生物MEMS

生物MEMS（Bio MEMS）是指MEMS技術在生物學領域中套用的微製造技術。由於採用了微機械製造技術，Bio MEMS具有微米量級的特徵尺寸，可以實現器件和系統的微型化，使生物醫學的診斷和治療可以快速、自動化、高通量、較小損傷地完成。

基本介紹

• 中文名：生物MEMS
• 外文名：Bio MEMS

生物MEMS的特點

Bio MEMS主要包括在生物體外進行生物醫學診斷的微系統和生物體內進行生物醫學治療的微系統。

生物體外Bio MEMS研究是在生物體外進行生物醫學診斷和治療的微系統，研究主要包括生物晶片、生物感測器及相關微流體系統，是一個較廣的研究領域，其中最具代表性的是生物晶片技術。微型生物晶片是利用微細加工工藝，在厘米見方的矽片或玻璃等材料上集成樣品預處理器、微反應器、微分離管道、微檢測器等微型生物化學功能器件、電子器件和微流量器件的微型生物化學分析系統。與傳統的分析儀器相比，微型生物化學分析系統除了體積小以外，還具有分析時間短、樣品消耗少、能耗低、效率高等優點。可廣泛用於臨床、環境監測、工業實時控制。晶片上的生物化學分析系統還使分析的並行處理成為可能，即同時分析數十種甚至上百種的樣品，這將大大縮短基因測序過程，因而將成為人類基因組計畫中重要的分析手段。

生物體內微系統是指在生物體內進行生物醫學診斷和治療的微系統，研究內容主要包括植入治療微系統、微型給藥系統、精密外科工具、植入微器件、微型人工器官、微型成像器件等。這些微系統中融入了關鍵的MEMS技術，如微感測器、微驅動器、微泵、微閥、微針等，是一個極具挑戰性的研究方向。利用MEMS製作的智慧型型外科器械可以減少手術風險和時間，縮短病人康復時間，降低治療的費用。Verimetra公司正在利用MEMS把現有手術器械轉變成智慧型型手術器械，可用於多種場合，包括小手術、腫瘤、神經、牙科和胎兒心臟手術等。藥物注入是生物醫學MEMS另一個可能有巨幅增長潛力的領域，MicroChipd公司正在開發的一種藥物注入系統利用了矽片或聚合物晶片，其上帶有成千上萬個微型儲液囊，裡面充滿藥物、試劑及其他藥品。這些微晶片能夠向人體注入藥物，使止痛劑、荷爾蒙以及類固醇之類的注入方式發生革命性的變化。類似這樣的生物醫學新進展還將催生出新型器械，如攜帶型掌上型透析機等。將來人們可以在身上配備測量人體功能的MEMS感測器和驅動器，保證個人處於最佳健康狀態，幫助保持積極生活方式，並提供自動的預防保健。

Bio MEMS器件及系統現已成為MEMS技術套用市場中發展最快的領域，特別是在藥物的發現和篩選、疾病診斷、生物信息遙測和基因檢測分析等方面，Bio MEMS技術的批量生產能力更極大降低了生物醫學診斷和治療的成本，因此Bio MEMS技術已成為21世紀科學研究和商品化的主要研究目標。

典型的Bio MEMS器件

電泳是用來將不同尺度的DNA分子片段從混合物中分離的技術。晶片毛細管電泳1989年由Manz和Harrison提出後發展很快。圖1-1是玻璃—玻璃、Si—玻璃、玻璃—PDMS等三種材料和結構的微型毛細管電泳晶片照片，與傳統方式相比，微型毛細管電泳晶片具有耗樣量少、體積小（縮小10倍）、速度快（快10倍）、價格便宜等優點。

圖1-1 毛細管電泳晶片照片

圖1-2是IBM蘇黎世實驗室採用光學讀數方法研製的懸臂樑。懸臂樑式生物感測器基於掃描力顯微鏡（SFM）的工作原理，通過在微懸臂樑的一個表面塗覆特殊的生物活性物質，被測物質經擴散進入生物敏感層，在懸臂樑表面發生物理吸附或化學吸附並產生機械回響。懸臂樑納米量級的機械回響包括表面應力變化、熱轉換、質量變化等，這些物理變化或化學反應的結果通過換能器被轉換成電學信號記錄下來。由於其獨特的結構和極小的幾何尺寸，懸臂樑對微弱力的變化非常敏感，因此可以高分辨力探測微量、痕量生物分子。

圖1-2 IBN蘇黎世實驗室研製的微陣列懸臂樑

圖1-3是用於注射給藥的微針照片。微針主要以氮化矽為材料，同時利用犧牲層技術製備微流道。微針的直徑可以減小到幾十微米，長度幾百微米，可以在沒有碰到病人皮膚神經的條件下完成注射。

圖1-3 陣列型微針

總之，MEMS製作設備提供了很大的自由性，使其配合醫學產品夥伴生產更多的感測器元件及微型產品。這些裝置都是大批量生產，所以成本較低。醫學工業對於更小、更便宜的裝置和測量裝置的需求保持增長的勢頭，這將建立一個更大的MEMS市場，MEMS產品在未來的醫學市場將擔任一個重要的角色。