BioMEMS

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

Historia

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

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

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

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

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

Lähestymistavat

Materiaalit

Pii ja lasi

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

Muovit ja polymeerit

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

Biologiset materiaalit

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

Paperi

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

Sähkökinetiikka

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

Mikrofluidiikka

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

Kun samaan mikrokanavaan lisätään useita liuoksia, ne virtaavat laminaaristen virtausominaisuuksien ansiosta erillisillä virtauskaistoilla (ei sekoittumista).

1. Virtaus mikrokanavissa on laminaarista, mikä mahdollistaa solujen valikoivan käsittelyn mikrokanavissa, virtauskuvioiden ja pitoisuuksien matemaattisen mallintamisen sekä solujen biologisen ympäristön ja biokemiallisten reaktioiden kvantitatiiviset ennusteet.
2. Mikrofluidiset ominaisuudet voidaan valmistaa solutasolla tai sitä pienemmässä mittakaavassa, mikä mahdollistaa (sub)soluilmiöiden tutkimisen, yksittäisten solujen kylvämisen ja lajittelun sekä fysiologisten parametrien toistamisen.

Mikroelektroniikan, mikromekaniikan ja mikrooptiikan integrointi samalle alustalle mahdollistaa laitteen automaattisen ohjauksen, mikä vähentää inhimillisiä virheitä ja käyttökustannuksia.

1. Mikrofluiditekniikka on suhteellisen edullista eräkohtaisen valmistuksen ja korkean läpimenon (rinnakkaistaminen ja redundanssi) ansiosta. Tämä mahdollistaa kertakäyttöisten tai kertakäyttöisten sirujen valmistuksen, mikä parantaa käyttömukavuutta ja vähentää biologisen ristikontaminaation todennäköisyyttä sekä nopeaa prototyyppien valmistusta.

• Mikrofluidiset laitteet kuluttavat paljon pienempiä määriä reagensseja, ne voidaan valmistaa siten, että ne vaativat vain pienen määrän analyyttejä kemiallista havaitsemista varten, ne vaativat vähemmän aikaa prosessien ja reaktioiden suorittamiseen ja tuottavat vähemmän jätettä kuin perinteiset makrofluidiset laitteet ja kokeet.

1. Mikrofluidisten laitteiden asianmukainen pakkaaminen voi tehdä niistä sopivia puettaviin sovelluksiin, implantteihin ja kannettaviin sovelluksiin kehitysmaissa.

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

Bio-MEMS miniatyrisoituina biosensoreina

Biosensorit ovat laitteita, jotka koostuvat biologisesta tunnistusjärjestelmästä, jota kutsutaan bioreseptoriksi, ja muuntimesta. Analyytin ja bioreseptorin vuorovaikutus aiheuttaa vaikutuksen, jonka transduktori voi muuntaa mittaukseksi, kuten sähköiseksi signaaliksi. Yleisimmät biosensoinnissa käytetyt bioreseptorit perustuvat vasta-aineen ja antigeenin vuorovaikutukseen, nukleiinihapon vuorovaikutukseen, entsymaattiseen vuorovaikutukseen, soluvuorovaikutukseen ja vuorovaikutukseen, jossa käytetään biomimeettisiä materiaaleja. Yleisiä anturitekniikoita ovat mekaaninen havaitseminen, sähköinen havaitseminen ja optinen havaitseminen.

Mikromekaaniset anturit

Mekaaninen havaitseminen bio-MEMS:issä toteutetaan mikro- ja nanomittakaavan kannattimilla jännityksen ja massan havaitsemista varten tai mikro- ja nanomittakaavan levyillä tai kalvoilla. Jännityksen tunnistamisessa biokemiallinen reaktio suoritetaan valikoivasti kantilevyn toisella puolella, jolloin pinnan vapaa energia muuttuu. Tämä johtaa cantileverin taipumiseen, joka on mitattavissa joko optisesti (laserheijastus nelipaikkaiseen ilmaisimeen) tai sähköisesti (pietsoresistori cantileverin kiinteässä reunassa) pintajännityksen muutoksen vuoksi. Massan mittauksessa cantileveri värähtelee resonanssitaajuudellaan, joka mitataan sähköisesti tai optisesti. Kun biokemiallinen reaktio tapahtuu ja se tarttuu cantileveriin, cantileverin massa muuttuu, samoin kuin resonanssitaajuus. Näiden tietojen analysointi voi kuitenkin olla hieman vaikeampaa, sillä näytteen adsorption cantileveriin on havaittu muuttavan myös cantileverin Youngin moduulia. Cantileverin jäykkyyden muuttuminen muuttaa myös sen resonanssitaajuutta, joten värähtelysignaalin kohinaa on analysoitava sen määrittämiseksi, onko resonanssitaajuus myös kimmoisuuden muuttumisen funktio. Tätä tekniikkaa käytetään yleisesti DNA:n nukleotidivirheiden havaitsemisessa, koska virheellisen emäksen aiheuttama massan vaihtelu riittää muuttamaan kantokappaleen resonanssitaajuutta ja rekisteröimään signaalin. Massan havaitseminen ei ole yhtä tehokasta nesteissä, koska pienin havaittava massa on paljon suurempi vaimennetuissa väliaineissa. Ripustetut mikrokanavavastukset ovat erityyppinen kanttikannattajamalli, joka pystyy kiertämään tämän rajoituksen käyttämällä kanttikannattajan sisällä olevia mikrofluidisia kanavia. Näillä kanavilla voidaan siirtää näytteitä "in situ" kanttilavalla upottamatta kanttilautaa, mikä vaikuttaa mahdollisimman vähän sen värähtelyyn. Tämä tekniikka on kuitenkin vasta lapsenkengissä, eikä sitä voida vielä käyttää muutamaa rajoitettua sovellusta laajemmin. Cantilever-antureiden käytön etuna on se, että analyyttiin tai bioreseptoreihin ei tarvita optisesti havaittavaa leimaa.

Sähköiset ja sähkökemialliset anturit

Sähköinen ja sähkökemiallinen havaitseminen on helppo mukauttaa siirrettävyyden ja pienuuden vuoksi, erityisesti verrattuna optiseen havaitsemiseen. Amperometrisissä biosensoreissa entsyymin katalysoima redox-reaktio aiheuttaa redox-elektronivirran, joka mitataan työskentelyelektrodilla. Amperometrisiä biosensoreita on käytetty bio-MEMS:issä glukoosin, galaktoosin, laktoosin, urean ja kolesterolin havaitsemiseen sekä kaasun havaitsemiseen ja DNA:n hybridisointiin. Potentiometrisissä biosensoreissa yhden elektrodin sähköpotentiaalin mittaukset tehdään suhteessa toiseen elektrodiin. Esimerkkejä potentiometrisistä biosensoreista ovat ionisensitiiviset kenttäefektitransistorit (ISFET), kemialliset kenttäefektitransistorit (chem-FET) ja valo-osoitettavat potentiometriset sensorit (LAPS). Konduktometrisissä biosensoreissa mitataan kahden elektrodin välisen sähköisen impedanssin muutoksia biomolekyylireaktion seurauksena. Konduktiiviset mittaukset ovat yksinkertaisia ja helppokäyttöisiä, koska niihin ei tarvita erityistä vertailuelektrodia, ja niitä on käytetty biokemikaalien, toksiinien, nukleiinihappojen ja bakteerisolujen havaitsemiseen.

Optiset anturit

Optisen havaitsemisen haasteena on tarve integroida detektorit ja fotodiodit miniatyrisoituun kannettavaan muotoon bio-MEMS:iin. Optiseen havaitsemiseen kuuluvat fluoresenssiin perustuvat tekniikat, kemiluminesenssiin perustuvat tekniikat ja pintaplasmoniresonanssi (SPR). Fluoresenssiin perustuvissa optisissa tekniikoissa käytetään merkkiaineita, jotka säteilevät valoa tietyillä aallonpituuksilla, ja optisen signaalin esiintyminen tai voimistuminen/väheneminen (esim. fluoresenssi-resonanssin energiansiirto) osoittaa, että reaktio on tapahtunut. Fluoresenssiin perustuvaa detektiota on käytetty mikrosarjoissa ja PCR on a chip -laitteissa. Kemiluminesenssi on valon tuottamista kemiallisesta reaktiosta vapautuvan energian avulla. Bioluminesenssi ja elektrokemiluminesenssi ovat kemiluminesenssin alatyyppejä. Pintaplasmoniresonanssisensorit voivat olla ohutkalvorefraktometrejä tai ritilöitä, jotka mittaavat pintaplasmonien resonanssikäyttäytymistä metalli- tai dielektrisillä pinnoilla. Resonanssi muuttuu, kun biomolekyylejä tarttuu tai adsorboituu anturin pinnalle, ja se riippuu analyytin pitoisuudesta sekä sen ominaisuuksista. Pintaplasmoniresonanssia on käytetty elintarvikkeiden laadun ja turvallisuuden analysoinnissa, lääketieteellisessä diagnostiikassa ja ympäristön seurannassa.

Bio-MEMS diagnostiikassa

Genomi- ja proteomimikrosirut

Affymetrix GeneChip on esimerkki genomisesta mikrosirusta. Genomisten ja proteomisten mikrosarjojen tavoitteena on nopeuttaa ja halventaa genomianalyysiä suurella läpimenolla sekä tunnistaa aktivoituneita geenejä ja niiden sekvenssejä. Mikrosarjoissa käytettäviä biologisia kokonaisuuksia on monenlaisia, mutta yleisesti ottaen mikrosarja koostuu järjestetystä kokoelmasta mikropisteitä, joista kukin sisältää yhden määritellyn molekyylilajin, joka on vuorovaikutuksessa analyytin kanssa, jotta tuhansia parametreja voidaan testata samanaikaisesti yhdessä kokeessa. Eräitä genomisten ja proteomisten mikrosarjojen sovelluksia ovat vastasyntyneiden seulonta, tautiriskin tunnistaminen ja hoidon tehokkuuden ennustaminen yksilöllistä lääketiedettä varten.

Oligonukleotidisirut

Oligonukleotidisirut ovat oligonukleotidien mikrosarjoja. Niitä voidaan käyttää mutaatioiden havaitsemiseen ja ekspression seurantaan sekä geenien löytämiseen ja kartoittamiseen. Tärkeimmät menetelmät oligonukleotidimikrosirujen luomiseksi ovat geelityynyt (Motorola), mikroelektrodit (Nanogen), fotolitografia (Affymetrix) ja mustesuihkutekniikka (Agilent).

Geelityynyjen avulla esivalmistetut oligonukleotidit kiinnitetään aktivoidun polyakryyliamidin laikkuihin. Mikroelektrodien avulla negatiivisesti varautuneet DNA- ja molekyylianturit voidaan keskittää jännitteisille elektrodeille vuorovaikutusta varten. Fotolitografian avulla substraatille luodaan valonvalotuskuvio digitaalisen mikropeililaitteen heijastaman valomaskin tai virtuaalisen valomaskin avulla. Valo poistaa valoa läpäisevät suojaryhmät valituilta valotusalueilta. Suojauksen poistamisen jälkeen valoherkän suojaryhmän omaavat nukleotidit altistuvat koko pinnalle, ja kemiallinen kytkentäprosessi tapahtuu vain siellä, missä valoa oli valotettu edellisessä vaiheessa. Prosessi voidaan toistaa suhteellisen lyhyiden oligonukleotidien syntetisoimiseksi pinnalla nukleotidi nukleotidilta. Mustesuihkutekniikkaa käyttäen nukleotidit tulostetaan pinnalle pisara pisaralta, jolloin muodostuu oligonukleotideja.

cDNA-mikrosarja

cDNA-mikrosarjoja käytetään usein laajamittaiseen seulontaan ja ekspressiotutkimuksiin. cDNA-mikrosarjoissa solujen mRNA kerätään ja muunnetaan cDNA:ksi käänteisellä transkriptiolla. Tämän jälkeen cDNA-molekyylit (kukin vastaa yhtä geeniä) immobilisoidaan metallitapeilla halkaisijaltaan ~100 µm:n kokoisiksi pisteiksi kalvolle, lasille tai piisirulle. Detektointia varten soluista peräisin oleva fluoresenssilla leimattu yksisäikeinen cDNA hybridisoituu mikrosirulla oleviin molekyyleihin, ja analyysissä käytetään käsitellyn näytteen (leimattu esimerkiksi punaisella) ja käsittelemättömän näytteen (leimattu muulla värillä, kuten vihreällä) välistä erotusvertailua. Punaiset pisteet tarkoittavat, että vastaava geeni ilmentyi korkeammalla tasolla käsitellyssä näytteessä. Vastaavasti vihreät pisteet tarkoittavat, että vastaava geeni ilmentyi korkeammalla tasolla käsittelemättömässä näytteessä. Keltaiset pisteet, jotka ovat seurausta punaisten ja vihreiden pisteiden päällekkäisyydestä, tarkoittavat, että vastaava geeni ilmentyi suhteellisen samalla tasolla molemmissa näytteissä, kun taas tummat pisteet osoittavat, että geenin ilmentymistä ei tapahtunut lainkaan tai se oli vähäistä kummassakaan näytteessä.

Peptidi- ja proteiinimikrosarjat

Peptidi- ja proteiinimikrosarjojen käyttöä perustellaan ensinnäkin sillä, että mRNA-transkriptiot korreloivat usein huonosti syntetisoitujen proteiinien todellisen määrän kanssa. Toiseksi DNA-mikrosarjoilla ei voida tunnistaa proteiinien translaation jälkeisiä modifikaatioita, jotka vaikuttavat suoraan proteiinien toimintaan. Kolmanneksi joistakin kehon nesteistä, kuten virtsasta, puuttuu mRNA. Proteiinimikrosarja koostuu proteiinikirjastosta, joka on immobilisoitu substraattisirulle, joka on yleensä lasia, piitä, polystyreeniä, PVDF:ää tai nitroselluloosaa. Proteiinimikrosarjoja on yleensä kolmea tyyppiä: funktionaaliset, analyyttiset tai kaappaus- ja käänteisfaasiproteiinimikrosarjat.

Toiminnalliset proteiinirakenteet näyttävät taitettuja ja aktiivisia proteiineja, ja niitä käytetään molekyylien vuorovaikutusten seulontaan, proteiinireittien tutkimiseen, translaation jälkeisen modifioinnin kohteiden tunnistamiseen ja entsymaattisen toiminnan analysointiin. Analyyttiset tai kaappausproteiinirakenteet esittävät antigeenejä ja vasta-aineita proteiinien tai vasta-aineiden ilmentymisen profiloimiseksi seerumissa. Näitä matriiseja voidaan käyttää biomarkkereiden löytämiseen, proteiinien määrien seurantaan, signaalireittien aktiivisuustilojen seurantaan ja sairauksien vasta-ainerepertuaarien profilointiin.

Käänteisfaasiproteiiniryhmissä testataan solulysaattien ja seeruminäytteiden toistoja eri vasta-aineilla, jotta voidaan tutkia tiettyjen proteiinien ja proteiinimodifikaatioiden ilmentymisen muutoksia sairauden etenemisen aikana sekä biomarkkerien löytämistä. Proteiinimikrosarjoilla on tiukat tuotanto-, varastointi- ja koeolosuhteet, koska ne ovat vähän stabiileja ja koska immobilisoitujen proteiinien natiivin taittumisen on otettava huomioon. Peptidit sen sijaan ovat kemiallisesti kestävämpiä ja voivat säilyttää proteiinien toiminnan osatekijät. Näin ollen peptidimikrosarjat ovat täydentäneet proteiinimikrosarjoja proteomiikan tutkimuksessa ja diagnostiikassa. Proteiinimikrosarjoissa käytetään yleensä Escherichia coli -bakteeria kiinnostavien proteiinien tuottamiseen, kun taas peptidimikrosarjoissa käytetään SPOT-tekniikkaa (peptidien vaiheittainen synteesi selluloosalle) tai fotolitografiaa peptidien valmistamiseen.

PCR-sirut

Jatkuvaan virtaukseen perustuva PCR-mikrofluidijärjestelmä, jossa on ohutkalvolämmittimet, ruiskupumppu ja jatkuvan virtauksen PCR-kanava. Tämän esimerkin bio-MEMS:n sovellus on influenssa A RNA:n monistaminen hengitystietutkimusnäytteistä. Polymeraasiketjureaktio (PCR) on perustavanlaatuinen molekyylibiologinen tekniikka, joka mahdollistaa DNA-sekvenssien selektiivisen monistamisen, mikä on hyödyllistä harvinaisten näytteiden, kuten kantasolujen, biopsioiden ja kiertävien kasvainsolujen, laajennetussa käytössä. Reaktioon kuuluu DNA-sekvenssin ja DNA-polymeraasin lämpökierto kolmessa eri lämpötilassa. Lämmitys ja jäähdytys perinteisissä PCR-laitteissa ovat aikaa vieviä, ja tyypilliset PCR-reaktiot voivat kestää tunteja. Muita perinteisen PCR:n haittoja ovat kalliiden reagenssien suuri kulutus, lyhyiden fragmenttien monistamisen suosiminen ja lyhyiden kimeeristen molekyylien tuottaminen. PCR-sirujen avulla reaktioympäristöä voidaan pienentää, jotta saavutetaan nopea lämmönsiirto ja nopea sekoittuminen suuremman pinta-alan ja tilavuuden suhteen ja lyhyiden diffuusiomatkojen ansiosta. PCR-sirujen etuihin kuuluvat lyhyempi lämpökierron kesto, tasaisempi lämpötila, joka parantaa saantoa, ja siirrettävyys hoitopaikkasovelluksia varten. Mikrofluidisten PCR-sirujen kaksi haastetta ovat PCR:n estäminen ja kontaminaatio, jotka johtuvat suuresta pinta-tilavuus-suhteesta, joka lisää pinnan ja reagenssin vuorovaikutusta. Esimerkiksi piisubstraateilla on hyvä lämmönjohtavuus, joka mahdollistaa nopean lämmittämisen ja jäähdyttämisen, mutta ne voivat myrkyttää polymeraasireaktion. Piisubstraatit ovat myös läpinäkymättömiä, mikä estää qPCR:n optisen havaitsemisen, ja sähköisesti johtavia, mikä estää elektroforeettisen kuljetuksen kanavien läpi. Lasi puolestaan on ihanteellinen materiaali elektroforeesille, mutta se myös estää reaktion. Polymeerit, erityisesti PDMS, ovat optisesti läpinäkyviä, eivät estä reaktiota, ja niitä voidaan käyttää elektroforeettisen lasikanavan päällystämiseen. On olemassa myös erilaisia muita pintakäsittelyjä, kuten polyetyleeniglykolia, naudan seerumin albumiinia ja piidioksidia. On olemassa kiinteitä (kammiopohjaisia), dynaamisia (jatkuvaan virtaukseen perustuvia) ja mikropisara-arkkitehtuureja (digitaalinen PCR).

Kammiopohjainen arkkitehtuuri on seurausta perinteisten PCR-reaktoreiden kutistamisesta, ja niitä on vaikea skaalata. Tätä arkkitehtuuria käyttäen on kehitetty nelikerroksinen lasi-PDMS-laite, johon on integroitu mikroventtiilejä, mikrolämmittimiä, lämpötila-antureita, 380 nl:n reaktiokammioita ja kapillaarielektroforeesikanavia käänteistranskriptiopolymeraasiketjureaktiota (RT-PCR) varten, jonka havaitsemisherkkyys on attomolaarinen. Jatkuvaan virtaukseen perustuva arkkitehtuuri siirtää näytettä eri lämpötilavyöhykkeiden läpi lämpökierron aikaansaamiseksi. Tämä lähestymistapa kuluttaa vähemmän energiaa ja sen läpimenoteho on suuri, mutta reagenssin kulutus on suuri ja virtauskanaviin voi muodostua kaasukuplia. Digitaalinen PCR poistaa näytteen/reagenssin pinta-adsorption ja kontaminaation suorittamalla PCR mikropisaroissa tai mikrokammioissa. PCR pisaroissa estää myös homologisten geenifragmenttien rekombinaation, joten lyhyiden kimeeristen tuotteiden synteesi on poissuljettu.

Point-of-care-diagnostiikkalaitteet

Kätilö ottaa Ugandassa verta mitatakseen potilaiden CD4-määrän 20 minuutissa Pima point-of-care CD4-analysaattorilla. Kyky tehdä lääketieteellinen diagnoosi vuodeosastolla tai hoitopisteessä on tärkeää terveydenhuollossa, erityisesti kehitysmaissa, joissa keskussairaaloiden käyttömahdollisuudet ovat rajalliset ja kohtuuttoman kalliit. Tätä tarkoitusta varten on kehitetty hoitopaikkadiagnostiikkaan tarkoitettuja bio-MEMS-laitteita, jotka ottavat sylki-, veri- tai virtsanäytteitä ja suorittavat integroidussa lähestymistavassa näytteen esikäsittelyn, näytteen fraktioinnin, signaalin vahvistamisen, analyyttien havaitsemisen, tietojen analysoinnin ja tulosten näyttämisen. Erityisesti veri on hyvin yleinen biologinen näyte, koska se kiertää kehossa muutaman minuutin välein ja sen sisältö voi osoittaa monia terveyteen liittyviä seikkoja.

Näytteen käsittely

Verianalyysissä valkosolut, verihiutaleet, bakteerit ja plasma on erotettava toisistaan. Seuloja, siivilöitä, inertiatekniikkaa ja virtausohjauslaitteita käytetään veriplasman valmisteluun soluttomia analyysejä varten. Seuloja voidaan valmistaa mikrovalmisteisina, ja niihin voidaan liittää suuren kuvasuhteen pylväitä tai pylväitä, mutta ne soveltuvat vain pienelle kuormitukselle, jotta vältetään solujen tukkeutuminen. Siiviläputket ovat matalia pylväitä muistuttavia poikkileikkauksia, joita käytetään rajoittamaan virtaus kapeisiin rakoihin kerrosten välillä ilman pylväitä. Eräs pylväiden käytön etu on se, että pylväiden puuttuminen mahdollistaa tehokkaamman retenaatin kierrätyksen suodattimen läpi kulkevaa virtausta varten, jotta tukkeutuneet solut voidaan pestä pois. Magneettihelmiä käytetään apuna analyyttien erottamisessa. Nämä mikroskooppiset helmet on funktionalisoitu kohdemolekyyleillä ja niitä liikutetaan mikrofluidikanavien läpi vaihtelevan magneettikentän avulla. Tämä toimii nopeana menetelmänä kohteiden keräämiseksi analyysiä varten. Prosessin päätyttyä voimakkaaseen, paikallaan pysyvään magneettikenttään kytketään kohderyhmään sidotut helmet ja pestään sitoutumattomat helmet pois. H-suodatin on mikrofluidinen laite, jossa on kaksi sisääntuloaukkoa ja kaksi ulostuloa ja joka hyödyntää laminaarista virtausta ja diffuusiota erottaakseen komponentit, jotka diffundoituvat kahden sisääntulovirran välisen rajapinnan yli. Säätämällä virtausnopeutta, diffuusioetäisyyttä ja nesteen viipymäaikaa suodattimessa solut suljetaan suodoksen ulkopuolelle niiden hitaamman diffuusionopeuden ansiosta. H-suodatin ei tukkeudu, ja sitä voidaan käyttää loputtomiin, mutta analyytit laimennetaan kaksinkertaisesti. Soluanalyysejä varten soluja voidaan tutkia ehjinä tai lyysin jälkeen. Soluja sisältävän virtauksen rinnalle voidaan syöttää lyysipuskurivirta, joka diffuusion avulla saa aikaan lyysiä ennen jatkoanalyysiä. Soluanalyysi tehdään tyypillisesti virtaussytometrialla, ja se voidaan toteuttaa mikrofluidiikkaan, jossa nesteen nopeus ja läpimeno ovat alhaisemmat kuin perinteisissä makroskooppisissa vastaavissa laitteissa.

Näytteen fraktiointi

Näytteiden erottelu mikrofluidiikassa voidaan toteuttaa kapillaarielektroforeesilla tai jatkuvan virtauksen erottelulla. Kapillaarielektroforeesissa pitkä ohut putki erottaa analyytit jännitteen perusteella, kun ne siirtyvät sähköosmoottisen virtauksen avulla. Jatkuvan virtauksen erottelussa yleisenä ideana on soveltaa kenttää, joka on kulmassa virtaussuuntaan nähden, jotta näytteen virtausreitti ohjautuisi eri kanaviin. Esimerkkejä jatkuvan virtauksen erottelutekniikoista ovat jatkuvan virtauksen elektroforeesi, isoelektrinen fokusointi, jatkuvan virtauksen magneettinen erottelu ja molekyyliseulonta.

Avoimet haasteet

Useimmat markkinoilla olevat diagnostiset laitteet voivat testata vain yhtä sairautta. Lisäksi useimmat laitteet antavat binäärituloksen (kyllä/ei) ilman vivahteikasta tietoa potilaan tilasta. Sen lisäksi, että tutkijat kehittävät testejä useampia sairauksia varten, he työskentelevät tällä hetkellä myös näiden laitteiden monimutkaisuuden lisäämiseksi, jotta ne olisivat käyttökelpoisempia.

MEMS-diagnostiikkalaitteita on vaikea valmistaa laboratorioympäristön ulkopuolella. Suuri osa näitä laitteita koskevasta tutkimuksesta tapahtuu ilmastoidussa laboratoriossa, jossa laitteet voidaan testata pian niiden valmistuksen jälkeen. Koska monia näistä laitteista käytetään kuitenkin trooppisten sairauksien seulontaan, niiden on oltava riittävän kestäviä selviytyäkseen kuumissa ja kosteissa olosuhteissa. Niitä on myös varastoitava pitkiä aikoja valmistusajankohdasta käyttöajankohtaan.

Trooppisten tautien tutkimukseen on niukasti rahoitusta. Lisäksi ennen lääkinnällisen laitteen hyväksymistä on läpäistävä monia lainsäädännöllisiä esteitä, jotka voivat maksaa kymmeniä miljoonia dollareita. Näin ollen trooppisiin sairauksiin keskittyvien yritysten on usein yhdistettävä trooppisia sairauksia koskevat tutkimustavoitteensa muiden, paremmin rahoitettujen lääketieteellisen tutkimuksen alojen tutkimukseen.

Bio-MEMS kudosteknologiassa

Soluviljely

Perinteinen soluviljelytekniikka ei pysty tehokkaasti mahdollistamaan lääkeaineehdokkaiden, kasvutekijöiden, neuropeptidien, geenien ja retrovirusten kombinatorista testausta soluviljelyaineessa. Koska soluille on syötettävä säännöllisesti uutta elatusainetta ja ne on passagoitava, jo muutaman olosuhteen testaaminen vaatii suuren määrän soluja ja tarvikkeita, kalliita ja tilaa vieviä inkubaattoreita, suuria nestemääriä (~0,1-2 ml näytettä kohti) ja työlästä ihmistyötä. Ihmistyön vaatimus rajoittaa myös kokeiden aikapisteiden lukumäärää ja pituutta. Mikrofluidiset soluviljelmät ovat potentiaalisesti valtava parannus, koska ne voidaan automatisoida ja koska ne tuottavat alhaisemmat kokonaiskustannukset, suuremman läpimenon ja enemmän kvantitatiivisia kuvauksia yksittäisten solujen käyttäytymisen vaihtelusta. Sisällyttämällä kaasunvaihto- ja lämpötilan säätöjärjestelmät sirulle mikrofluidinen soluviljely voi poistaa inkubaattoreiden ja kudosviljelyhuppujen tarpeen. Tämäntyyppiseen jatkuvaan mikrofluidiseen soluviljelyyn liittyy kuitenkin myös omia ainutlaatuisia haasteitaan. Virtauksen hallinta on tärkeää, kun soluja kylvetään mikrokanaviin, koska virtaus on pysäytettävä solususpension ensimmäisen injektion jälkeen, jotta solut kiinnittyisivät tai jäisivät loukkuun mikrokuoppiin, dielektroforeettisiin loukkuihin, mikromagneettisiin loukkuihin tai hydrodynaamisiin loukkuihin. Tämän jälkeen virtaus on aloitettava uudelleen siten, että se ei aiheuta suuria voimia, jotka leikkaavat solut irti alustasta. Nesteiden annostelu manuaalisella tai robottipipetöinnillä voidaan korvata mikropumpuilla ja mikroventtiileillä, joissa nesteen annostelu on suoraviivaista määritellä, toisin kuin jatkuvan virtauksen järjestelmissä mikrosekoittimilla.

Täysin automatisoitu mikrofluidinen soluviljelyjärjestelmä on kehitetty ihmisen alkion kantasolujen osteogeenisen erilaistumisen tutkimiseen. Lisäksi on kehitetty kannettava mikrofluidinen soluviljelyinkubaattori, jolla voidaan lämmittää ja pumpata soluviljelyliuoksia. Mikrofluidisten viljelmien tilavuuden pienentämisen vuoksi kerätyt pitoisuudet ovat suurempia, mikä mahdollistaa paremman signaali-kohinasuhteen mittaukset, mutta kerääminen ja havaitseminen on vastaavasti vaikeampaa. Mikrofluidisten soluviljelmien avulla tehtävät in situ -mikroskopiamääritykset voivat auttaa tässä suhteessa, mutta niiden läpimenoteho on luonnostaan pienempi, koska mikroskoopin koettimella on vain pieni näkökenttä. Berkeley Lights Beacon -alustalla on ratkaistu keräys- ja havaitsemisongelma suorittamalla mikrofluidinen viljely valojohteiden joukon päällä. Se voidaan aktivoida optoelektrisesti solujen manipuloimiseksi sirun läpi. Amgen ja Novartis ovat ottaneet tämän alustan käyttöön biolääketeollisuuden solulinjojen kehittämisessä. Mikrokuvioidut rinnakkaisviljelmät ovat myös edistäneet kudostekniikassa käytettäviä bio-MEMS-menetelmiä, joilla voidaan jäljitellä in vivo -olosuhteita ja luonnollista 3D-rakennetta. Erityisesti hepatosyytit on kuvioitu yhteisviljelyyn tietyillä solutiheyksillä fibroblastien kanssa, jotta voidaan ylläpitää maksalle ominaisia toimintoja, kuten albumiinin eritystä, ureasynteesiä ja p450-pelkistystä. Vastaavasti mikrofluidiikan integroiminen mikrokuvioituihin yhteiskulttuureihin on mahdollistanut sellaisten elinten mallintamisen, joissa on useita verisuonitettuja kudoksia, kuten veri-aivoeste ja keuhkot. Keuhkojen elintason toimintoja on rekonstruoitu lung-on-a-chip-laitteissa, joissa huokoista kalvoa ja kylvettyä epiteelisolukerrosta venytetään syklisesti vierekkäisiin mikrokanaviin kohdistetulla alipaineella inhalaation jäljittelemiseksi.

Kantasolutekniikka

Integroitu mikrofluidinen laite, jossa on konsentraatiogradientin generaattori ja yksittäisiä solukammioita erilaistumista indusoivien tekijöiden annosriippuvaisten vaikutusten tutkimiseen. Kantasolutekniikan tavoitteena on pystyä hallitsemaan pluripotenttisten kantasolujen erilaistumista ja itseuudistumista soluhoitoa varten. Kantasolujen erilaistuminen on riippuvainen monista tekijöistä, kuten liukoisista ja biokemiallisista tekijöistä, nesteen leikkausstressistä, solun ja EKM:n välisistä vuorovaikutuksista, solujen ja solujen välisistä vuorovaikutuksista sekä alkionkappaleiden muodostumisesta ja organisoitumisesta. Bio-MEMS:ien avulla on tutkittu, miten kantasolujen viljely- ja kasvuolosuhteita voidaan optimoida näitä tekijöitä säätelemällä. Kantasoluja ja niiden erilaistuneita jälkeläisiä tutkitaan mikrosirujen avulla sen selvittämiseksi, miten transkriptiotekijät ja miRNA:t määrittävät solun kohtalon, miten epigeneettiset muutokset kantasolujen ja niiden tytärsolujen välillä vaikuttavat fenotyyppeihin sekä kantasolujen mittaamiseksi ja lajittelemiseksi niiden proteiiniekspression perusteella.

Biokemialliset tekijät

Mikrofluidiikka voi hyödyntää mikroskooppista tilavuuttaan ja laminaarista virtausominaisuuttaan kantasoluille annettavien biokemiallisten tekijöiden spatiotemporaaliseen ohjaukseen. Mikrofluidisia gradienttigeneraattoreita on käytetty annos-vastesuhteiden tutkimiseen. Happi on tärkeä biokemiallinen tekijä, joka on otettava huomioon erilaistumisessa hypoksian indusoimien transkriptiotekijöiden (HIF) ja niihin liittyvien signaalireittien kautta, erityisesti veren, verisuoniston, istukan ja luukudosten kehityksessä. Tavanomaiset menetelmät hapen vaikutusten tutkimiseksi perustuivat koko inkubaattorin asettamiseen tiettyyn happipitoisuuteen, mikä rajoitti analyysin pareittaiseen vertailuun normoksisten ja hypoksisten olosuhteiden välillä halutun pitoisuusriippuvaisen luonnehdinnan sijasta. Kehitettyihin ratkaisuihin kuuluu jatkuvien aksiaalisten happigradienttien ja mikrofluidisten soluviljelykammioiden rykelmien käyttö, jotka on erotettu ohuilla PDMS-kalvoilla kaasutäytteisiin mikrokanaviin.

Nesteen leikkausjännitys

Nesteen leikkausjännityksellä on merkitystä sydän- ja verisuonilinjojen kantasolujen erilaistumisessa sekä myöhäisessä embryogeneesissä ja organogeneesissä, kuten vasen-oikea-asymmetriassa kehityksen aikana. Makrotason tutkimukset eivät mahdollista leikkausjännityksen kvantitatiivista analyysia erilaistumisen kannalta, koska niissä käytetään rinnakkaislevyisiä virtauskammioita tai pyöriviä kartiolaitteita vain on-off-skenaarioissa. Mikrofluidiikan Poiseuille-virtaus mahdollistaa leikkausjännityksen systemaattisen vaihtelun kanavan geometrian ja virtausnopeuden avulla mikropumppujen avulla, kuten on osoitettu käyttämällä perfuusiokammioiden matriiseja mesenkymaalisten kantasolujen ja fibroblastisolujen adheesiotutkimuksissa.

Solujen ja EKM:n vuorovaikutukset

Solun ja ECM:n vuorovaikutukset aiheuttavat muutoksia erilaistumisessa ja itseuudistumisessa substraatin jäykkyyden kautta mekanotransduktiolla ja erilaisilla integriineillä, jotka ovat vuorovaikutuksessa ECM-molekyylien kanssa. ECM-proteiinien mikrokuviointia mikrokontaktipainatuksella (μCP), mustesuihkutulostuksella ja maskiruiskutuksella on käytetty kantasolujen ja ECM:n vuorovaikutustutkimuksissa. Käyttämällä mikrokontaktipainatusta solujen kiinnittymisalueen hallitsemiseksi on havaittu, että osteogeenisen/adipogeenisen linjan vaihtuminen ihmisen mesenkymaalisissa kantasoluissa voi olla riippuvainen solun muodosta. Mikropylväiden mikrovalmistuksella ja niiden taipumisen mittaamisella voidaan määrittää soluihin kohdistuvat vetovoimat. Fotolitografiaa voidaan käyttää myös soluihin kylvetyn valopolymerisoituvan ECM:n ristisilloittamiseen kolmiulotteisia tutkimuksia varten. ECM-mikrosarjojen käyttäminen kollageenin, laminaatin ja fibronektiinin kombinatoristen vaikutusten optimoimiseksi kantasoluihin on tavanomaisia kuoppalevyjä edullisempaa, koska sen läpimenoteho on suurempi ja kalliiden reagenssien tarve pienempi.

Solun ja solun vuorovaikutukset

Solujen kohtaloa säätelevät sekä kantasolujen väliset vuorovaikutukset että kantasolujen ja kalvoproteiinien väliset vuorovaikutukset. Solujen kylvötiheyden manipulointi on yleinen biologinen tekniikka solujen ja solujen välisten vuorovaikutusten hallinnassa, mutta paikallisen tiheyden kontrollointi on vaikeaa, ja usein on vaikea erottaa väliaineessa olevien liukoisten signaalien ja fyysisten solujen ja solujen välisten vuorovaikutusten vaikutukset toisistaan. Solujen adheesioproteiinien mikrotasolla tapahtuvaa kuviointia voidaan käyttää määriteltäessä eri solujen tilallisia sijainteja alustalla ihmisen ESC-proliferaation tutkimiseksi. Kantasolujen kylväminen PDMS-mikrosoluihin ja niiden kääntäminen substraatille tai toiselle solukerrokselle on menetelmä, jolla voidaan saavuttaa tarkka alueellinen kontrolli. Aukkoliittymäviestintää on tutkittu myös mikrofluidiikan avulla, jolloin keskikanavaa reunustavissa sivukanavissa virtaavan nesteen aiheuttama alipaine vangitsee solupareja, jotka ovat suorassa kosketuksessa toisiinsa tai jotka on erotettu toisistaan pienellä aukolla. Yleensä kantasolujen nollasta poikkeava liikkuvuus ja lyhyt solusykli häiritsevät kuitenkin usein näiden mikrotekniikoiden määräämää tilajärjestelyä.

Alkionmuodostus ja organisoituminen

Hiiren alkioidirakkuloita suspensioviljelmässä 24 tunnin kuluttua alkion kantasoluista muodostumisesta. Alkioidikappaleet ovat yleinen in vitro -pluripotenssitesti kantasoluille, ja niiden kokoa on hallittava, jotta voidaan indusoida suunnattu erilaistuminen tiettyihin sukulinjoihin. Yhdenmukaisen kokoisten alkioidielementtien muodostaminen mikrosolujen ja mikrofluidiikan avulla suurella läpivirtauksella mahdollistaa helpon talteenoton ja mikä tärkeämpää, skaalaamisen kliinisiä tilanteita varten. Alkionrungon solujen organisoinnin ja arkkitehtuurin aktiivisella ohjauksella voidaan myös ohjata kantasolujen erilaistumista käyttämällä endodermi-, mesodermi- ja ektodermi-indusoivien tekijöiden sekä itseuudistumistekijöiden mikrofluidisia gradientteja.

Avustetut lisääntymisteknologiat

Avustettujen lisääntymistekniikoiden avulla voidaan hoitaa hedelmättömyyttä ja parantaa geneettisesti karjaa. Näiden teknologioiden tehokkuus nisäkkäiden alkioiden kryosäilytyksessä ja in vitro -tuotannossa on kuitenkin heikko. Mikrofluidiikkaa on sovellettu näissä tekniikoissa, jotta voidaan jäljitellä paremmin in vivo -mikroympäristöä kuvioiduilla topografisilla ja biokemiallisilla pinnoilla, jotka mahdollistavat kontrolloidun spatiotemporaalisen solujen kiinnittymisen sekä kuolleiden tilavuuksien minimoinnin. Mikropumpuilla ja mikroventtiileillä voidaan automatisoida työläitä nesteen annostelumenetelmiä, ja erilaisia antureita voidaan integroida reaaliaikaiseen laadunvalvontaan. Bio-MEMS-laitteita on kehitetty siittiöiden liikkuvuuden arviointiin, siittiöiden valintaan sekä polyspermian estämiseen koeputkihedelmöityksessä.

Bio-MEMS lääketieteellisissä implantteissa ja kirurgiassa

Istutettavat mikroelektrodit

Istutettavien mikroelektrodien tavoitteena on liittyä kehon hermostoon biosähköisten signaalien tallentamiseksi ja lähettämiseksi sairauksien tutkimiseksi, proteesien parantamiseksi ja kliinisten parametrien seuraamiseksi. Mikrovalmistus on johtanut Michiganin antureiden ja Utahin elektrodiryhmän kehittämiseen, mikä on lisännyt elektrodien määrää tilavuusyksikköä kohti ja samalla ratkaissut ongelmat, jotka liittyvät paksuihin substraatteihin, jotka aiheuttavat vaurioita implantoinnin aikana ja laukaisevat vierasesinereaktion, sekä elektrodien kapseloitumiseen elektrodien sisältämän piin ja metallien avulla. Michiganin antureita on käytetty laajamittaisissa nauhoituksissa ja hermosolujen verkkoanalyyseissä, ja Utah-elektrodiryhmää on käytetty halvaantuneiden aivo-tietokone-rajapinnassa. Ekstrasellulaariset mikroelektrodit on kuvioitu sisäkorvaistutteissa käytettävään puhallettavaan kierteen muotoiseen muoviin, jotta ne voidaan asettaa syvemmälle ja parantaa elektrodin ja kudoksen välistä kosketusta, jotta äänet saadaan siirrettyä mahdollisimman tarkasti. Mikroelektroniikan integroiminen ohuille, joustaville alustoille on johtanut sellaisen sydänlaastarin kehittämiseen, joka kiinnittyy sydämen kaarevaan pintaan pelkän pintajännityksen avulla ja jolla voidaan mitata sydämen elektrofysiologiaa, sekä elektronisten tatuointien kehittämiseen ihon lämpötilan ja biosähköisyyden mittaamiseksi. Elektrofysiologisten signaalien langaton tallennus on mahdollista lisäämällä pietsokide kahden tallennuselektrodin ja yhden transistorin muodostamaan piiriin implantoidussa mikrolaitteessa. Ulkoinen anturi lähettää ultraäänienergiapulsseja}, jotka osuvat pietsokristalliin, ja solunulkoiset jännitemuutokset siroavat ultraäänellä takaisin pietsokristalliin, mikä mahdollistaa mittauksen. Niin sanottujen "hermopöly"-motiivien verkosto voi kartoittaa signaaleja koko kehon alueelta, johon mikroanturit on istutettu.

Mikrotyökalut kirurgiaa varten

Esimerkiksi pallokatetri, jossa on lämpötila-antureita, EKG-antureita ja LED-valoja, on kirurginen bio-MEMS.

Kirurgisissa sovelluksissa käytettävät bio-MEMSit voivat parantaa nykyisiä toimintoja, lisätä uusia valmiuksia, jotta kirurgit voivat kehittää uusia tekniikoita ja menettelyjä, ja parantaa leikkaustuloksia vähentämällä riskejä ja antamalla reaaliaikaista palautetta leikkauksen aikana. Mikrokoneistetut kirurgiset työkalut, kuten pienet pihdit, mikroneulasarjat ja kudospurkaimet, ovat tulleet mahdollisiksi metalli- ja keraamisilla kerros kerrokselta mikrovalmistustekniikoilla minimaalisesti invasiivista kirurgiaa ja robottikirurgiaa varten. Antureiden sisällyttäminen kirurgisiin työkaluihin mahdollistaa myös kirurgin tuntopalautteen, kudostyypin tunnistamisen rasituksen ja tiheyden avulla leikkaustoimien aikana sekä diagnostisen katetroinnin verenkierron, paineiden, lämpötilojen, happipitoisuuden ja kemikaalipitoisuuksien mittaamiseksi.

Lääkkeiden toimittaminen

Transdermaalinen mikroneulalaastari on vähemmän invasiivinen kuin perinteinen lääkkeen antaminen hypodermisella neulalla. Mikroneulat, formulaatiojärjestelmät ja implantoitavat järjestelmät ovat bio-MEMS-järjestelmiä, joita voidaan soveltaa lääkkeiden toimittamiseen. Noin 100μm:n mikroneulat voivat läpäistä ihoesteen ja toimittaa lääkkeitä ihon alla oleviin soluihin ja interstitiaaliseen nesteeseen vähentäen kudosvaurioita, vähentäen kipua ja ilman verenvuotoa. Mikroneuloja voidaan myös integroida mikrofluidiikkaan lääkkeiden automatisoitua lataamista tai multipleksointia varten. Käyttäjän näkökulmasta mikroneulat voidaan sisällyttää laastarimuotoon itse annosteltavaa lääkettä varten, eivätkä ne muodosta terävää jätettä sisältävää biovaaraa (jos materiaali on polymeeristä). Mikroneulojen avulla tapahtuvaan lääkkeenantoon kuuluu pinnan päällystäminen terapeuttisilla aineilla, lääkkeiden lataaminen huokoisiin tai onttoihin mikroneuloihin tai mikroneulojen valmistaminen lääkkeellä ja päällystysmatriisilla lääkkeen maksimaalista lataamista varten. Kehitteillä on myös mikroneuloja interstitiaalisen nesteen uuttamiseen, veren uuttamiseen ja geenien toimittamiseen. Mikroneuloilla tapahtuvan lääkeannostelun tehokkuus on edelleen haaste, koska on vaikea varmistaa, ovatko mikroneulat tunkeutuneet tehokkaasti ihoon.

Jotkin lääkkeet, kuten diatsepaami, ovat huonosti liukenevia, ja ne on aerosolisoitava välittömästi ennen intranasaalista antoa. Bio-MEMS-tekniikkaa, jossa käytetään pietsosähköisiä antureita nestesäiliöihin, voidaan käyttää näissä olosuhteissa aerosolien kapean kokojakauman tuottamiseksi, jotta lääke saadaan paremmin toimitettua. Myös implantoitavia lääkeannostelujärjestelmiä on kehitetty sellaisten terapeuttisten aineiden annosteluun, joiden biologinen hyötyosuus on heikko tai jotka edellyttävät paikallista vapautumista ja altistumista kohdekohtaan. Esimerkkeinä voidaan mainita PDMS-mikrofluidilaite, joka istutetaan sidekalvon alle ja jonka avulla lääkeainetta voidaan annostella silmään silmäsairauksien hoitoon, sekä mikrosirut, joissa on kultakantaisia lääkesäiliöitä osteoporoosin hoitoon. Lääkeaineiden annosteluun tarkoitetuissa implantoitavissa bio-MEMS-mikropiireissä on tärkeää ottaa huomioon laitteen repeäminen ja annoksen poistaminen, laitteen kuitukapselointi ja laitteen poistaminen. Useimmat lääkkeet on myös toimitettava suhteellisen suurina määrinä (millilitroina tai jopa suurempina), mikä tekee implantoitavista bio-MEMS-lääkkeiden toimittamisesta haastavaa niiden rajallisen lääkeainepitoisuuden vuoksi.

Katso myös

• Mikrofluidistiikka
• Lab-on-a-chip
• Kokonaisanalyysijärjestelmä