生物微机电系统与生物芯片技术进展

　　微机电系统(Microelectromechanical Sys-tems,MEMS)的典型应用有微型传感器、微电机、微泵、微阀、光开关、生物芯片、纳米卫星及各种集成化微型仪器等。应用于生物医学领域的微机电系统通常称为生物微机电系统(BioMEMS)。传统上把在数平方厘米大小的硅片等材料上加工出的应用于生化分析的生物微机电系统称为生物芯片(biochip)。以生物芯片为核心的微全分析系统(micro total analysis systems,μTAS)[1]是微机电系统当前的研究热点之一。

　　1　生物微机电系统技术进展

　　由于Bio MEMS具有功能独特、体积小、重量轻、批量生产成本低等优点,它在生物医学领域应用很广,如皮下注射微型硅针、一次性血压计、可植入微量供药系统、细胞微夹钳等。应用Bio-MEMS技术不仅可以对现有的生物医疗器械进行改进和完善,而且可以创造出新的分析操作手段,极大地推动医疗事业和生物工程技术的发展。瑞典Linkoping大学的Edwin W. H. Jager等[2]发明了可用于操纵单个细胞的微型机器人,由可单独控制的几个聚吡咯(polypyrrole,PPy)-金微作动器构成的。这些微作动器是把导电的聚合物PPy与金结合起来,浸入NaDBS电解质溶液中,随着在作为结构层和电极的金上施加不同的正负电压,阳离子从PPy渗出并进入电解质溶液,或者由电解质溶液扩散入PPy,从而使PPy材料收缩或膨胀,形成微肌肉(micromuscles),使粘附在Ppy-金双层上的微结构能够产生较大幅度的运动。整个微型机器人用硅表面微加工工艺和牺牲层工艺加工完成。每个微作动器的尺寸是100×50μm ,微型机器人的总长度是670μm ,底部的宽度可达170μm。这种微型机器人能够在250×100μm的范围内抓取、举起、移动、放置微米尺寸的物体,并且能在盐溶液、血浆、尿液以及细胞培养介质中工作,将被用作微小介入手术的工具,或者从生物样品中捕捉单个细胞、细菌、多细胞生物体等。

　　随着MEMS的发展,出现了纳米机电系统(nanoelectromechanical systems, NEMS)[3],特征尺寸可能从几百到几个纳米,其中有些在生物医学领域中有重要潜在用途。美国Cornell大学的Ricky K. Soong等[4]把单个的生物分子电机和纳米尺度的无机系统集成起来,构成了用分子电机驱动的混合纳米机械器件。该器件由3个元件组成:镍柱基体(高200 nm,直径80 nm),F1-ATPase(腺苷三磷酸酶)生物分子(直径小于8nm,长度为14 nm)电机,以及纳米螺旋桨(长750～1400 nm,直径150 nm)。该生物分子电机通过在活性系统中水解ATP(腺苷三磷酸),能够产生最大为80～100 pN·nm的转矩,与当前能生产的纳米机械结构的尺寸和力学常数相兼容。这一新技术有望在血管清理中发挥作用。