BioMEMS的原理、结构及应用

文章来源：芯云知

原文作者：Crane

BioMEMS，一般指生物微机电系统，是一种融合微电子技术与生物医学原理的交叉学科领域。它涉及微型器件的设计、制造和应用，用于生物医学研究和临床实践中的诊断、治疗和监测。BioMEMS的核心在于利用微纳米加工技术，将微型传感器、执行器和系统集成到生物体系中，以实现对生物体内部和周围环境的监测、调控和干预。

BioMEMS的原理

目前，大部分BioMEMS应用于检测或者动态监测，其按照原理可以分为两大类，一类是基于物理的传感器，主要捕捉一些物理参数，例如，温度、动作、呼吸速率等等。另一类是基于化学的传感器，主要利用人工设计的分子与体内的识别物进行反应，从而产生化学物质、热、光、声信号或者引起该信号的变化，将生物体内的信号转化为可以测量的信号，其大致原理下图所示。

BioMEMS的结构

常规BioMEMS通常由以下结构组成：

生物识别单元：用于负载或修饰可以与目标检测分子发生特异性反应的分子，通过反应产生光、热、化学、电的信号；

信号转换器：收集生物识别单元产生的信号，例如，电化学类基本为电极，光学类为紫外或者荧光测试仪；

信号处理器：针对信号产生的大小，分析得到待检测物的浓度。

BioMEMS的应用

3.1 体外检测

体外传感通常采用取血来提取待分析的检测物，手指血糖计是一种常见的BioMEMS，其原理是通过在测试条上的生物化学反应，将血液中的葡萄糖与特定的酶（如葡萄糖氧化酶）反应生成电化学信号。这些信号被读取器检测，并转换成数字读数，显示出血糖浓度。

3.2 Biochip（生物芯片）

Biochip，是一种微型化的生物实验平台，通过在微小芯片上集成生物分析、检测和反应器件，实现对生物样本进行高效、高通量的分析和操作。BioChip在医学诊断、生物学研究和药物开发等领域具有重要意义，可以提高实验效率、降低成本，并且有望实现个性化医疗和定制化治疗。其通常利用微流控技术将各个特异性检测的反应室区分开来，可以实现多通道的检测。

3.3 柔性电极监测汗液中的电解质、葡萄糖等

该类传感器通过在柔性衬底上制作电极，然后再通过各类酶的负载，可以实现多通道的监测。由于柔性电极可以与皮肤紧密贴合，被认为是人类未来日常监测身体情况的必然需求。但是该类电极目前市场应用规模还比较小，原因在于汗液中各种标记物的浓度相对较低。

3.4 侵入式/植入式监测葡萄糖、血压等

目前，侵入式动态监测血糖仪可以分为两类，一类是通过将传感区域固定于柔性针上，实现动态监测；另一类则是通过微针先提取真皮层下的间质液，然后再通过外部的传感部分和信号处理部分进行分析。

植入式传感器是通过将压力传感器封装后植入到人体中，动态监测血压的变化，从而对心脏的状态实现动态的监测。其结构为压力传感器封装于生物相容材料中，但是目前由于该类系统存在能耗以及需要手术植入的问题，应用成本较大。

随着生物MEMS技术的不断发展，其应用领域将进一步拓展。未来，我们可以预见生物MEMS技术在个性化医疗、组织工程和健康监测方面的广泛应用。随着生物MEMS器件的功能不断强化和微型化程度的提高，其在医学诊断、药物研发和疾病治疗中的作用将日益凸显。生物MEMS将成为医学领域的重要驱动力，为人类健康带来更加美好的未来。