Bio-MEMS

Bio-MEMS ir biomedicīnas (vai bioloģisko) mikroelektromehānisko sistēmu saīsinājums. Bio-MEMS ievērojami pārklājas un dažkārt tiek uzskatītas par sinonīmiem laboratorijai uz mikroshēmas (LOC) un mikrosistēmām (μTAS). Bio-MEMS parasti vairāk koncentrējas uz mehāniskām detaļām un mikroražošanas tehnoloģijām, kas piemērotas bioloģiskiem lietojumiem. No otras puses, laboratorija uz mikroshēmas ir saistīta ar laboratorijas procesu un eksperimentu miniaturizāciju un integrāciju atsevišķās (bieži vien mikrofluidiskās) mikroshēmās. Šajā definīcijā laboratorijas uz mikroshēmas ierīcēm nav strikti bioloģiska pielietojuma, lai gan vairums no tām ir vai var tikt pielāgotas bioloģiskiem mērķiem. Līdzīgi arī mikrokopējās analīzes sistēmas var nebūt paredzētas bioloģiskiem lietojumiem, un parasti tās ir paredzētas ķīmiskai analīzei. Bio-MEMS var izmantot plašu definīciju, lai apzīmētu bioloģisko un biomedicīnisko lietojumu zinātni un tehnoloģiju, kas darbojas mikrolīmenī un kas var ietvert vai neietvert elektroniskas vai mehāniskas funkcijas. Bio-MEMS starpdisciplinārā būtība apvieno materiālzinātnes, klīniskās zinātnes, medicīnu, ķirurģiju, elektrotehniku, mašīnbūvi, optisko inženieriju, ķīmijas inženieriju un biomedicīnas inženieriju. Daži no tās galvenajiem pielietojumiem ir genomika, proteomika, molekulārā diagnostika, diagnostikas punkti, audu inženierija, atsevišķu šūnu analīze un implantējamas mikroierīces.

Vēsture

1967. gadā S. B. Kārters (S. B. Carter) ziņoja par ēnā iztvaicētu palādija saliņu izmantošanu šūnu piestiprināšanai. Pēc šī pirmā bio-MEMS pētījuma turpmākā nozares attīstība aptuveni 20 gadus bija lēna. 1985. gadā Unipath Inc. komercializēja ClearBlue - grūtniecības testu, ko izmanto vēl šodien un ko var uzskatīt par pirmo mikrofluidisko ierīci, kas satur papīru, un pirmo tirgū laisto mikrofluidisko produktu. 1990. gadā Andreas Manz un H. Michael Widmer no Ciba-Geigy (tagad Novartis), Šveice, savā pamatpraktikumā, kurā ierosināja izmantot miniatūrās kopējās ķīmiskās analīzes sistēmas ķīmisko vielu noteikšanai, pirmo reizi lietoja terminu "mikrotīkla analīzes sistēma" (μTAS). μTAS koncepcijas pamatā ir trīs galvenie motivējošie faktori. Pirmkārt, zāļu atklāšana pēdējās desmitgadēs līdz 90. gadiem bija ierobežota laika un izmaksu dēļ, kas bija saistītas ar daudzu hromatogrāfisko analīžu paralēlu veikšanu ar makroskopiskām iekārtām. Otrkārt, Cilvēka genoma projekts (HGP), kas sākās 1990. gada oktobrī, radīja pieprasījumu pēc DNS sekvencēšanas jaudas uzlabojumiem. Tādējādi kapilārā elektroforēze kļuva par ķīmiskās un DNS atdalīšanas prioritāti. Treškārt, ASV Aizsardzības departamenta DARPA 1990. gados atbalstīja virkni mikrofluidisko pētījumu programmu, jo saprata, ka ir nepieciešams izstrādāt uz vietas izmantojamas mikrosistēmas ķīmisko un bioloģisko aģentu, kas bija potenciāli militāri un teroristiski draudi, atklāšanai. Pētnieki sāka izmantot no mikroelektronikas nozares pārmantotās fotolitogrāfijas iekārtas mikroeletromehānisko sistēmu (MEMS) mikrofabrikācijai. Tolaik MEMS pielietojums bioloģijā bija ierobežots, jo šī tehnoloģija bija optimizēta silīcija vai stikla plāksnēm un izmantoja fotorezistus uz šķīdinātāju bāzes, kas nebija saderīgi ar bioloģisko materiālu. Hārvarda ķīmiķis Džordžs M. Vaitesids (George M. Whitesides) 1993. gadā ieviesa lētu mikroprodukciju uz PDMS bāzes, un tas izraisīja revolūciju bio-MEMS jomā. Kopš tā laika bio-MEMS joma ir strauji attīstījusies. Izvēlētie nozīmīgākie tehniskie sasniegumi bio-MEMS attīstībā 90. gados ir šādi:

1991. gadā tika izstrādāta pirmā oligonukleotīdu mikroshēma. 1998. gadā tika izstrādātas pirmās cietās mikrošļirces zāļu piegādei. 1998. gadā tika izstrādāts pirmais nepārtrauktas plūsmas polimerāzes ķēdes reakcijas mikroshēma. 1999. gadā pirmo reizi demonstrēja heterogēnas lamināras plūsmas šūnu selektīvai apstrādei mikrokanālos. Mūsdienās tādas hidrogēla formas kā agaroze, bioloģiski saderīgi fotorezisti un pašsalipināšana ir galvenās pētniecības jomas bio-MEMS uzlabošanā, lai aizstātu vai papildinātu PDMS.

Pieejas

Materiāli

Silīcijs un stikls

Bio-MEMS ir izmantotas parastās mikroapstrādes metodes, piemēram, mitrā kodināšana, sausā kodināšana, dziļā reaktīvā jonu kodināšana, izsmidzināšana, anodiskā līmēšana un kausēšana, lai izgatavotu plūsmas kanālus, plūsmas sensorus, ķīmiskos detektorus, separācijas kapilārus, maisītājus, filtrus, sūkņus un vārstus. Tomēr ir daži trūkumi, kas traucē uz silīciju balstītu ierīču izmantošanu biomedicīnā, piemēram, to augstās izmaksas un bioloģiskā nesaderība. Tā kā tās ir tikai vienreizējās lietošanas ierīces, lielākas nekā MEMS analogi un tām nepieciešamas tīras telpas, augstās materiālu un apstrādes izmaksas padara silīcija bāzes bio-MEMS ekonomiski mazāk pievilcīgas. In vivo uz silīcija bāzētus bio-MEMS var viegli funkcionalizēt, lai samazinātu olbaltumvielu adsorbciju, taču silīcija trauslums joprojām ir būtiska problēma.

Plastmasas un polimēri

Plastmasu un polimēru izmantošana bio-MEMS ir pievilcīga, jo tās ir viegli izgatavojamas, saderīgas ar mikroapstrādes un ātrās prototipēšanas metodēm, kā arī tām ir zemas izmaksas. Daudzi polimēri ir arī optiski caurspīdīgi, un tos var integrēt sistēmās, kurās izmanto optiskās noteikšanas metodes, piemēram, fluorescenci, UV/Vis absorbciju vai Ramana metodi. Turklāt daudzi polimēri ir bioloģiski saderīgi, ķīmiski inerti pret šķīdinātājiem un elektriski izolējoši lietojumiem, kur nepieciešami spēcīgi elektriskie lauki, piemēram, elektroforētiskā separācija. Polimēru virsmas ķīmisko sastāvu var arī modificēt konkrētiem lietojumiem. Konkrēti, PDMS virsmu var apstarot ar joniem, piemēram, magniju, tantalu un dzelzi, lai samazinātu virsmas hidrofobiju, tādējādi nodrošinot labāku šūnu adhēziju "in vivo" lietojumos. Bio-MEMS visbiežāk izmantotie polimēri ir PMMA, PDMS, OSTEmer un SU-8.

Bioloģiskie materiāli

• A) Fibronektīna mikropatternēšana uz PNIPAM stikla virsmas.
• B) un C) Atsevišķi fibroblasti ir telpiski ierobežoti fibronektīna mikropattera ģeometrijā.
• Bioloģisko materiālu, piemēram, olbaltumvielu, šūnu un audu, mikrolīmeņu manipulācijas un modelēšana ir izmantota, izstrādājot šūnu masīvus, mikrotīklus, uz mikrofabrikātu izgatavošanu balstītu audu inženieriju un mākslīgos orgānus. * Bioloģisko mikropatternēšanu var izmantot augstas veiktspējas atsevišķu šūnu analīzei, precīzai šūnu mikrovides kontrolei, kā arī kontrolētai šūnu integrācijai atbilstošās daudzšūnu arhitektūrās, lai atdarinātu in vivo apstākļus. Fotolitogrāfija, mikrokontakta drukāšana, selektīva mikrofluidiska piegāde un pašsaliktie monoslāņi ir dažas metodes, ko izmanto bioloģisko molekulu veidošanai uz virsmām. Šūnu mikropatternošanu var veikt, izmantojot ārpusšūnu matriksa proteīnu mikrokontaktējošu patternošanu, šūnu elektroforēzi, optisko pincešu masīvus, dielektroforēzi un elektroķīmiski aktīvas virsmas.

Papīrs

Papīra mikrofluidika (dažkārt saukta par laboratoriju uz papīra) ir papīra substrātu izmantošana mikrofabrikātu izgatavošanā, lai manipulētu ar šķidruma plūsmu dažādiem lietojumiem. Papīra mikrofluidika ir izmantota papīra elektroforēzē un imūnanalīzēs, no kurām ievērojamākais ir komercializētais grūtniecības tests ClearBlue. Priekšrocības papīra izmantošanai mikrofluidikā un bio-MEMS elektroforēzē ir tā zemās izmaksas, bioloģiskā noārdāmība un dabiskā novadīšanas spēja. Nopietns papīra mikrofluidikas trūkums ir tas, ka šķidruma izdalīšanās ātrums ir atkarīgs no vides apstākļiem, piemēram, temperatūras un relatīvā mitruma. Analītiskās ierīces uz papīra bāzes ir īpaši pievilcīgas diagnostikas punktos jaunattīstības valstīs gan zemo materiālu izmaksu, gan uzsvara uz kolorimetriskajiem testiem, kas ļauj medicīnas darbiniekiem viegli interpretēt rezultātus ar acīm. Salīdzinot ar tradicionālajiem mikrofluidiskajiem kanāliem, papīra mikrokanāli ir pieejami paraugu ievadīšanai (jo īpaši tiesu ekspertīžu paraugiem, piemēram, ķermeņa šķidrumiem un augsnei), kā arī tā dabiskās filtrējošās īpašības izslēdz šūnu atliekas, netīrumus un citus piemaisījumus paraugos. Papīra replikas ir pierādījušas tādu pašu efektivitāti parasto mikrofluidisko operāciju veikšanā, piemēram, hidrodinamiskā fokusēšana, molekulārā ekstrakcija pēc izmēra, mikromaisīšana un atšķaidīšana; parastās 96 un 384 iedobju mikroplates automatizētai šķidrumu apstrādei un analīzei ir reproducētas, izmantojot fotolitogrāfiju uz papīra, lai panāktu plānāku profilu un zemākas materiālu izmaksas, vienlaikus saglabājot savietojamību ar parastajiem mikroplatīšu lasītājiem. Papīra mikropatternošanas metodes ietver fotolitogrāfiju, lāzergriešanu, tintes strūklas drukāšanu, apstrādi ar plazmu un vaska patternošanu.

Elektrokinētika

Elektroforēzes eksperimenta piemērs: Divus konusveida elektrodus novieto gan pie mikrokanāla ieplūdes, gan izplūdes atveres, un šūnas pārvieto pa mikrokanālu, izmantojot līdzstrāvas elektrisko lauku. Elektrokinētika ir izmantota bio-MEMS, lai atdalītu molekulu un šūnu maisījumus, izmantojot elektrisko lauku. Elektroforēzē uzlādētas sugas šķidrumā pārvietojas pieliktā elektriskā lauka ietekmē. Elektroforēzi izmanto, lai frakcionētu mazus jonus, uzlādētas organiskas molekulas, proteīnus un DNS. Elektroforēze un mikrofluidika ir ļoti sinerģiskas, jo mikrokanālos ir iespējams izmantot lielāku spriegumu, pateicoties ātrākai siltuma noņemšanai. Izoelektriskā fokusēšana ir proteīnu, organoelementu un šūnu ar dažādiem izoelektriskiem punktiem atdalīšana. Izoelektriskajai fokusēšanai nepieciešams pH gradients (parasti to veido elektrodi), kas ir perpendikulārs plūsmas virzienam. Interesējošo sugu šķirošana un fokusēšana tiek panākta, jo elektroforētiskais spēks izraisa perpendikulāru migrāciju, līdz tā plūst gar attiecīgajiem izoelektriskiem punktiem. Dielektroforēze ir nepiesātinātu daļiņu kustība, ko izraisa nevienmērīga elektriskā lauka izraisīta polarizācija. Dielektroforēzi var izmantot bio-MEMS dielektroforēzes slazdos, koncentrējot konkrētas daļiņas konkrētos punktos uz virsmām un novirzot daļiņas no vienas plūsmas uz citu dinamiskai koncentrēšanai.

Mikrofluidika

Mikrofluidika attiecas uz sistēmām, kas manipulē ar nelieliem (µL, nL, pL, fL) šķidrumu daudzumiem uz mikrobūvējamiem substrātiem. Mikrofluidiska pieeja bio-MEMS sniedz vairākas priekšrocības:

Ja vienā mikrokanālā pievieno vairākus šķīdumus, tie plūst atsevišķās plūsmas joslās (nesajaucoties), pateicoties laminārās plūsmas īpašībām.

• plūsma mikrokanālos ir lamināra, kas ļauj selektīvi apstrādāt šūnas mikrokanālos, matemātiski modelēt plūsmas modeļus un koncentrācijas, kā arī kvantitatīvi prognozēt šūnu bioloģisko vidi un bioķīmiskās reakcijas.
• Mikrofluidālos elementus var izgatavot šūnu mērogā vai mazākos, kas ļauj pētīt (sub)šūnu parādības, sēt un šķirot atsevišķas šūnas, kā arī atkārtot fizioloģiskos parametrus.

Mikroelektronikas, mikromehānikas un mikrooptikas integrācija vienā platformā ļauj veikt automātisku ierīču vadību, kas samazina cilvēka kļūdas un ekspluatācijas izmaksas.

• Mikrofluidiskā tehnoloģija ir salīdzinoši ekonomiska, pateicoties sērijveida ražošanai un lielai caurlaidspējai (paralēlizācija un dublēšana). Tas ļauj izgatavot vienreizlietojamus vai vienreizējas lietošanas mikroshēmas, kas atvieglo lietošanu un samazina bioloģiskā savstarpējā piesārņojuma iespējamību, kā arī ļauj ātri izstrādāt prototipus.
• Mikrofluidiskās ierīces patērē daudz mazāku reaģentu daudzumu, tās var izgatavot tā, lai ķīmiskai noteikšanai būtu nepieciešams tikai neliels analizējamo vielu daudzums, procesu un reakciju pabeigšanai nepieciešams mazāk laika, un tās rada mazāk atkritumu nekā parastās makrofluidiskās ierīces un eksperimenti.
• Atbilstošs mikrofluidisko ierīču iepakojums var padarīt tās piemērotas valkājamiem lietojumiem, implantiem un pārnēsājamiem lietojumiem jaunattīstības valstīs.

Interesanta pieeja, kas apvieno elektrokinētiskās parādības un mikrofluidiku, ir digitālā mikrofluidika. Digitālajā mikrofluidikā substrāta virsma tiek mikropatternēta ar elektrodiem un selektīvi aktivizēta. Manipulācija ar maziem šķidruma pilieniem notiek, izmantojot elektrolītisko slapināšanu, kas ir parādība, kad elektriskais lauks maina elektrolīta piliena slapjumu uz virsmas.

Bio-MEMS kā miniaturizēti biosensori

Biosensori ir ierīces, kas sastāv no bioloģiskās atpazīšanas sistēmas, ko sauc par bioreceptoru, un pārveidotāja. Analizējamās vielas mijiedarbība ar bioreceptoru izraisa efektu, ko pārveidotājs var pārvērst mērījumā, piemēram, elektriskā signālā. Visbiežāk biosensoros izmantotie bioreceptori ir balstīti uz antivielu un antigēnu mijiedarbību, nukleīnskābju mijiedarbību, fermentu mijiedarbību, šūnu mijiedarbību un mijiedarbību, izmantojot biomimetiskus materiālus. Parastās sensoru metodes ir mehāniskā detektēšana, elektriskā detektēšana un optiskā detektēšana.

Mikromehāniskie sensori

Mehānisko detektēšanu bio-MEMS panāk, izmantojot mikro- un nanoizmēra kontileverus sprieguma un masas noteikšanai vai mikro- un nanoizmēra plates vai membrānas. Spriedzes noteikšanā bioķīmiskā reakcija tiek veikta selektīvi vienā kantilevera pusē, lai izraisītu virsmas brīvās enerģijas izmaiņas. Tā rezultātā rodas kantilevera izliekums, ko var izmērīt vai nu optiski (lāzera atstarošana četru pozīciju detektorā), vai elektriski (pjezorezistors pie kantilevera fiksētās malas), jo mainās virsmas spriegums. Veicot masas noteikšanu, kantilevers vibrē savā rezonanses frekvencē, ko mēra elektriski vai optiski. Kad notiek bioķīmiska reakcija un tā tiek fiksēta uz kantilevera, mainās gan kantilevera masa, gan rezonanses frekvence. Tomēr šo datu analīze var būt nedaudz mazāk vienkārša, jo ir konstatēts, ka parauga adsorbcija uz kantilevera maina arī kantilevera Junga moduli. Mainoties kantilevera stīvumam, mainās arī tā rezonanses frekvence, tāpēc jāanalizē svārstību signāla troksnis, lai noteiktu, vai rezonanses frekvence ir arī elastības izmaiņas funkcija. Šo metodi bieži izmanto, lai noteiktu nukleotīdu nesakritības DNS, jo ar nepareizas bāzes klātbūtnes radīto masas izmaiņu pietiek, lai mainītu kantilevera rezonanses frekvenci un reģistrētu signālu. Masas noteikšana nav tik efektīva šķidrumos, jo minimālā nosakāmā masa ir daudz lielāka slāpētās vidēs. Piekaramie mikrokanālu rezistori ir īpašs kantileveru konstrukcijas veids, kas spēj apiet šo ierobežojumu, izmantojot mikrofluidālos kanālus kantilevera iekšpusē. Šajos kanālos var pārvietot paraugus "in situ" kantileverī, nepazeminot kantileveri un minimāli ietekmējot tā svārstības. Tomēr šī tehnoloģija ir tikai sākuma stadijā, un to vēl nav iespējams izmantot vairāk nekā dažos ierobežotos lietojumos. Kantileveru sensoru izmantošanas priekšrocība ir tā, ka analizējamai vielai vai bioreceptoriem nav nepieciešams optiski nosakāms marķējums.

Elektriskie un elektroķīmiskie sensori

Elektriskā un elektroķīmiskā detektēšana ir viegli pielāgojama pārnēsājamībai un miniaturizācijai, īpaši salīdzinājumā ar optisko detektēšanu. Amperometriskajos biosensoros fermentu katalizēta redoks reakcija izraisa redoks elektronu strāvu, ko mēra ar darba elektrodu. Amperometriskie biosensori ir izmantoti bio-MEMS glikozes, galaktozes, laktozes, urīnvielas un holesterīna noteikšanai, kā arī gāzes noteikšanai un DNS hibridizācijai. Potenciometriskajos biosensoros elektriskā potenciāla mērījumus pie viena elektroda veic attiecībā pret citu elektrodu. Potenciometrisko biosensoru piemēri ir jonu jutīgie lauka efekta tranzistori (ISFET), ķīmiskie lauka efekta tranzistori (chem-FET) un gaismas adresējamie potenciometriskie sensori (LAPS). Konduktometriskajos biosensoros tiek mērītas elektriskās pretestības izmaiņas starp diviem elektrodiem biomolekulāras reakcijas rezultātā. Konduktīvie mērījumi ir vienkārši un viegli lietojami, jo nav nepieciešams īpašs atskaites elektrods, un tos izmanto bioķīmisko vielu, toksīnu, nukleīnskābju un baktēriju šūnu noteikšanai.

Optiskie sensori

Optiskās detektēšanas izaicinājums ir nepieciešamība integrēt detektorus un fotodiodes miniatūrā pārnēsājamā formātā uz bio-MEMS. Optiskā detektēšana ietver uz fluorescenci balstītas metodes, uz ķīmiluminiscenci balstītas metodes un virsmas plazmonu rezonansi (SPR). Uz fluorescenci balstītās optiskās metodes izmanto marķierus, kas izstaro gaismu ar noteiktu viļņu garumu, un optiskā signāla klātbūtne vai pastiprināšanās/samazināšanās (piemēram, fluorescences rezonanses enerģijas pārnese) norāda, ka ir notikusi reakcija. Uz fluorescenci balstīta detektēšana ir izmantota mikroshēmās un PCR mikroshēmās. Ķīmiluminiscence ir gaismas veidošanās, atbrīvojoties enerģijai ķīmiskas reakcijas rezultātā. Bioluminiscence un elektroķīmiluminiscence ir ķīmiluminiscences apakštipi. Virsmas plazmonu rezonanses sensori var būt plānslāņa refraktometri vai režģi, kas mēra virsmas plazmonu rezonansi uz metāla vai dielektriskām virsmām. Rezonanse mainās, kad uz sensora virsmas tiek uztvertas vai adsorbētas biomolekulas, un ir atkarīga no analizējamās vielas koncentrācijas, kā arī tās īpašībām. Virsmas plazmonu rezonanse ir izmantota pārtikas kvalitātes un drošības analīzē, medicīniskajā diagnostikā un vides monitoringā.

Bio-MEMS diagnostikai

Genomiskās un proteomiskās mikromatrikas

Affymetrix GeneChip® ir genomiskās mikroshēmas piemērs. Genomisko un proteomisko mikromatricu mērķis ir paātrināt un padarīt lētāku augstas veiktspējas genoma analīzi, kā arī identificēt aktivizētos gēnus un to sekvences. Mikroshēmās tiek izmantoti dažādi bioloģisko vienību veidi, bet kopumā mikroshēma sastāv no sakārtotas mikrodaļiņu kolekcijas, no kurām katra satur vienu noteiktu molekulāro sugu, kas mijiedarbojas ar analizējamo vielu, lai vienā eksperimentā vienlaicīgi pārbaudītu tūkstošiem parametru. Daži genomisko un proteomisko mikromatricu lietojumi ir jaundzimušo skrīnings, slimību riska noteikšana un terapijas efektivitātes prognozēšana personalizētas medicīnas vajadzībām.

Oligonukleotīdu mikroshēmas

Oligonukleotīdu mikroshēmas ir oligonukleotīdu mikroshēmas. Tos var izmantot mutāciju noteikšanai un ekspresijas uzraudzībai, kā arī gēnu atklāšanai un kartēšanai. Galvenās metodes oligonukleotīdu mikromaršīnu izveidei ir gēla spilventiņi (Motorola), mikroelektrodi (Nanogen), fotolitogrāfija (Affymetrix) un tintes tehnoloģijas (Agilent).

Izmantojot gēla spilventiņus, iepriekš sagatavotus oligonukleotīdus piestiprina pie aktivēta poliakrilamīda plāksteriem. Izmantojot mikroelektrodus, negatīvi uzlādētas DNS un molekulārās zondes var koncentrēt uz elektrodiem, lai nodrošinātu mijiedarbību. Izmantojot fotolitogrāfiju, uz substrāta tiek izveidots gaismas iedarbības modelis, izmantojot fotomākslu vai virtuālo fotomākslu, kas tiek projicēta no digitālās mikrospoguļa ierīces. Gaisma no izvēlētajiem ekspozīcijas apgabaliem noņem fotoluminiscējošās aizsarggrupas. Pēc aizsardzības noņemšanas nukleotīdus ar fotolabili aizsargājošu aizsarggrupu pakļauj iedarbībai uz visu virsmu, un ķīmiskās savienošanas process notiek tikai tajās vietās, kur iepriekšējā posmā tika pakļauta gaismas iedarbībai. Šo procesu var atkārtot, lai uz virsmas sintezētu relatīvi īsa garuma oligonukleotīdus, nukleotīdu pēc nukleotīda. Izmantojot tintes strūklas tehnoloģiju, nukleotīdus uz virsmas drukā pilienu pa pilienam, lai veidotu oligonukleotīdus.

cDNA mikrotīkls

cDNS mikromatricas bieži izmanto liela mēroga skrīninga un ekspresijas pētījumos. cDNS mikromarķējumos no šūnām savāc mRNS un, veicot apgrieztās transkripcijas procesu, pārvērš cDNS. Pēc tam cDNA molekulas (katra atbilst vienam gēnam) ar metāla tapām tiek imobilizētas kā ~ 100 µm diametra punkti uz membrānas, stikla vai silīcija mikroshēmas. Lai noteiktu, ar fluorescenci marķēta šūnu vienas virknes kDNS hibridizējas ar molekulām uz mikromarķējuma, un analīzei izmanto diferenciālu salīdzinājumu starp apstrādātu paraugu (marķētu, piemēram, sarkanā krāsā) un neapstrādātu paraugu (marķētu citā krāsā, piemēram, zaļā). Sarkani punktiņi nozīmē, ka attiecīgais gēns apstrādātajā paraugā ir izteiktāks. Un otrādi, zaļi punktiņi nozīmē, ka attiecīgais gēns neapstrādātajā paraugā bija izteiktāks. Dzeltenie punktiņi sarkano un zaļo punktiņu pārklāšanās rezultātā nozīmē, ka attiecīgais gēns abos paraugos bija izteikts relatīvi vienādā līmenī, savukārt tumšie punktiņi norāda uz to, ka nevienā no paraugiem gēns nav izteikts vai ir izteikts nenozīmīgi.

Peptīdu un olbaltumvielu mikromatrices

Peptīdu un olbaltumvielu mikromatricu izmantošana ir motivēta, pirmkārt, tāpēc, ka mRNS transkripti bieži vien slikti korelē ar faktiski sintezēto olbaltumvielu daudzumu. Otrkārt, ar DNS mikromatricām nevar noteikt olbaltumvielu posttranslācijas modifikācijas, kas tieši ietekmē olbaltumvielu funkciju. Treškārt, dažos ķermeņa šķidrumos, piemēram, urīnā, nav mRNS. Olbaltumvielu mikroshēma sastāv no olbaltumvielu bibliotēkas, kas imobilizēta uz substrāta mikroshēmas, parasti stikla, silīcija, polistirola, PVDF vai nitrocelulozes. Kopumā ir trīs proteīnu mikromarķējumu veidi: funkcionālie, analītiskie jeb uztveršanas un apgrieztās fāzes proteīnu masīvi.

Funkcionālās olbaltumvielu mikromīklas attēlo salocītus un aktīvus proteīnus, un tās izmanto molekulāro mijiedarbību skrīningam, olbaltumvielu ceļu izpētei, posttranslācijas modifikācijas mērķu identificēšanai un fermentu aktivitātes analīzei. Analītiskās vai uztveršanas proteīnu masīvi parāda antigēnus un antivielas, lai noteiktu proteīnu vai antivielu ekspresiju serumā. Šos masīvus var izmantot biomarķieru atklāšanai, olbaltumvielu daudzuma uzraudzībai, aktivitātes stāvokļu uzraudzībai signalizācijas ceļos un antivielu repertoriju profilēšanai slimību gadījumos. Reversās fāzes proteīnu masīvi testē šūnu lizātu un seruma paraugu replikātus ar dažādām antivielām, lai pētītu specifisku proteīnu ekspresijas izmaiņas un proteīnu modifikācijas slimības progresēšanas laikā, kā arī biomarķieru atklāšanai. Olbaltumvielu mikromarķējumu ražošanai, glabāšanai un eksperimentiem ir stingri nosacījumi, jo tiem ir zema stabilitāte un ir jāņem vērā imobilizēto olbaltumvielu dabiskais locījums. No otras puses, peptīdi ir ķīmiski izturīgāki un var saglabāt daļējus olbaltumvielu funkcijas aspektus. Tāpēc proteomikas pētījumos un diagnostikā peptīdu mikromatrices tiek izmantotas, lai papildinātu proteīnu mikromatrices. Proteīnu mikromarķējumos parasti izmanto Escherichia coli, lai iegūtu interesējošos proteīnus; savukārt peptīdu mikromarķējumos peptīdu izgatavošanai izmanto SPOT tehniku (pakāpeniska peptīdu sintēze uz celulozes) vai fotolitogrāfiju.

PCR mikroshēmas

Nepārtrauktas plūsmas PCR mikrofluidiskā sistēma ar plānās plēves sildītājiem, šļirces sūkni un nepārtrauktas plūsmas PCR kanālu. Šī bio-MEMS piemēra pielietojums ir A gripas RNS amplifikācija elpceļu paraugos. Polimerāzes ķēdes reakcija (PCR) ir fundamentāla molekulārās bioloģijas metode, kas ļauj selektīvi amplificēt DNS sekvences, kas ir noderīga, lai paplašināti izmantotu retus paraugus, piemēram: cilmes šūnas, biopsijas, cirkulējošās audzēju šūnas. Reakcija ietver DNS sekvences un DNS polimerāzes termisko cikliskumu trīs dažādās temperatūrās. Uzkarsēšana un atdzesēšana parastajās PCR ierīcēs ir laikietilpīga, un tipiskas PCR reakcijas var aizņemt vairākas stundas. Citi parastās PCR trūkumi ir lielais dārgo reaģentu patēriņš, priekšroka tiek dota īsu fragmentu amplifikācijai un īsu himērisku molekulu iegūšanai. PCR mikroshēmas kalpo reakcijas vides miniaturizācijai, lai panāktu ātru siltuma pārnesi un ātru sajaukšanos, pateicoties lielākai virsmas un tilpuma attiecībai un īsiem difūzijas attālumiem. PCR mikroshēmu priekšrocības ir īsāks termiskās cikliskuma laiks, vienmērīgāka temperatūra, kas uzlabo iznākumu, un pārnēsājamība, lai tās varētu izmantot veselības aprūpes punktos. Divas mikroplūsmas PCR mikroshēmu problēmas ir PCR inhibīcija un piesārņojums, ko rada lielā virsmas un tilpuma attiecība, kas palielina virsmas un reaģenta mijiedarbību. Piemēram, silīcija substrātiem ir laba siltumvadītspēja ātrai sildīšanai un dzesēšanai, bet tie var saindēt polimerāzes reakciju. Silīcija substrāti ir arī necaurspīdīgi, kas liedz optisku noteikšanu qPCR, un elektrovadītspējīgi, kas kavē elektroforētisko transportēšanu pa kanāliem. Savukārt stikls ir ideāls materiāls elektroforēzei, bet arī kavē reakciju. Polimēri, jo īpaši PDMS, ir optiski caurspīdīgi, neinhibē reakciju, un tos var izmantot, lai pārklātu elektroforētisko stikla kanālu. Pastāv arī dažādi citi virsmas apstrādes veidi, tostarp polietilēnglikols, liellopu seruma albumīns un silīcija dioksīds. Pastāv stacionāras (uz kameras bāzes), dinamiskas (uz nepārtrauktas plūsmas bāzes) un mikrodaļiņu (digitālā PCR) mikroshēmu arhitektūras.

Uz kamerām balstīta arhitektūra ir rezultāts parasto PCR reaktoru samazināšanai, ko ir grūti palielināt. Izmantojot šo arhitektūru, ir izstrādāta četru slāņu stikla-PDMS ierīce, kurā integrēti mikrovārsti, mikrosildītāji, temperatūras sensori, 380 nL reakcijas kameras un kapilārās elektroforēzes kanāli apgrieztās transkripcijas polimerāzes ķēdes reakcijai (RT-PCR), kurai ir atomolāra noteikšanas jutība. Nepārtrauktas plūsmas arhitektūra nodrošina parauga pārvietošanu caur dažādām temperatūras zonām, lai panāktu termisko cikliskumu. Šī pieeja patērē mazāk enerģijas un tai ir liela caurlaides spēja, taču tā rada lielu reaģenta patēriņu un plūsmas kanālos var veidoties gāzes burbuļi. Digitālā PCR novērš parauga/reaģenta virsmas adsorbciju un piesārņojumu, veicot PCR mikrodaļiņās vai mikrokamerās. PCR pilienīšos arī novērš homologu gēnu fragmentu rekombināciju, tādējādi tiek novērsta īsu himērisku produktu sintēze.

Aprūpes punkta diagnostikas ierīces

Akušiere ņem asinis, lai 20 minūšu laikā izmērītu pacientu CD4 skaitu, izmantojot Pima CD4 analizatoru aprūpes punktā Ugandā. Iespēja veikt medicīnisko diagnostiku pie gultas vai aprūpes vietā ir svarīga veselības aprūpē, jo īpaši jaunattīstības valstīs, kur piekļuve centralizētām slimnīcām ir ierobežota un pārāk dārga. Šim nolūkam ir izstrādāti diagnostikas punkti, kas ļauj ņemt siekalu, asins vai urīna paraugus un integrētā veidā veikt paraugu pirmapstrādi, paraugu frakcionēšanu, signāla pastiprināšanu, analizējamo vielu noteikšanu, datu analīzi un rezultātu parādīšanu. Jo īpaši asinis ir ļoti izplatīts bioloģiskais paraugs, jo tās ik pēc dažām minūtēm izplūst organismā un to saturs var norādīt uz daudziem veselības aspektiem.

Parauga kondicionēšana

Asins analīzē ir jāatdala baltie asinsķermenīši, trombocīti, baktērijas un plazma. Dažas no metodēm, ko izmanto asins plazmas sagatavošanai bezšūnu analīzei, ir sieti, slīpnes, inerciālā norobežošana un plūsmas novirzīšanas ierīces. Sieti var tikt izgatavoti no mikrofabrikātiem ar kolonnām vai stabiņiem ar augstu spektrālo attiecību, bet tie ir piemēroti tikai nelielai slodzei, lai izvairītos no aizsērēšanas ar šūnām. Sliedes ir seklas mezglveida sekcijas, ko izmanto, lai ierobežotu plūsmu šaurās spraugās starp slāņiem bez stabiņiem. Viena no priekšrocībām, izmantojot aizsprostus, ir tā, ka stabiņu trūkums ļauj efektīvāk pārstrādāt retentātu, lai tas plūstu pāri filtram un izskalotu aizsērējušās šūnas. Analītu atdalīšanai izmanto magnētiskās lodītes. Šīs mikroskopiskās lodītes ir funkcionalizētas ar mērķa molekulām un pārvietojas pa mikrofluidiskajiem kanāliem, izmantojot mainīgu magnētisko lauku. Tas kalpo kā ātra metode, lai iegūtu mērķus analīzei. Pēc šā procesa pabeigšanas tiek izmantots spēcīgs stacionārs magnētiskais lauks, lai imobilizētu ar mērķi saistītās lodītes un izskalotu nesaistītās lodītes. H-filtrs ir mikrofluidiska ierīce ar divām ieplūdes un divām izplūdes atverēm, kas izmanto laminārās plūsmas un difūzijas priekšrocības, lai atdalītu komponentus, kas difundē pāri saskarnei starp divām ieplūdes plūsmām. Kontrolējot plūsmas ātrumu, difūzijas attālumu un šķidruma uzturēšanās laiku filtrā, šūnas tiek izslēgtas no filtrāta, jo to difūzijas ātrums ir lēnāks. H-filtrs neaizsērē un var darboties neierobežotu laiku, bet analizējamās vielas tiek atšķaidītas divas reizes. Šūnu analīzei šūnas var pētīt neskartas vai pēc līzes. Līdztekus plūsmai, kurā ir šūnas, var ievadīt lizes buferšķīduma plūsmu, kas ar difūzijas palīdzību izraisa šūnu līzi pirms turpmākās analīzes. Šūnu analīzi parasti veic, izmantojot plūsmas citometriju, un to var ieviest mikrofluidikā ar zemākiem šķidruma ātrumiem un mazāku caurlaidspēju nekā parastos makroskopiskos analogos.

Paraugu frakcionēšana

Mikrofluidiskā paraugu atdalīšanu var panākt ar kapilāro elektroforēzi vai nepārtrauktas plūsmas atdalīšanu. Kapilārajā elektroforēzē garā, plānā caurulītē analītiskās vielas atdala pēc sprieguma, tām migrējot ar elektroosmotisko plūsmu. Nepārtrauktas plūsmas atdalīšanas gadījumā vispārīgā ideja ir pielietot lauku leņķī pret plūsmas virzienu, lai novirzītu parauga plūsmas ceļu uz dažādiem kanāliem. Nepārtrauktas plūsmas atdalīšanas paņēmienu piemēri ir nepārtrauktas plūsmas elektroforēze, izoelektriskā fokusēšana, nepārtrauktas plūsmas magnētiskā atdalīšana un molekulārā siešana.

Neatrisināti izaicinājumi

Lielākā daļa tirgū pieejamo diagnostikas ierīču var pārbaudīt tikai vienu slimību. Turklāt vairums ierīču ir bināri (jā/nē) bez niansētas informācijas par pacienta stāvokli. Tāpēc zinātnieki pašlaik ne tikai izstrādā testus vairākām slimībām, bet arī cenšas paplašināt šo ierīču sarežģītību, lai palielinātu to lietderību. MEMS diagnostikas ierīces ir grūti izgatavot ārpus laboratorijas. Liela daļa šo ierīču pētījumu notiek laboratorijās ar kontrolētu klimatu, kur ierīces var testēt neilgi pēc to izgatavošanas. Tomēr, tā kā daudzas no šīm ierīcēm izmanto tropisko slimību noteikšanai, tām jābūt pietiekami izturīgām, lai tās varētu darboties karstos un mitros apstākļos. Tās ir arī ilgi jāuzglabā no izgatavošanas brīža līdz lietošanas brīdim. Finansējums tropisko slimību pētniecībai ir nepietiekams. Turklāt pirms medicīnas ierīces apstiprināšanas ir jāpārvar daudzi regulatīvie šķēršļi, kas var izmaksāt desmitiem miljonu dolāru. Tādējādi uzņēmumiem, kas nodarbojas ar tropu slimībām, bieži vien ir jāapvieno tropu slimību pētniecības mērķi ar pētījumiem citās, labāk finansētās medicīnas pētniecības jomās.

Bio-MEMS audu inženierijā

Šūnu kultūras

Parastās šūnu kultūru tehnoloģijas nespēj efektīvi veikt kombinētu zāļu, augšanas faktoru, neiropeptidu, gēnu un retrovīrusu testēšanu šūnu kultūru vidē. Tā kā šūnas ir periodiski jābaro ar svaigu barotni un jāpasažē, pat dažu apstākļu testēšanai ir nepieciešams liels šūnu un materiālu skaits, dārgi un apjomīgi inkubatori, lieli šķidruma tilpumi (~0,1 - 2 ml vienam paraugam) un nogurdinošs cilvēku darbs. Cilvēku darba prasība ierobežo arī eksperimentu laika posmu skaitu un ilgumu. Mikrofluidiskās šūnu kultūras potenciāli ir būtisks uzlabojums, jo tās var automatizēt, kā arī nodrošināt zemākas kopējās izmaksas, lielāku caurlaides spēju un kvantitatīvāk aprakstīt vienas šūnas uzvedības mainīgumu. Iekļaujot mikroshēmā gāzu apmaiņas un temperatūras kontroles sistēmas, mikrofluidisko šūnu kultivēšana var novērst nepieciešamību pēc inkubatoriem un audu kultūru pārsegiem. Tomēr šāda veida nepārtraukta mikrofluidisko šūnu kultivēšana rada arī savas unikālas problēmas. Ievietojot šūnas mikrokanālos, ir svarīga plūsmas kontrole, jo pēc sākotnējās šūnu suspensijas ievadīšanas plūsma ir jāaptur, lai šūnas varētu pieķerties vai iesprūst mikrokamerās, dielektroforētiskajās slazdos, mikromagnētiskajos slazdos vai hidrodinamiskajos slazdos. Pēc tam plūsma ir jāatjauno tā, lai neradītu lielu spēku, kas novilktu šūnas no substrāta. Šķidrumu dozēšanu ar manuālu vai robotizētu pipetēšanu var aizstāt ar mikrosūkņiem un mikrovārstiem, kur šķidruma dozēšana ir vienkārši nosakāma atšķirībā no nepārtrauktas plūsmas sistēmām ar mikromikseriem. Ir izstrādāta pilnībā automatizēta mikrofluidiska šūnu kultūru sistēma cilvēka embrionālo cilmes šūnu osteogēnās diferenciācijas izpētei. Ir izstrādāts arī rokas mikrofluidisko šūnu kultūru inkubators, kas spēj sildīt un sūknēt šūnu kultūru šķīdumus. Tā kā mikrofluidiskajās kultūrās ir samazināts tilpums, savāktās koncentrācijas ir lielākas, lai veiktu labākus signāla un trokšņa attiecības mērījumus, bet savākšana un noteikšana ir attiecīgi sarežģītāka. Šajā ziņā var palīdzēt "in situ" mikroskopijas testi ar mikrofluidiskām šūnu kultūrām, taču tiem ir raksturīga mazāka caurlaides spēja, jo mikroskopa zondei ir tikai neliels redzamības lauks. Berkeley Lights Beacon platforma ir atrisinājusi savākšanas un noteikšanas problēmu, veicot mikrofluidālo kultūru uz fotovadītāju masīva, ko var optoelektriski aktivizēt, lai manipulētu ar šūnām visā mikroshēmā. Šo platformu biofarmācijas nozarē šūnu līniju izstrādei ir izmantojušas kompānijas Amgen un Novartis. Mikropatternētās kopkultūras ir veicinājušas arī bio-MEMS audu inženierijas vajadzībām, lai atdarinātu in vivo apstākļus un 3D dabisko struktūru. Konkrēti, hepatocīti ir modelēti, lai kopīgi kultivētu konkrētas šūnu blīvuma pakāpes ar fibroblastiem, lai saglabātu aknām raksturīgas funkcijas, piemēram, albumīna sekrēciju, urīnvielas sintēzi un p450 detoksikāciju. Līdzīgi, integrējot mikrofluidiku ar mikropatternētām kopkultūrām, ir iespējams modelēt orgānus, kuros saskaras vairāki vaskularizēti audi, piemēram, asins-smadzeņu barjera un plaušas. Plaušu funkcijas orgānu līmenī ir rekonstruētas uz plaušu-on-a-chip ierīcēm, kur poraina membrāna un izsēts epitēlija šūnu slānis tiek cikliski izstiepts, izmantojot vakuumu blakus esošajos mikrokanālos, lai imitētu inhalāciju.

Cilmes šūnu inženierija

Integrēta mikrofluidiska ierīce ar koncentrācijas gradienta ģeneratoru un atsevišķām šūnu kamerām diferenciāciju veicinošu faktoru iedarbības pētīšanai atkarībā no devas. Cilmes šūnu inženierijas mērķis ir spēja kontrolēt pluripotento cilmes šūnu diferenciāciju un pašatjaunošanos šūnu terapijas vajadzībām. Cilmes šūnu diferenciācija ir atkarīga no daudziem faktoriem, tostarp šķīstošiem un bioķīmiskiem faktoriem, šķidruma slīdes stresa, šūnu un EKM mijiedarbības, šūnu un šūnu mijiedarbības, kā arī embrioidālo ķermenīšu veidošanās un organizācijas. Bio-MEMS ir izmantoti, lai pētītu, kā optimizēt cilmes šūnu kultūras un augšanas apstākļus, kontrolējot šos faktorus. Cilmes šūnu un to diferencēto pēcnācēju testēšana tiek veikta ar mikroshēmām, lai pētītu, kā transkripcijas faktori un miRNA nosaka šūnu likteni, kā epigenētiskās modifikācijas starp cilmes šūnām un to meitas šūnām ietekmē fenotipus, kā arī lai mērītu un šķirotu cilmes šūnas pēc to proteīnu ekspresijas.

Bioķīmiskie faktori

Mikrofluidika var izmantot tās mikroskopisko tilpumu un laminārās plūsmas īpašības cilmes šūnām piegādājamo bioķīmisko faktoru telpiski temporālai kontrolei. Mikrofluidiskie gradientu ģeneratori ir izmantoti, lai pētītu devas un atbildes reakcijas attiecības. Skābeklis ir svarīgs bioķīmisks faktors, kas jāņem vērā diferenciācijā, izmantojot hipoksijas inducētos transkripcijas faktorus (HIF) un saistītos signalizācijas ceļus, jo īpaši asins, asinsvadu, placentas un kaulu audu attīstībā. Tradicionālās metodes skābekļa ietekmes pētīšanai balstījās uz visa inkubatora iestatīšanu noteiktā skābekļa koncentrācijā, kas ierobežoja analīzi līdz pāru salīdzinājumam starp normoksiskiem un hipoksiskiem apstākļiem, nevis vēlamajam no koncentrācijas atkarīgajam raksturojumam. Izstrādātie risinājumi ietver nepārtrauktu aksiālu skābekļa gradientu izmantošanu un mikrofluidisku šūnu kultūru kameru masīvus, kas atdalīti ar plānām PDMS membrānām no gāzē pildītiem mikrokanāliem.

Šķidruma bīdes spriegums

Šķidruma slīdes spriegumam ir būtiska nozīme sirds un asinsvadu cilmes šūnu diferenciācijā, kā arī vēlajā embrioģenēzē un organoģenēzē, piemēram, kreisās un labās puses asimetrijā attīstības laikā. Makrolīmeņa pētījumi neļauj kvantitatīvi analizēt diferenciācijas bīdes sprieguma ietekmi, jo tie tiek veikti, izmantojot paralēlu plākšņu plūsmas kameras vai rotējošus konusveida aparātus tikai ieslēgšanas un izslēgšanas scenārijos. Poiseuille plūsma mikrofluidikā ļauj sistemātiski mainīt slīdes spriegumu, izmantojot kanālu ģeometriju un plūsmas ātrumu, izmantojot mikrosūkņus, kā to demonstrē, izmantojot perfūzijas kameru masīvus mezenhimālo cilmes šūnu un fibroblastu šūnu adhēzijas pētījumiem.

Šūnu un EKM mijiedarbība

Šūnu un ECM mijiedarbība izraisa diferenciācijas un pašatjaunošanās izmaiņas, ko nosaka substrāta stīvums, izmantojot mehānisko transdukciju un dažādu integrīnu mijiedarbību ar ECM molekulām. Cilmes šūnu un ECM mijiedarbības pētījumos ir izmantota ECM proteīnu mikropatterēšana, izmantojot mikrokontakta drukāšanu (μCP), tintes druku un masku izsmidzināšanu. Izmantojot mikrokontakta drukāšanu, lai kontrolētu šūnu piestiprināšanas zonu, ir konstatēts, ka osteogēnās/adipogēnās līnijas maiņa cilvēka mezenhimālajās cilmes šūnās var būt atkarīga no šūnu formas. Mikrokontaktu mikrotīklu izgatavošana un to novirzes mērīšana ļauj noteikt vilces spēkus, kas iedarbojas uz šūnām. Fotolitogrāfiju var izmantot arī, lai trīsdimensiju pētījumiem šķērssaitētu šūnās iestrādāto foto-polimerizējamo ECM. ECM mikromaršīnu izmantošana, lai optimizētu kolagēna, laminīna un fibronektīna kombinatorisko iedarbību uz cilmes šūnām, ir izdevīgāka nekā parastās iedobes plāksnītes, jo ir lielāka caurlaides spēja un mazāka nepieciešamība pēc dārgiem reaģentiem.

Šūnu un šūnu mijiedarbība

Šūnu likteni regulē gan mijiedarbība starp cilmes šūnām, gan mijiedarbība starp cilmes šūnām un membrānas proteīniem. Šūnu izsējas blīvuma manipulēšana ir izplatīts bioloģisks paņēmiens šūnu un šūnu mijiedarbības kontrolēšanai, taču kontrolēt vietējo blīvumu ir sarežģīti, un bieži vien ir grūti nodalīt ietekmi starp šķīstošiem signāliem vidē un fizisku šūnu un šūnu mijiedarbību. Šūnu adhēzijas proteīnu mikropatternēšanu var izmantot, lai noteiktu dažādu šūnu telpisko pozīciju uz substrāta, pētot cilvēka ESC proliferāciju. Cilmes šūnu izsēšana PDMS mikrodaļiņās un to apgriešana uz substrāta vai cita šūnu slāņa ir metode, kā panākt precīzu telpisko kontroli. Izmantojot mikrofluidiku, ir pētīta arī spraugas savienojuma komunikācija, kurā negatīvs spiediens, ko rada šķidruma plūsma sānu kanālos, kas flanķē centrālo kanālu, notver šūnu pārus, kas atrodas tiešā kontaktā vai ir atdalīti ar nelielu spraugu. Tomēr kopumā cilmes šūnu nenulles kustīgums un īsais šūnu cikla laiks bieži traucē šo mikrotehnoloģiju noteikto telpisko organizāciju.

Embrionālo ķermenīšu veidošanās un organizācija

Murinu embrioīdie ķermenīši suspensijas kultūrā pēc 24 stundu veidošanās no embrionālajām cilmes šūnām. Embrioīdie ķermenīši ir izplatīts cilmes šūnu pluripotences tests in vitro, un to lielums ir jākontrolē, lai inducētu mērķtiecīgu diferenciāciju uz konkrētām līnijām. Vienāda izmēra embrioīdu ķermeņu veidošana ar mikrokavītēm un mikrofluidiku ļauj viegli iegūt un, kas ir vēl svarīgāk, palielināt to izmēru klīniskiem apstākļiem. Aktīvi kontrolējot embrioidālo ķermenīšu šūnu organizāciju un arhitektūru, var arī virzīt cilmes šūnu diferenciāciju, izmantojot endodermu, mezodermu un ektodermu inducējošu faktoru, kā arī pašatjaunošanās faktoru mikrofluidiskus gradientus.

Atbalstītās reproduktīvās tehnoloģijas

Ar mākslīgās reprodukcijas tehnoloģijām palīdz ārstēt neauglību un ģenētiski uzlabot mājlopus. Tomēr šo tehnoloģiju efektivitāte zīdītāju embriju kriokonservēšanā un in vitro ražošanā ir zema. Šajās tehnoloģijās ir izmantota mikrofluidika, lai labāk atdarinātu in vivo mikrovidi ar modelētām topogrāfiskām un bioķīmiskām virsmām, kas nodrošina kontrolētu šūnu adhēziju laikā un telpā, kā arī samazinātu mirušo apjomu. Mikrosūkņi un mikrovārsti var automatizēt garlaicīgas šķidruma dozēšanas procedūras, un reāllaika kvalitātes kontrolei var integrēt dažādus sensorus. Bio-MEMS ierīces ir izstrādātas, lai novērtētu spermatozoīdu kustīgumu, veiktu spermatozoīdu atlasi, kā arī novērstu polispermiju in vitro apaugļošanā.

Bio-MEMS medicīnas implantos un ķirurģijā

Implantējami mikroelektrodi

Implantējamo mikroelektrodu mērķis ir savienoties ar organisma nervu sistēmu, lai reģistrētu un nosūtītu bioelektriskos signālus slimību izpētei, protēžu uzlabošanai un klīnisko parametru uzraudzībai. Mikrofabrikācija ir ļāvusi izstrādāt Mičiganas zondes un Jūtas elektrodu masīvu, kas palielināja elektrodu skaitu uz tilpuma vienību, vienlaikus risinot problēmas, kas saistītas ar bieziem substrātiem, kuri implantācijas laikā rada bojājumus un izraisa svešķermeņa reakciju, un elektrodu iekapsulēšanu, izmantojot silīciju un metālus elektrodos. Mičiganas zondes ir izmantotas liela mēroga ierakstos un neironu mezglu tīkla analīzē, un Jūtas elektrodu masīvs ir izmantots kā smadzeņu-datora saskarne paralizētiem cilvēkiem. Lai uzlabotu dziļāku ievietošanu un labāku elektrodu kontaktu ar audiem, lai nodrošinātu augstas precizitātes skaņu pārraidi, ārpusšūnu mikroelektrodi ir iezīmēti uz piepūšamas spirāles formas plastmasas kohleārajos implantos. Mikroelektronikas integrēšana uz plāniem, elastīgiem substrātiem ir ļāvusi izstrādāt sirds plāksteri, kas pie sirds izliektās virsmas piestiprinās tikai ar virsmas spraigumu, lai mērītu sirds elektrofizioloģiju, un elektroniskus tetovējumus ādas temperatūras un bioelektriskuma mērīšanai. Bezvadu elektrofizioloģisko signālu reģistrēšana ir iespējama, pievienojot pjezokristālu divu reģistrēšanas elektrodu un viena tranzistora shēmai implantētā mikroierīcē. Ārējs pārveidotājs izstaro ultraskaņas enerģijas impulsus, kas iedarbojas uz pjezokristālu, un pjezokristāls ultraskaņas veidā izstaro āršūnu sprieguma izmaiņas, kas ļauj veikt mērījumus. Tā saukto "nervu putekļu" motoru tīkls var kartēt signālus visā ķermeņa apgabalā, kurā ir implantēti mikrosensori.

Mikroinstrumenti ķirurģijai

Sirds balona katetrs ar temperatūras sensoriem, elektrokardiogrāfijas sensoriem un gaismas diodēm ir ķirurģisks bio-MEMS. Bio-MEMS ķirurģiskiem lietojumiem var uzlabot esošo funkcionalitāti, pievienot jaunas iespējas ķirurgiem, lai izstrādātu jaunas metodes un procedūras, un uzlabot ķirurģisko operāciju rezultātus, samazinot risku un nodrošinot atgriezenisko saiti reālā laikā operācijas laikā. Mikroķirurģiski instrumenti, piemēram, sīkas knaibles, mikrošļiru masīvi un audu atdalītāji, ir kļuvuši iespējami, izmantojot metāla un keramikas slānis pa slānim mikroražošanas metodes minimāli invazīvai ķirurģijai un robotizētai ķirurģijai. Sensoru iestrādāšana ķirurģiskajos instrumentos ļauj arī ķirurgam saņemt taktilās atgriezeniskās saites, noteikt audu veidu, izmantojot deformāciju un blīvumu griešanas operāciju laikā, un veikt diagnostisko katetrizāciju, lai mērītu asins plūsmu, spiedienu, temperatūru, skābekļa saturu un ķīmisko vielu koncentrāciju.

Zāļu piegāde

Transdermālais mikrošķiedru plāksteris ir mazāk invazīvs, salīdzinot ar parasto zāļu piegādi ar zemādas adatu. Mikrošļirces, formulēšanas sistēmas un implantējamas sistēmas ir bio-MEMS, ko var izmantot zāļu piegādei. Aptuveni 100 μm lielas mikrošļirces var iekļūt ādas barjerā un nogādāt zāles zem tās esošajās šūnās un intersticiālajā šķidrumā, samazinot audu bojājumus, samazinot sāpes un novēršot asiņošanu. Mikrošļirces var arī integrēt ar mikrofluidiku automatizētai zāļu ievadīšanai vai multipleksēšanai. No lietotāja viedokļa raugoties, mikrindas var iekļaut plāksteru formātā pašvadīšanai, un tās nerada asu bioatkritumu apdraudējumu (ja materiāls ir no polimēra). Zāļu piegāde, izmantojot mikrošļirces, ietver virsmas pārklāšanu ar terapeitiskām vielām, zāļu ielādēšanu porainās vai dobās mikrošļircēs vai mikrošļirču izgatavošanu ar zāļu un pārklājuma matricu maksimālai zāļu ielādēšanai. Tiek izstrādātas arī mikrošļirces intersticiālā šķidruma ekstrakcijai, asins ekstrakcijai un gēnu piegādei. Mikroadatu zāļu piegādes efektivitāte joprojām ir problemātiska, jo ir grūti noteikt, vai mikroadatas efektīvi iekļūst ādā. Dažas zāles, piemēram, diazepāms, ir slikti šķīstošas, un pirms intranazālas ievadīšanas tās ir tieši aerosolizējamas. Šādos apstākļos var izmantot Bio-MEMS tehnoloģiju, izmantojot pjezoelektriskos pārveidotājus uz šķidruma rezervuāriem, lai radītu šauru aerosolu izmēru sadalījumu labākai zāļu piegādei. Ir izstrādātas arī implantējamas zāļu piegādes sistēmas, lai ievadītu terapeitiskas vielas, kurām ir slikta biopieejamība vai kurām nepieciešama lokalizēta izdalīšanās un iedarbība mērķa vietā. Kā piemērus var minēt PDMS mikrofluidisko ierīci, ko implantē zem konjunktīvas zāļu piegādei uz aci acu slimību ārstēšanai, un mikroshēmas ar zeltā pārklātiem zāļu rezervuāriem osteoporozes ārstēšanai. Attiecībā uz implantējamām bio-MEMS zāļu piegādei ir svarīgi ņemt vērā ierīces plīsumu un devas izmešanu, ierīces šķiedrainu iekapsulēšanu un ierīces eksplantāciju. Lielākā daļa zāļu arī jāpiegādā relatīvi lielos daudzumos (mililitros vai pat lielākos), kas padara implantējamu bio-MEMS zāļu piegādi problemātisku, jo tajās ir ierobežota zāļu uztveršanas spēja.