BioMEMS的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

文章來源：芯云知

原文作者：Crane

BioMEMS，一般指生物微機(jī)電系統(tǒng)，是一種融合微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)原理的交叉學(xué)科領(lǐng)域。它涉及微型器件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，用于生物醫(yī)學(xué)研究和臨床實(shí)踐中的診斷、治療和監(jiān)測。BioMEMS的核心在于利用微納米加工技術(shù)，將微型傳感器、執(zhí)行器和系統(tǒng)集成到生物體系中，以實(shí)現(xiàn)對生物體內(nèi)部和周圍環(huán)境的監(jiān)測、調(diào)控和干預(yù)。

BioMEMS的原理

目前，大部分BioMEMS應(yīng)用于檢測或者動(dòng)態(tài)監(jiān)測，其按照原理可以分為兩大類，一類是基于物理的傳感器，主要捕捉一些物理參數(shù)，例如，溫度、動(dòng)作、呼吸速率等等。另一類是基于化學(xué)的傳感器，主要利用人工設(shè)計(jì)的分子與體內(nèi)的識別物進(jìn)行反應(yīng)，從而產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)、熱、光、聲信號或者引起該信號的變化，將生物體內(nèi)的信號轉(zhuǎn)化為可以測量的信號，其大致原理下圖所示。

BioMEMS的結(jié)構(gòu)

常規(guī)BioMEMS通常由以下結(jié)構(gòu)組成：

生物識別單元：用于負(fù)載或修飾可以與目標(biāo)檢測分子發(fā)生特異性反應(yīng)的分子，通過反應(yīng)產(chǎn)生光、熱、化學(xué)、電的信號；

信號轉(zhuǎn)換器：收集生物識別單元產(chǎn)生的信號，例如，電化學(xué)類基本為電極，光學(xué)類為紫外或者熒光測試儀；

信號處理器：針對信號產(chǎn)生的大小，分析得到待檢測物的濃度。

BioMEMS的應(yīng)用

3.1 體外檢測

體外傳感通常采用取血來提取待分析的檢測物，手指血糖計(jì)是一種常見的BioMEMS，其原理是通過在測試條上的生物化學(xué)反應(yīng)，將血液中的葡萄糖與特定的酶（如葡萄糖氧化酶）反應(yīng)生成電化學(xué)信號。這些信號被讀取器檢測，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字讀數(shù)，顯示出血糖濃度。

3.2 Biochip（生物芯片）

Biochip，是一種微型化的生物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過在微小芯片上集成生物分析、檢測和反應(yīng)器件，實(shí)現(xiàn)對生物樣本進(jìn)行高效、高通量的分析和操作。BioChip在醫(yī)學(xué)診斷、生物學(xué)研究和藥物開發(fā)等領(lǐng)域具有重要意義，可以提高實(shí)驗(yàn)效率、降低成本，并且有望實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療和定制化治療。其通常利用微流控技術(shù)將各個(gè)特異性檢測的反應(yīng)室區(qū)分開來，可以實(shí)現(xiàn)多通道的檢測。

3.3 柔性電極監(jiān)測汗液中的電解質(zhì)、葡萄糖等

該類傳感器通過在柔性襯底上制作電極，然后再通過各類酶的負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)多通道的監(jiān)測。由于柔性電極可以與皮膚緊密貼合，被認(rèn)為是人類未來日常監(jiān)測身體情況的必然需求。但是該類電極目前市場應(yīng)用規(guī)模還比較小，原因在于汗液中各種標(biāo)記物的濃度相對較低。

3.4 侵入式/植入式監(jiān)測葡萄糖、血壓等

目前，侵入式動(dòng)態(tài)監(jiān)測血糖儀可以分為兩類，一類是通過將傳感區(qū)域固定于柔性針上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測；另一類則是通過微針先提取真皮層下的間質(zhì)液，然后再通過外部的傳感部分和信號處理部分進(jìn)行分析。

植入式傳感器是通過將壓力傳感器封裝后植入到人體中，動(dòng)態(tài)監(jiān)測血壓的變化，從而對心臟的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。其結(jié)構(gòu)為壓力傳感器封裝于生物相容材料中，但是目前由于該類系統(tǒng)存在能耗以及需要手術(shù)植入的問題，應(yīng)用成本較大。

隨著生物MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展。未來，我們可以預(yù)見生物MEMS技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療、組織工程和健康監(jiān)測方面的廣泛應(yīng)用。隨著生物MEMS器件的功能不斷強(qiáng)化和微型化程度的提高，其在醫(yī)學(xué)診斷、藥物研發(fā)和疾病治療中的作用將日益凸顯。生物MEMS將成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要驅(qū)動(dòng)力，為人類健康帶來更加美好的未來。