαχωριστούν τα λευκά αιμοσφαίρια, τα αιμοπετάλια, τα βακτήρια και το πλάσμα. Τα κόσκινα, τα φράγματα, ο αδρανειακός περιορισμός και οι συσκευές εκτροπής της ροής είναι ορισμένες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται στην προετοιμασία του πλάσματος αίματος για ανάλυση χωρίς κύτταρα. Τα κόσκινα μπορούν να μικροκατασκευαστούν με στήλες ή στύλους υψηλής αναλογίας, αλλά είναι κατάλληλα μόνο για χαμηλό φορτίο για να αποφευχθεί η απόφραξη με κύτταρα. Τα φράγματα είναι ρηχά τμήματα που μοιάζουν με μεσότοιχο και χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό της ροής σε στενές σχισμές μεταξύ στρωμάτων χωρίς στύλους. Ένα πλεονέκτημα της χρήσης θυροφραγμάτων είναι ότι η απουσία στύλων επιτρέπει την αποτελεσματικότερη ανακύκλωση του ρετενίτη για τη ροή κατά μήκος του φίλτρου για την έκπλυση των φραγμένων κυττάρων. Τα μαγνητικά σφαιρίδια χρησιμοποιούνται για να βοηθήσουν στο διαχωρισμό των αναλύσεων. Αυτά τα μικροσκοπικά σφαιρίδια λειτουργικοποιούνται με μόρια-στόχους και μετακινούνται μέσω μικρορευστολογικών καναλιών με τη χρήση μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Αυτό χρησιμεύει ως μια γρήγορη μέθοδος συλλογής στόχων για ανάλυση. Αφού ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία, εφαρμόζεται ένα ισχυρό, σταθερό μαγνητικό πεδίο για την ακινητοποίηση των σφαιριδίων που είναι συνδεδεμένα με τους στόχους και την απομάκρυνση των μη συνδεδεμένων σφαιριδίων. Το φίλτρο Η είναι μια μικρορευστομηχανική συσκευή με δύο εισόδους και δύο εξόδους που εκμεταλλεύεται τη στρωτή ροή και τη διάχυση για να διαχωρίσει τα συστατικά που διαχέονται στη διεπιφάνεια μεταξύ δύο ρευμάτων εισόδου. Ελέγχοντας τον ρυθμό ροής, την απόσταση διάχυσης και τον χρόνο παραμονής του υγρού στο φίλτρο, τα κύτταρα αποκλείονται από το διήθημα λόγω του βραδύτερου ρυθμού διάχυσης. Το φίλτρο Η δεν φράζει και μπορεί να λειτουργεί επ' αόριστον, αλλά οι αναλύσεις αραιώνονται κατά δύο φορές. Για την ανάλυση κυττάρων, τα κύτταρα μπορούν να μελετηθούν άθικτα ή μετά από λύση. Ένα ρεύμα ρυθμιστικού διαλύματος με λυτικό διάλυμα μπορεί να εισαχθεί παράλληλα με ένα ρεύμα που περιέχει κύτταρα και μέσω διάχυσης προκαλεί λύση πριν από την περαιτέρω ανάλυση. Η ανάλυση κυττάρων γίνεται συνήθως με κυτταρομετρία ροής και μπορεί να εφαρμοστεί σε μικρορευστομηχανές με χαμηλότερες ταχύτητες ρευστού και χαμηλότερη απόδοση από τις συμβατικές μακροσκοπικές αντίστοιχες.
Κλάδωση δειγμάτων Επεξεργασία
Ο διαχωρισμός δειγμάτων σε μικρορευστικά μπορεί να επιτευχθεί με τριχοειδή ηλεκτροφόρηση ή με διαχωρισμό συνεχούς ροής. Στην τριχοειδή ηλεκτροφόρηση, ένας μακρύς λεπτός σωλήνας διαχωρίζει τους αναλυτές με βάση την τάση καθώς αυτοί μεταναστεύουν με ηλεκτρο-οσμωτική ροή. Για το διαχωρισμό συνεχούς ροής, η γενική ιδέα είναι η εφαρμογή ενός πεδίου υπό γωνία προς τη διεύθυνση της ροής για την εκτροπή της διαδρομής ροής του δείγματος προς διαφορετικά κανάλια. Παραδείγματα τεχνικών διαχωρισμού συνεχούς ροής περιλαμβάνουν την ηλεκτροφόρηση συνεχούς ροής, την ισοηλεκτρική εστίαση, τους μαγνητικούς διαχωρισμούς συνεχούς ροής και το μοριακό κοσκίνισμα.
Εκκρεμείς προκλήσεις Επεξεργασία
Οι περισσότερες διαγνωστικές συσκευές που κυκλοφορούν στην αγορά μπορούν να εξετάσουν μόνο μία ασθένεια. Επιπλέον, οι περισσότερες συσκευές έχουν δυαδική έξοδο (ναι/όχι) χωρίς διαφοροποιημένες πληροφορίες για την κατάσταση του ασθενούς. Έτσι, εκτός από την ανάπτυξη δοκιμών για περισσότερες ασθένειες, οι επιστήμονες εργάζονται επί του παρόντος για να επεκτείνουν την πολυπλοκότητα αυτών των συσκευών, προκειμένου να αυξήσουν τη χρησιμότητά τους. Είναι δύσκολο να κατασκευαστούν διαγνωστικές συσκευές MEMS εκτός εργαστηριακού περιβάλλοντος. Μεγάλο μέρος της έρευνας σχετικά με αυτές τις συσκευές πραγματοποιείται σε κλιματιζόμενα εργαστήρια, όπου οι συσκευές μπορούν να δοκιμαστούν αμέσως μετά την παραγωγή τους. Ωστόσο, καθώς πολλές από αυτές τις συσκευές χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο τροπικών ασθενειών, πρέπει να είναι αρκετά ανθεκτικές ώστε να επιβιώνουν σε ζεστές, υγρές συνθήκες. Πρέπει επίσης να αποθηκεύονται για μεγάλα χρονικά διαστήματα από τη στιγμή της παραγωγής έως τη στιγμή της χρήσης. Η χρηματοδότηση είναι περιορισμένη για την έρευνα σε θέματα τροπικών ασθενειών. Επιπλέον, υπάρχουν πολλά ρυθμιστικά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν πριν από την έγκριση μιας ιατρικής συσκευής, η οποία μπορεί να κοστίσει δεκάδες εκατομμύρια δολάρια. Έτσι, οι εταιρείες που επικεντρώνονται στις τροπικές ασθένειες πρέπει συχνά να συνδυάζουν τους ερευνητικούς τους στόχους για τις τροπικές ασθένειες με την έρευνα σε άλλους, πιο καλά χρηματοδοτούμενους τομείς της ιατρικής έρευνας.
Bio-MEMS στη μηχανική ιστών Επεξεργασία
Κυτταρική καλλιέργεια Επεξεργασία
Η συμβατική τεχνολογία κυτταροκαλλιέργειας δεν είναι σε θέση να επιτρέψει αποτελεσματικά τη συνδυαστική δοκιμή υποψήφιων φαρμάκων, αυξητικών παραγόντων, νευροπεπτιδίων, γονιδίων και ρετροϊών σε μέσο κυτταροκαλλιέργειας. Λόγω της ανάγκης τα κύτταρα να τροφοδοτούνται περιοδικά με φρέσκο μέσο και να πασάρονται, ακόμη και η δοκιμή λίγων συνθηκών απαιτεί μεγάλο αριθμό κυττάρων και προμηθειών, ακριβούς και ογκώδεις επωαστήρες, μεγάλους όγκους υγρών (~0,1 - 2 mL ανά δείγμα) και κουραστική ανθρώπινη εργασία. Η απαίτηση ανθρώπινης εργασίας περιορίζει επίσης τον αριθμό και τη διάρκεια μεταξύ των χρονικών σημείων για τα πειράματα. Οι καλλιέργειες κυττάρων με μικρορευστότητα αποτελούν δυνητικά μια τεράστια βελτίωση επειδή μπορούν να αυτοματοποιηθούν, καθώς και να αποδώσουν χαμηλότερο συνολικό κόστος, υψηλότερη απόδοση και πιο ποσοτικές περιγραφές της μεταβλητότητας της συμπεριφοράς ενός κυττάρου. Με την ενσωμάτωση συστημάτων ανταλλαγής αερίων και ελέγχου της θερμοκρασίας στο τσιπ, η καλλιέργεια μικρορευστών κυττάρων μπορεί να εξαλείψει την ανάγκη για θερμοκοιτίδες και απορροφητήρες καλλιέργειας ιστών. Ωστόσο, αυτός ο τύπος συνεχούς λειτουργίας μικρορευστομηχανικής καλλιέργειας κυττάρων παρουσιάζει και τις δικές του μοναδικές προκλήσεις. Ο έλεγχος της ροής είναι σημαντικός κατά την σπορά κυττάρων σε μικροκανάλια, επειδή η ροή πρέπει να σταματήσει μετά την αρχική έγχυση του κυτταρικού εναιωρήματος για να προσκολληθούν τα κύτταρα ή να παγιδευτούν σε μικροκυψέλες, διηλεκτροφορητικές παγίδες, μικρομαγνητικές παγίδες ή υδροδυναμικές παγίδες. Στη συνέχεια, η ροή πρέπει να συνεχιστεί με τρόπο που να μην παράγει μεγάλες δυνάμεις που διαπερνούν τα κύτταρα από το υπόστρωμα. Η δοσομέτρηση των υγρών με χειροκίνητη ή ρομποτική πιπέτα μπορεί να αντικατασταθεί με μικροαντλίες και μικροβαλβίδες, όπου η δοσομέτρηση των υγρών είναι εύκολο να καθοριστεί, σε αντίθεση με τα συστήματα συνεχούς ροής με μικροαναμικτήρες. Αναπτύχθηκε ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα καλλιέργειας κυττάρων με μικρορευστότητα για τη μελέτη της οστεογενετικής διαφοροποίησης ανθρώπινων εμβρυϊκών βλαστικών κυττάρων. Αναπτύχθηκε επίσης ένας φορητός επωαστήρας μικρορευστικής κυτταροκαλλιέργειας ικανός να θερμαίνει και να αντλεί διαλύματα κυτταροκαλλιέργειας. Λόγω της μείωσης του όγκου στις μικρορευστικές καλλιέργειες, οι συγκεντρώσεις που συλλέγονται είναι υψηλότερες για καλύτερες μετρήσεις του λόγου σήματος προς θόρυβο, αλλά η συλλογή και η ανίχνευση είναι αντίστοιχα πιο δύσκολη. Οι δοκιμασίες μικροσκοπίας επί τόπου με μικρορευστικές κυτταρικές καλλιέργειες μπορούν να βοηθήσουν από αυτή την άποψη, αλλά έχουν εγγενώς χαμηλότερη απόδοση λόγω του ότι ο ανιχνευτής του μικροσκοπίου έχει μόνο ένα μικρό οπτικό πεδίο. Η πλατφόρμα Berkeley Lights Beacon έχει επιλύσει το ζήτημα της συλλογής και της ανίχνευσης εκτελώντας μικρορευστολογικές καλλιέργειες σε μια συστοιχία φωτοαγωγών που μπορούν να ενεργοποιηθούν οπτοηλεκτρικά για να χειριστούν τα κύτταρα σε όλο το τσιπ. Η πλατφόρμα αυτή έχει υιοθετηθεί από την Amgen και τη Novartis για την ανάπτυξη κυτταρικών σειρών στη βιοφαρμακευτική βιομηχανία. Οι μικροδιαμορφωμένες συγκαλλιέργειες έχουν επίσης συμβάλει στα βιο-MEMS για τη μηχανική ιστών για την αναπαράσταση των in vivo συνθηκών και της τρισδιάστατης φυσικής δομής. Συγκεκριμένα, τα ηπατοκύτταρα έχουν διαμορφωθεί με σκοπό τη συγκαλλιέργεια σε συγκεκριμένες κυτταρικές πυκνότητες με ινοβλάστες για τη διατήρηση ειδικών λειτουργιών του ήπατος, όπως η έκκριση λευκωματίνης, η σύνθεση ουρίας και η αποτοξικοποίηση p450. Παρομοίως, η ενσωμάτωση της μικρορευστομηχανικής με μικροδιαμορφωμένες συγκαλλιέργειες επέτρεψε τη μοντελοποίηση οργάνων όπου πολλαπλοί αγγειούμενοι ιστοί διασυνδέονται, όπως ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός και οι πνεύμονες. Οι λειτουργίες των πνευμόνων σε επίπεδο οργάνου έχουν αναπαρασταθεί σε συσκευές lung-on-a-chip, όπου μια πορώδης μεμβράνη και το στρώμα των επιθηλιακών κυττάρων που έχουν σπαρθεί, τεντώνονται κυκλικά με την εφαρμογή κενού σε παρακείμενα μικροκανάλια για να μιμηθούν την εισπνοή.
Μηχανική βλαστοκυττάρων Επεξεργασία
Μια ολοκληρωμένη μικρορευστομηχανή με γεννήτρια βαθμίδας συγκέντρωσης και μεμονωμένους κυτταρικούς θαλάμους για τη μελέτη των δοσοεξαρτώμενων επιδράσεων παραγόντων που επάγουν τη διαφοροποίηση. Ο στόχος της μηχανικής των βλαστοκυττάρων είναι να μπορεί να ελέγχεται η διαφοροποίηση και η αυτοανανέωση των βλαστοκυττάρων πολυδυναμίας για κυτταροθεραπεία. Η διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των διαλυτών και βιοχημικών παραγόντων, της διατμητικής τάσης του υγρού, των αλληλεπιδράσεων κυττάρου-ΕΚΜ, των αλληλεπιδράσεων κυττάρου-κυττάρου, καθώς και του σχηματισμού και της οργάνωσης των εμβρυοειδών σωμάτων. Τα Bio-MEMS έχουν χρησιμοποιηθεί για την έρευνα του τρόπου βελτιστοποίησης των συνθηκών καλλιέργειας και ανάπτυξης των βλαστικών κυττάρων με τον έλεγχο αυτών των παραγόντων. Η εξέταση των βλαστικών κυττάρων και των διαφοροποιημένων απογόνων τους γίνεται με μικροσυστοιχίες για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο οι μεταγραφικοί παράγοντες και τα miRNAs καθορίζουν την κυτταρική μοίρα, του τρόπου με τον οποίο οι επιγενετικές τροποποιήσεις μεταξύ των βλαστικών κυττάρων και των θυγατρικών τους κυττάρων επηρεάζουν τους φαινοτύπους, καθώς και τη μέτρηση και τη διαλογή των βλαστικών κυττάρων με βάση την έκφραση των πρωτεϊνών τους.
Βιοχημικοί παράγοντες Επεξεργασία
Η μικρορευστομηχανική μπορεί να αξιοποιήσει τον μικροσκοπικό όγκο και τα χαρακτηριστικά στρωτής ροής της για τον χωροχρονικό έλεγχο των βιοχημικών παραγόντων που παρέχονται στα βλαστικά κύτταρα. Οι γεννήτριες βαθμίδων μικρορευστοποίησης έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη των σχέσεων δόσης-απόκρισης. Το οξυγόνο είναι ένας σημαντικός βιοχημικός παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη στη διαφοροποίηση μέσω των μεταγραφικών παραγόντων που προκαλούνται από την υποξία (HIFs) και των σχετικών σηματοδοτικών μονοπατιών, κυρίως στην ανάπτυξη του αίματος, του αγγειακού συστήματος, του πλακούντα και των οστικών ιστών. Οι συμβατικές μέθοδοι μελέτης των επιδράσεων του οξυγόνου βασίζονταν στη ρύθμιση ολόκληρου του επωαστήρα σε μια συγκεκριμένη συγκέντρωση οξυγόνου, γεγονός που περιόριζε την ανάλυση σε συγκρίσεις κατά ζεύγη μεταξύ νορμοξικών και υποξικών συνθηκών αντί του επιθυμητού χαρακτηρισμού που εξαρτάται από τη συγκέντρωση. Οι λύσεις που αναπτύχθηκαν περιλαμβάνουν τη χρήση συνεχών αξονικών διαβαθμίσεων οξυγόνου και συστοιχιών μικρορευστομηχανικών θαλάμων κυτταροκαλλιέργειας που διαχωρίζονται με λεπτές μεμβράνες PDMS σε μικροκανάλια γεμάτα με αέριο.
Διατμητική τάση ρευστού Επεξεργασία
Η διατμητική τάση των ρευστών έχει σημασία για τη διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων των καρδιαγγειακών σειρών, καθώς και για την όψιμη εμβρυογένεση και οργανογένεση, όπως η ασυμμετρία αριστερά-δεξιά κατά την ανάπτυξη. Οι μελέτες σε μακροκλίμακα δεν επιτρέπουν την ποσοτική ανάλυση της διατμητικής τάσης στη διαφοροποίηση, επειδή πραγματοποιούνται με τη χρήση θαλάμων ροής παράλληλων πλακών ή περιστρεφόμενων κωνικών συσκευών μόνο σε σενάρια on-off. Η ροή Poiseuille στη μικρορευστομηχανική επιτρέπει τη συστηματική μεταβολή των διατμητικών τάσεων με τη χρήση της γεωμετρίας του καναλιού και του ρυθμού ροής μέσω μικροαντλιών, όπως αποδείχθηκε με τη χρήση συστοιχιών θαλάμων αιμάτωσης για μελέτες προσκόλλησης μεσεγχυματικών βλαστικών κυττάρων και ινοβλαστών.
Αλληλεπιδράσεις κυττάρων-ECM Επεξεργασία
Οι αλληλεπιδράσεις κυττάρων-ECM προκαλούν αλλαγές στη διαφοροποίηση και την αυτοανανέωση από την ακαμψία του υποστρώματος μέσω της μηχανικής μεταγωγής και από διαφορετικές ιντεγκρίνες που αλληλεπιδρούν με μόρια ECM. Η μικροδιαμόρφωση των πρωτεϊνών ECM με εκτύπωση μικροεπαφής (μCP), εκτύπωση inkjet και ψεκασμός μάσκας έχουν χρησιμοποιηθεί σε μελέτες αλληλεπίδρασης βλαστικών κυττάρων-ECM. Με τη χρήση εκτύπωσης μικροεπαφής για τον έλεγχο της περιοχής προσκόλλησης των κυττάρων διαπιστώθηκε ότι η εναλλαγή στην οστεογενετική/αδιπογενετική γραμμή σε ανθρώπινα μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα μπορεί να εξαρτάται από το σχήμα των κυττάρων. Η μικροκατασκευή μικροϋπολογιστών και η μέτρηση της εκτροπής τους μπορεί να καθορίσει τις δυνάμεις έλξης που ασκούνται στα κύτταρα. Η φωτολιθογραφία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη διασύνδεση της φωτοπολυμεριζόμενης ECM με κυτταρική σπορά για τρισδιάστατες μελέτες. Η χρήση μικροσυστοιχιών ECM για τη βελτιστοποίηση των συνδυαστικών επιδράσεων του κολλαγόνου, της λαμινίνης και της ινωδονεκτίνης στα βλαστικά κύτταρα είναι πιο συμφέρουσα από τις συμβατικές πλάκες με φρεάτια λόγω της υψηλότερης απόδοσης και της μικρότερης απαίτησης ακριβών αντιδραστηρίων.
Αλληλεπιδράσεις κυττάρου-κυττάρου Επεξεργασία
Η μοίρα των κυττάρων ρυθμίζεται τόσο από αλληλεπιδράσεις μεταξύ βλαστικών κυττάρων όσο και από αλληλεπιδράσεις μεταξύ βλαστικών κυττάρων και μεμβρανικών πρωτεϊνών. Η χειραγώγηση της πυκνότητας σποράς κυττάρων είναι μια κοινή βιολογική τεχνική για τον έλεγχο των αλληλεπιδράσεων κυττάρων-κυττάρων, αλλά ο έλεγχος της τοπικής πυκνότητας είναι δύσκολος και συχνά είναι δύσκολο να αποσυνδεθούν οι επιδράσεις μεταξύ των διαλυτών σημάτων στο μέσο και των φυσικών αλληλεπιδράσεων κυττάρων-κυττάρων. Η μικροδιαμόρφωση των πρωτεϊνών κυτταρικής προσκόλλησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό των χωρικών θέσεων διαφορετικών κυττάρων σε ένα υπόστρωμα για τη μελέτη του πολλαπλασιασμού των ανθρώπινων ΟΚΕ. Η σπορά βλαστικών κυττάρων σε μικροκύτταρα PDMS και η αναστροφή τους πάνω σε υπόστρωμα ή σε άλλο στρώμα κυττάρων είναι μια μέθοδος για την επίτευξη ακριβούς χωρικού ελέγχου. Οι επικοινωνίες με διακλάδωση έχουν επίσης μελετηθεί με τη χρήση μικρορευστομηχανικής, όπου η αρνητική πίεση που δημιουργείται από τη ροή του ρευστού σε πλευρικά κανάλια που πλαισιώνουν ένα κεντρικό κανάλι παγιδεύει ζεύγη κυττάρων που βρίσκονται σε άμεση επαφή ή χωρίζονται από ένα μικρό διάκενο. Ωστόσο, γενικά, η μη μηδενική κινητικότητα και ο σύντομος χρόνος κυτταρικού κύκλου των βλαστικών κυττάρων συχνά διαταράσσουν τη χωρική οργάνωση που επιβάλλουν αυτές οι μικροτεχνολογίες.
Σχηματισμός και οργάνωση εμβρυοειδών σωμάτων Επεξεργασία
Εμβρυοειδή σώματα ποντικού σε καλλιέργεια εναιωρήματος μετά από 24 ώρες σχηματισμού από εμβρυϊκά βλαστικά κύτταρα. Τα εμβρυοειδή σώματα αποτελούν μια κοινή in vitro δοκιμή πολυδυναμίας για τα βλαστικά κύτταρα και το μέγεθός τους πρέπει να ελέγχεται για να επάγεται κατευθυνόμενη διαφοροποίηση σε συγκεκριμένες γενεαλογικές γραμμές. Ο σχηματισμός εμβρυοειδών σωμάτων ομοιόμορφου μεγέθους με μικροκύτταρα και μικρορευστομηχανές υψηλής απόδοσης επιτρέπει την εύκολη ανάκτηση και, το σημαντικότερο, την κλιμάκωση για κλινικά πλαίσια. Ο ενεργός έλεγχος της οργάνωσης και της αρχιτεκτονικής των κυττάρων του εμβρυοειδούς σώματος μπορεί επίσης να κατευθύνει τη διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων με τη χρήση μικρορευστομηχανικών βαθμίδων παραγόντων που επάγουν το ενδοδερμικό, το μεσοδερμικό και το εκτοδερμικό, καθώς και παραγόντων αυτοανανέωσης.
Τεχνολογίες υποβοηθούμενης αναπαραγωγής Επεξεργασία
Οι τεχνολογίες υποβοηθούμενης αναπαραγωγής συμβάλλουν στη θεραπεία της υπογονιμότητας και στη γενετική βελτίωση των ζώων. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα αυτών των τεχνολογιών στην κρυοσυντήρηση και την in vitro παραγωγή εμβρύων θηλαστικών είναι χαμηλή. Η μικρορευστομηχανική έχει εφαρμοστεί σε αυτές τις τεχνολογίες για την καλύτερη μίμηση του in vivo μικροπεριβάλλοντος με διαμορφωμένες τοπογραφικές και βιοχημικές επιφάνειες για ελεγχόμενη χωροχρονική προσκόλληση των κυττάρων, καθώς και για την ελαχιστοποίηση των νεκρών όγκων. Οι μικροαντλίες και οι μικροβαλβίδες μπορούν να αυτοματοποιήσουν τις κουραστικές διαδικασίες διανομής υγρών και διάφοροι αισθητήρες μπορούν να ενσωματωθούν για τον έλεγχο της ποιότητας σε πραγματικό χρόνο. Συσκευές Bio-MEMS έχουν αναπτυχθεί για την αξιολόγηση της κινητικότητας του σπέρματος, την εκτέλεση επιλογής σπέρματος, καθώς και την πρόληψη της πολυσπερμίας στην in-vitro γονιμοποίηση.
Bio-MEMS σε ιατρικά εμφυτεύματα και χειρουργικές επεμβάσεις Επεξεργασία
Εμφυτεύσιμα μικροηλεκτρόδια Επεξεργασία
Ο στόχος των εμφυτεύσιμων μικροηλεκτροδίων είναι η διασύνδεση με το νευρικό σύστημα του σώματος για την καταγραφή και αποστολή βιοηλεκτρικών σημάτων για τη μελέτη ασθενειών, τη βελτίωση προσθετικών υλικών και την παρακολούθηση κλινικών παραμέτρων. Η μικροκατασκευή οδήγησε στην ανάπτυξη των ανιχνευτών Michigan και της συστοιχίας ηλεκτροδίων Utah, που αύξησαν τα ηλεκτρόδια ανά μονάδα όγκου, ενώ παράλληλα αντιμετώπισαν τα προβλήματα των παχιών υποστρωμάτων που προκαλούν βλάβη κατά την εμφύτευση και προκαλούν αντίδραση ξένου σώματος και την ενθυλάκωση των ηλεκτροδίων μέσω του πυριτίου και των μετάλλων στα ηλεκτρόδια. Οι ανιχνευτές του Michigan έχουν χρησιμοποιηθεί σε μεγάλης κλίμακας καταγραφές και ανάλυση δικτύων νευρωνικών συνόλων και η συστοιχία ηλεκτροδίων Utah έχει χρησιμοποιηθεί ως διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή για παράλυτους. Τα εξωκυτταρικά μικροηλεκτρόδια έχουν σχεδιαστεί πάνω σε ένα φουσκωτό πλαστικό σε σχήμα έλικας σε κοχλιακά εμφυτεύματα για να βελτιωθεί η βαθύτερη εισαγωγή και η καλύτερη επαφή ηλεκτροδίου- ιστού για τη μεταγωγή ήχων υψηλής πιστότητας. Η ενσωμάτωση της μικροηλεκτρονικής σε λεπτά, εύκαμπτα υποστρώματα οδήγησε στην ανάπτυξη ενός καρδιακού επιθέματος που προσκολλάται στην καμπυλόγραμμη επιφάνεια της καρδιάς μόνο με την επιφανειακή τάση για τη μέτρηση της καρδιακής ηλεκτροφυσιολογίας και ηλεκτρονικών τατουάζ για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του δέρματος και του βιοηλεκτρισμού. Η ασύρματη καταγραφή ηλεκτροφυσιολογικών σημάτων είναι δυνατή με την προσθήκη ενός πιεζοκρυστάλλου σε ένα κύκλωμα δύο ηλεκτροδίων καταγραφής και ενός μόνο τρανζίστορ σε μια εμφυτευμένη μικροσυσκευή. Ένας εξωτερικός μετατροπέας εκπέμπει παλμούς υπερηχητικής ενέργειας} οι οποίοι προσκρούουν στον πιεζοκρύσταλλο και οι αλλαγές της εξωκυτταρικής τάσης οπισθοσκεδάζονται υπερηχητικά από τον πιεζοκρύσταλλο, επιτρέποντας τη μέτρηση. Ένα δίκτυο των λεγόμενων μοτίβων "νευρικής σκόνης" μπορεί να χαρτογραφήσει τα σήματα σε ολόκληρη την περιοχή του σώματος όπου εμφυτεύονται οι μικροαισθητήρες.
Μικροεργαλεία για τη χειρουργική Επεξεργασία
Ένας καρδιακός καθετήρας μπαλονιού με αισθητήρες θερμοκρασίας, αισθητήρες ηλεκτροκαρδιογραφίας και LED είναι ένα χειρουργικό βιο-ΜΗΚΥ. Τα βιο-MEMS για χειρουργικές εφαρμογές μπορούν να βελτιώσουν την υπάρχουσα λειτουργικότητα, να προσθέσουν νέες δυνατότητες στους χειρουργούς για την ανάπτυξη νέων τεχνικών και διαδικασιών και να βελτιώσουν τα χειρουργικά αποτελέσματα μειώνοντας τον κίνδυνο και παρέχοντας ανατροφοδότηση σε πραγματικό χρόνο κατά τη διάρκεια της επέμβασης. Μικροκατασκευασμένα χειρουργικά εργαλεία, όπως μικροσκοπικές λαβίδες, συστοιχίες μικροβελόνων και αποκολλητές ιστών, έχουν καταστεί δυνατά με τεχνικές μικροκατασκευής στρώμα προς στρώμα από μέταλλο και κεραμικό για ελάχιστα επεμβατική χειρουργική και ρομποτική χειρουργική. Η ενσωμάτωση αισθητήρων στα χειρουργικά εργαλεία επιτρέπει επίσης την απτική ανατροφοδότηση για τον χειρουργό, την αναγνώριση του τύπου του ιστού μέσω της τάσης και της πυκνότητας κατά τη διάρκεια των εργασιών κοπής και τον διαγνωστικό καθετηριασμό για τη μέτρηση της ροής του αίματος, των πιέσεων, των θερμοκρασιών, της περιεκτικότητας σε οξυγόνο και των χημικών συγκεντρώσεων.
Χορήγηση φαρμάκων Επεξεργασία
Το διαδερμικό έμπλαστρο με μικροβελόνες είναι λιγότερο επεμβατικό σε σύγκριση με τη συμβατική χορήγηση φαρμάκων με υποδερμική βελόνα. Οι μικροβελόνες, τα συστήματα σκευασμάτων και τα εμφυτεύσιμα συστήματα είναι βιο-MEMS που μπορούν να εφαρμοστούν για τη χορήγηση φαρμάκων. Οι μικροβελόνες των 100μm περίπου μπορούν να διαπεράσουν τον δερματικό φραγμό και να παραδώσουν φάρμακα στα υποκείμενα κύτταρα και το διάμεσο υγρό με μειωμένη ιστική βλάβη, μειωμένο πόνο και χωρίς αιμορραγία. Οι μικροβελόνες μπορούν επίσης να ενσωματωθούν με μικρορευστομηχανές για αυτοματοποιημένη φόρτωση φαρμάκων ή πολυπλεξία. Από τη σκοπιά του χρήστη, οι μικροβελόνες μπορούν να ενσωματωθούν σε μορφή επιθέματος για αυτοχορήγηση και δεν αποτελούν βιολογικό κίνδυνο από αιχμηρά απόβλητα (εάν το υλικό είναι πολυμερές). Η χορήγηση φαρμάκων με μικροβελόνες περιλαμβάνει την επικάλυψη της επιφάνειας με θεραπευτικούς παράγοντες, τη φόρτωση φαρμάκων σε πορώδεις ή κοίλες μικροβελόνες ή την κατασκευή των μικροβελόνων με φάρμακο και μήτρα επικάλυψης για μέγιστη φόρτωση φαρμάκου. Αναπτύσσονται επίσης μικροβελόνες για την εξαγωγή διάμεσου υγρού, την εξαγωγή αίματος και την παράδοση γονιδίων. Η αποτελεσματικότητα της χορήγησης φαρμάκων με μικροβελόνες παραμένει μια πρόκληση επειδή είναι δύσκολο να διαπιστωθεί αν οι μικροβελόνες διεισδύουν αποτελεσματικά στο δέρμα. Ορισμένα φάρμακα, όπως η διαζεπάμη, είναι δυσδιάλυτα και πρέπει να αερολυθούν αμέσως πριν από την ενδορινική χορήγηση. Η τεχνολογία Bio-MEMS με χρήση πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων σε υγρές δεξαμενές μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αυτές τις περιπτώσεις για τη δημιουργία αερολυμάτων στενής κατανομής μεγέθους για καλύτερη χορήγηση φαρμάκων. Έχουν επίσης αναπτυχθεί εμφυτεύσιμα συστήματα χορήγησης φαρμάκων για τη χορήγηση θεραπευτικών παραγόντων που έχουν φτωχή βιοδιαθεσιμότητα ή απαιτούν εντοπισμένη απελευθέρωση και έκθεση σε ένα σημείο-στόχο. Παραδείγματα περιλαμβάνουν μια μικρορευστομηχανή PDMS που εμφυτεύεται κάτω από τον επιπεφυκότα για τη χορήγηση φαρμάκων στο μάτι για τη θεραπεία οφθαλμικών παθήσεων και μικροτσίπ με δεξαμενές φαρμάκων με χρυσό κάλυμμα για την οστεοπόρωση. Στα εμφυτεύσιμα βιο-MEMS για τη χορήγηση φαρμάκων, είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη η θραύση της συσκευής και η απόρριψη της δόσης, η ινώδης ενθυλάκωση της συσκευής και η εκμόσχευση της συσκευής. Τα περισσότερα φάρμακα πρέπει επίσης να χορηγηθούν σε σχετικά μεγάλες ποσότητες (χιλιοστόλιτρα ή και μεγαλύτερες), γεγονός που καθιστά την εμφυτεύσιμη χορήγηση φαρμάκων με βιο-MEMS πρόκληση λόγω της περιορισμένης ικανότητας συγκράτησης φαρμάκων.
Παραπομπές Επεξεργασία
- ↑ Steven S. Saliterman (2006). Fundamentals of bio-MEMS and medical microdevices. Bellingham, Wash., USA: SPIE—The International Society for Optical Engineering. ISBN 0-8194-5977-1.
- ↑ Folch, Albert (2013). Introduction to bio-MEMS. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-1-4398-1839-8.