刘杨生物医疗工程领域的微系统技术与应用.doc

生物医疗工程领域的微系统技术与应用 刘杨1103409048 上海交通大学微纳科学技术研究院 摘要 生物微机电系统（BioMEMS）集微传感器、微驱动器、微流体系统、微光学系统及微机械元件于一体，广泛应用于生物学、医学和生物医学工程等领域，是一个新的交叉学科。本文概述了BioMEMS的研究内容和发展方向，给出了BioMEMS的一些研究成果。 关键词 生物微机电系统；生物芯片；生物传感器 Micro-system Technology and Application of Biomedical engineering LIU Yang （Research Institute of Micro/Nano Science and Technology) Abstract Biomedical microsystems(BioMEMS)integrate microscale sensors,actuators,mincrofluidics,micro-optics,and structural element,which have been applied in many areas of biology,medicine,and biomedical engineering.BioMEMS is a new research field.This paper presents an introductory overview of the technology and the development of BioMEMS.Some representative examples of BioMEMS are presented Key words BioMEMS; biochip ; biosensor 引言 近年来,科学家们在微机电系统(MEMS)、纳米技术和分子生物学领域取得了无可争议的进步和突破，将这些技术结合起来形成功能更强大的分析系统成为目前人们科学探索的目标。生物MEMS（BioMEMS）将MEMS技术应用在生物、医学领域，研究适合于生物领域的微器件和微制造系统，是最具吸引力的。特别是在寻找新基因、DNA测序、疾病诊断、药物筛选等方面，是最有应用前途的研究方向。 BioMEMS的研究内容主要包括在生物体外进行生物医学诊断的微系统和在生物体内进行生物医学治疗的微系统。微机械制造技术使BioMEMS具有微米量级的特征尺寸，得以实现器件和系统的微型化，使生物医学的诊断和治疗可以快速、自动化、高通量、较少损伤的完成。BioMEMS技术批量生产能力更极大地降低了生物医学诊断和治疗的成本，因此BioMEMS技术已成为21世纪科学研究和商品化的主要研究目标。 1 生物体外微系统 生物体外BioMEMS研究是在生物体外进行生物医学诊断和治疗的微系统，研究主要包括生物芯片、生物传感器及相关微流体系统，是一个较广的研究领域，其中最具代表性的是生物芯片技术。该技术一经问世，就受到人们的广泛关注，是DNA测序、疾病诊断、药物开发等不可缺少的工具。 1.1 生物芯片技术 生物芯片主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，具有分析速度快、分析自动化、微型化、极高的样品并行处理能力和生产成本低等优点。生物芯片主要分为两大类：阵列芯片和芯片实验室，阵列型芯片又包括基因芯片、蛋白芯片、组织芯片、细胞芯片等。基因芯片是生物芯片技术中发展最成熟和最先实现商品化的产品，它是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。通过聚合酶链式反应（PCR)，将DNA分子扩增成千上万倍，通过荧光染色技术和芯片扫描系统，采集各反应点的荧光强弱和荧光位置，经相关软件分析图像，即可以获得有关生物信息。 蛋白质是一切生命活动的基础，受基因表达的调控，因而以检测样品中的mRNA为基础的蛋白芯片是当今研究中倍受关注的研究手段。蛋白芯片是检测蛋白质之间相互作用的芯片，主要基于抗原抗体特异性反应的原理，将多种蛋白质结合在固相基质上，检测疾病发生，发展过程中所分泌的一些具有特异性的蛋白成分，蛋白芯片是直接从体液中检测特定蛋白质分子标志物。蛋白生物芯片可分为两种，一种被称为“捕获式蛋白芯片”另一种被称为“交互式蛋白芯片”。第一代的蛋白芯片和DNA芯片一样是作为一种定性分析的工具，可用于分析样品之间相关蛋白的相对表达丰度；还可以作为DNA芯片的补充,用于研究蛋白和基因表达之间的关系。未来将主要被应用于疾病诊断和药物开发等领域。 组织芯片和细胞芯片技术是近年来基因芯片（DNA芯片）技术的发展和延伸。它们将整个细胞或组织样本布置在载体表面，通过辨认与细胞或组织特异性成键配体，对某一个或多个特定