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.