MEMS

komponente

Prof. dr Vesna Paunović

Prof. dr Dragan Pantić

MIKROFLUIDI

Biološka primena MEMS-ova (bioMEMS-ova) i mikrofluida je

neraskidivo povezana zbog toga što većina uređaja za biološke

i medicinske analize radi sa uzorcima u tečnom stanju. Osim

biološke analize, mikrofluidi imaju primenu u hemijskim

analizama, sintezi lekova, dostavi lekova kao i sintezi

hemikalija opasnih po život.

Pogonski pritisak, najpoznatiji iz makroskopskog sveta

je jednostavna primena pozitivnog pritiska na jedan

kraj kanala za protok. Alternativno, negativni pritisak

(vakuum) može se primeniti na drugi kraj. Zbog

otpora u zidovima, protok je najsporiji na ivicama što

dovodi do povećanja paraboličkog profila do

maksimuma u centru

Elektroforetski protok može biti indukovan samo u

tečnostima ili gelovima sa jonizovanim česticama.

Primena napona na krajevima kanala stvara električno

polje duž kanala koji pokreće pozitivne jone kroz

tečnosti prema negativnom kraju i negativne jone ka

pozitivnom kraju.

Elektroosmotski protok se dešava zato što kanali u

staklu i plastici imaju tendenciju da poseduju fiksni

naboj na svojim površinama. U staklu grupe silanola

(ЅiOH) na zidovima su deprotonovane u rastvoru

ostavljajući površinu na negativnom naboju.

Elektroforetski i elektroosmatski protok mogu biti

grupisani zajedno kao poglavlje elektrokinetiskog

toka, oba se javljaju istovremeno u jonskim

rastvorima sa primenjenim električnim poljem. Ona

koja dominira, zavisi od detalja rastvora i zidova.

Mešanje mikrofluida

Rejnoldsov broj je koristan za upoređivanje protoka različitih

fluida u kanalima čije dimenzije variraju za nekoliko redova

veličine. Rejnoldsov broj je bezdimenzioni broj povezan sa

odnosom kinetičke energije u fluidu u odnosu na stopu

gubitaka enegrije na trenje

D

DNK ANALIZA

Genetski kod se čuva u

ćelijskim hromozomima od

kojih svaki sadrži duge lance

dezoksiribonukleinske

kiseline (DNK). Gradivni

blokovi DNK su molekuli

koji se zovu nukleotidi koji

se sastoje od “baza”

pridruženih

fosfat-šećernoj kičmi.

➢DNK:

➢ 4 vrste nukleotida koji se razlikuju po svojim bazama:

adenin (A), timin (T), citozin (C) i guanin (G)

➢ četvoroslovna azbuka DNK

➢ Ljudski genom:

➢ odvojena 23 para hromozoma

➢ 130 miliona baznih parova po dužini

➢ ukupno oko 3 milijarde baznih parova

➢ Geni koji čine šablon za protein su obično dugi 27.000

baznih parova, ali se samo oko 1.000 koriste, dok su ostali

ekstra ispuna baze.

DNK čip

(GeneChip)

• Mikroniz sadrži sve gene (približno 40.000)

u celom ljudskom genomu (kompletan

genetski kod).

• Svaki poznati gen ili "sonda" zauzima

posebno "mesto" na čipu; različite nivoe

fluorescentnih aktivnosti pokazuju

promenljive nivoe gena aktivnosti u uveden

genetski materijal.

• Uvođenjem ovih uzoraka ili "mete" možemo

odrediti koji geni su najaktivniji za osobine,

imunitet ili bilo kog naslednog stanja

uključujući i bolesti.

Dvostruko

uvrnuti lanac u

jedrima svih

ćelija

Svaki nukleotid ima dva kraja, označenih sa 3' i 5', što

odgovara hidroksilnoj i fosfatnoj grupi koje su vezane

za 3' i 5' pozicije atoma ugljenika u kičmi molekula

šećera kao što se može videti na slici 3 na narednoj

strani. U dugom DNK lancu, 3' kraj jednog

nukleotida povezuje 5' kraj sledećeg nukleotida. Ovo

u suštini daje usmerenja na DNK lancu.

Geni i mRNK u proizvodnji

proteina

• Gen je region DNK koji kontroliše diskretne nasledne

karakteristike, obično odgovara jednom mRNK koja nosi

informacije potrebne za izgradnju protein. Neverovatno je da

samo 3% DNK sadrži gene, ostalo je neaktivno.

• mRNK (“Messenger” Ribonucleic Acid) su kopije genetskog

materijala DNK lanca i transportuje se formirajući jezgro do

citoplazmi gde amino kiseline pretvaraju u proteine.

DNK i mRNK

Primena DNK principa na čipu

– Čipovi su dizajnirani da "nastave" ili dekodiraju genetske

lance, ili da pronađu genetske parove.

– Hibridizacija

– Niz pruža sredstvo za uparivanje poznatih i nepoznatih

DNK uzoraka na osnovu pravila baznog uparivanja

(hibridizacije). Dva lanca u osnovi kombinuju se

automatski ako je došlo

do tačnog podudaranja.

Ilustracija upotrebe DNK hibridizacije niza

Ilustracija GeneChip procesa fabrikacije

Budućnost DNK čipa

Micro scale array Nano scale array

Today Tomorrow

There will be a resolution problem

3 μm 3 μm

NIZOVI

MIKROELEKTRODA

MIKROELEKTRODE

Isporuka lekova MEMS-om

Mikro/Nano roboti u medicini

Bionička ruka

Elektrode su izuzetno korisne u otkrivanju bioloških i

elektrohemijskih potencijala.

U medicini, elektrode se obično koriste za merenje

bioelektričnih signala generisanih od strane mišićnih

ili nervnih ćelija.

Mikroelektrode

Mikroelektrode

Isporuka lekova MEMS-om

• Posle skoro decenije rada na MEMS-ovima za medicinske

implante,kompanija MicroChips, ima prototipove za prve

komercijalne proizvode.

• Prvi proizvod, uređaj za automatsku isporuku leka anti-osteoporoze,

može omogućiti pacijentima da zamene 500 dnevnih injekcija sa

jednim postupkom ambulantnog implanta.Senzor glukoze,

kontinuiranim praćenjem nivoa glukoze, mogo bi otkriti skok šećera u

krvi koji idu neprimećeno korišćenjem konvencionalnih senzora.

Takvi skokovi, ako se ne leči, mogu doprineti oštećenju organa,

uključujući i slepilo.

Ovi milimetarski

rezervoari, izrezani od

silikona, mogu se koristi

za skladištenje lekove u

novim implantiranim

uređajima za pametne

isporuke lekova.

MEMS tehnologija je omogućila :

- Senzore glukoze,

- Način za isporuku leka za osteoporozu

- rano upozorenje od srčanih napada i moždanih udara....

• MEMS omogucava integraciju stotina mikroigli na jednom

komadu povrsine reda velicine jednog kvadratnog centimetra.

• One se nanose na kozu I lek se telu dostavlja pomocu mikropumpi,

koje se mogu kontrolisati tako da u odredjenim vremenskim

intervalima daju odredjenu kolicinu leka.

• Mikroigle su premale da bi stigle do nervnih zavrsetaka, a samim

tim I da izazovu bol u telu.

MEMS mikroigle

• MEMS uredjaj koji se implantira u ljudskom telu.

• Sastoji se od:

– Biosenzora

– Baterije

– Kontrolnog kola

– Rezervoara sa lekom

Biosenzori mere nivo supstance u ljudskom telu, recimo insulin, kada

kolicina insulina padne ispod odredjenog nivoa, pilula se aktivira I

oslobadja lek.

“Smart Pill”

Mikro/Nano roboti u medicini

Masti deponovane na zidovima arterija izazivaju blokadu

arterija, one se uklanjaju primenom nano sečiva.

• To su mikro/nano uređaji sposobni za lečenje i

eliminisanje zdravstvenih problema.

• Takvi problemi mogu nastati usled akumulcije

neželjenih organskih materija, koje ometaju

normalne telesne funkcije, kao sto su:

– Tumori

– Arterijska blokada

– Unutrasnja infekcija

Mikro/Nano roboti na polju

medicine

• Veličina robota treba da bude manja od

prečnika krvnih sudova.

• Robot ne bi trebalo da ošteti zidove krvnih

sudova pri prolasku kroz iste.

• Robot može da se uvede u telo preko

cirkularnog sistema organizma

• Femoralna arterija je najpogodnija za uvođenje

robota jer je velikog prečnika.

Uslovi koje robot mora da ispuni pre

uvođenja u telo pacijenta

Grafički prikaz nanorobota koji radi u krvnom sudu, uklanja kancerogenu ćeliju

MEMS i nanotehnologija u preciznoj

hirurgiji

• Šta je endoskopija?

• Dijagnostička procedura koja podrazumeva uvođenje

fleksibilnog uređaja u donji ili gornji deo crevnog trakta za

dijagnostičke ili terapeutske svrhe.

• Konvencionalni endoskopi:

• Pacijent mora biti pod sedativom

• Vrlo neprijatna procedura

MEMS i endoskopija

Novo viđenje endoskopije pomoću

MEMS uređaja “Lab on a Pill”Veličina: 35mm

Komponente od kojih se sastoji:

Digitalna kamera u CMOS

tehnologiji

Izvor svetlosti

Baterija

Radio transmiter

Senzori

Prednosti:

Nije potreban sedativ

Može pomoći u ranom otkrivanju

raka

• Pilula se guta kao i svaka druga pilula.

• Kada je u telu, senzori prikupljaju uzorke tečnosti

kao i sve druge značajne podatke, kao što su

temperatura, nivo kiseonika , pH…

• Od pilule se očekuje da u roku od dvanaest sati

pošalje sve važne podatke bežičnim butem na

prijemnik koji je prikačen na zglob pacijenta.

• Pilula je za jednokratnu upotrebu.

Kako radi ova magična pilula?

• Današnji hirurzi rade u okviru domena

ograničenja pokretljivosti i kontrole

hirurških alata koji su im pri ruci.

• MEMS hirurški alati obezbeđuju mnogo

veću fleksibilnost i tačnost za obavljanje

preciznih operacija.

Mikro-hirurški alati

• Precizna kontrola skalpelom je vazan zahtev u hirurgiji.

• MEMS piezoelektricni motori pomažu u boljem

pozicioniranju skalpela.

• Senzori pritiska ugrađeni na skalpel mogu da pomognu da

se izmeri sila kojom se deluje na području operacije,

shodno tome skalpelom se može lakše rukovati.

MEMS hirurški skalpeli

Bionička ruka

Mašina koja se kontroliše mislima

Bionička ruka

Prva osoba na svetu koja je uprkos amputaciji uspela da oseti bogate senzorijalne

informacije putem proteze koja je bila povezana sa nervima u nadlaktici, bio je Denis

Abo Sorensen iz Danske.