سنسورها یا حسگرهای بیولوژیکی

در سالهای اخیر کاربردهای زیست فناوری و پزشکی فناوری میکرو ونانو که معمولا از آن به عنوان سیستم های میکروی الکتریکی مکانیکی پزشکی یا زیست فناوری BioMEM ۱ نام برده می شود به صورت فزاینده ای رایج شده است

در سالهای اخیر کاربردهای زیست‌ فناوری و پزشکی فناوری میکرو ونانو (که معمولا از آن به عنوان سیستم‌های میکروی الکتریکی مکانیکی پزشکی یا زیست‌ فناوری‎(BioMEM) ۱‏ نام برده می‌شود) به‌صورت فزاینده‌ای رایج شده است و کاربردهای وسیعی همچون تشخیص و درمان بیماری و مهندسی بافت پیدا کرده است. در حین این که تحقیقات و گسترش فعالیت در این زمینه هم چنان به قوت خود باقی است، بعضی از این کاربردها تجاری هم می‌شود. در مورد خود سنسور مقالات زیادی در همین تالار گفتگو میکرورایانه وجو.د دارد علاقمندان به تالارهای سخت افزار و الکترونیک و همچنین تالار رباتیک مراجعه کنند. در این مقاله پیشرفت‌های اخیر در این زمینه را مرور کرده و خلاصه‌ای از جدیدترین مطالب در حوزه ‏BioMEM ‎‏ را با تمرکز روی تشخیص و حسگرها ارائه می‌شود.‏

● بیوسنسور‌ها

در کاربردهای بسیاری در پزشکی، تحلیل محیطی و صنایع شیمیائی نیاز به روشهایی جهت حس کردن مولکولهای زیستی کوچک وجود دارد. حس‌های بویایی و چشایی ما دقیقا همین کار را انجام می‌دهد و سیستم ایمنی بدن میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسائی می‌کند. شناسائی مولکولهای کوچک تخصص بیومولکولها است، لذا اینها شیوه جدید و جذابی برای ساخت سنسورهای خاص را پیش رو قرار می‌دهد. دو مولفه اساسی در این راستا وجود دارد. المان شناساگر و روش‌هایی برای فراخوانی زمانی که المان شناساگر هدف خودش را پیدا می‌کند. اغلب المان شناساگر تحت تاثیر منبع زیست‌ فناوری تغییر نمی کند. مشکل اصلی در این کار طراحی یک واسطه مناسب به یک وسیله بازخوانی بزرگ است.

از آنتی بادی‌ها به صورت گسترده به عنوان بیوسنسور استفاده می‌شود. آنتی بادی‌ها بیوسنسورهای پیشتاز در طبیعت است، به همین دلیل توسعه تستهای تشخیصی با استفاده از آنتی بادیها، یکی از زمینه‌های بسیار موفق در بیوفناوری است. شاید آشناترین مثال تست ساده‌ای است که برای تعیین گروه خونی استفاده می‌شود.

بوسنسورهای گلوکز از موفق ترین بیوسنسورهای موجود در بازار است. بیماران مبتلا به دیابت نیاز به شیوه‌های مرسوم جهت پایش سطح گلوکز خود دارد. سنسورهای قابل کاشت و غیر تهاجمی در حال توسعه است، اما در حال حاضر در دسترس‌ترین شیوه بیوسنسور دستی است که یک قطره از خون را تحلیل می‌کند.

● تعریف ‏BioMEM

از زمان آغاز سیستم‌های ‏MEM‏ در اوایل دهه ۱۹۷۰، اهمیت کاربردهای پزشکی این سیستم‌های مینیاتوری درک شد. ‏BioMEM‏‌ها در حال حاضر یک موضوع بسیار مهم است که تحقیقات بسیاری در زمینه آن انجام شده است و کاربردهای پزشکی مهم بسیاری دارد. در حالت کلی می‌توان ‏BioMEM‏‌ها را به عنوان "دستگاه‌ها ( وسایل) یا سیستم‌هایی ساخته شده با روش‌‌های الهام گرفته شده از ساخت در ابعاد میکرو /نانو، که برای پردازش، تحویل ۲، دستکاری۳، تحلیل یا ساخت ذرات ۴ شیمیائی و بیولوژیک استفاده می‌شود"، تعریف کرد. این وسایل و سیستم‌ها همه واسطه‌های علوم زندگی و ضوابط پزشکی با سیستم‌های با ابعاد میکرو و نانو را شامل می‌شود. حوزه‌های تحقیقات و کاربردها در ‏BioMEM‏ از تشخیص بیماری‌ها مانند میکرو آرایه‌های پروتئینی و‏DNA، تا مواد جدیدی برای ‏BioMEM، مهندسی بافت، تغییر و اصلاح۵ سطح، ‏BioMEM‏‌های قابل کاشت، سیستم‌هائی برای رهایش دارو و.... را شامل می‌شوند. وسایل و سیستم‌های فشرده‌ایی که از ‏BioMEM‏‌ها استفاده می‌کنند، به عنوان "آزمایشگاه روی یک چیپ"۶ و سیستم‌های تحلیل تمام میکرو‏TAS ) ‎‏ ‏‎µ‎‏ یا ‏‎(micro-TAS ‎‏ ۷ نیز شناخته می‌شود.

● اصول مورد استفاده

BioMEM ‏ و وسایل مربوط می‌تواند با سه دسته از مواد ساخته شود که می‌توان آنها را به‌صورت زیر طبقه‌بندی کرد:

▪ میکرو الکترونیک و MEM‏‌ها، ‏

▪ مواد پلاستیکی و پلیمری مانند Poly dimethylsiloxane (PDMS)‎‏ و ... و ‏

▪ مواد و ذرات بیولوژیک مانند پروتئین‌ها، سلولها و بافتها، ... .‏

روی مواد گروه اول به صورت گسترده هم از دیدگاه تحقیقاتی و هم از نقطه نظر کاربرد گزارش داده شده است و به صورت متداول و رایج در وسایل و دستگاهها و ‏MEM‏‌ها استفاده قرار گرفته است. پردازش سیگنالهای ‏BioMEM‏ با استفاده از روش‌های پلیمری و لیتوگرافی نرم ۸ به خاطر سازگار پذیری زیستی زیاد و ساخت آسان ، کم هزینه و پیش نمونه سازی سریع۹ که در مورد مواد لاستیکی موجود است، بسیار جذاب است. استفاده از این مواد برای کاربردهای عملی به صورت مداوم در حال افزایش است. مواد مربوط به گروه سوم تقریبا بررسی نشده است. اما امکانات جدید و جالب بسیاری را ارائه می‌کند و مرز۱۰جدیدی میان ‏BioMEM‏ و بیو نانو فناوری به وجود خواهد آورد. برای مثال در مهندسی بافت و سلول که از فناوری میکرو و نانو الهام گرفته شده است و نیز برای توسعه ابزار و وسایلی برای فهم اعمال و توابع سلولها و بیولوژی سیستم‌ها، استفاده از روش‌‌های ساخت میکرو و نانو برای سنتز و ساخت مستقیم ساختار‌های زیست‌ فناوری مانند اندام مصنوعی و وسایل هیبرید۱۱، طیف وسیعی از امکانات و فرصت‌ها را ارائه می‌کند. کاربردهایی مانند توسعه آرایه‌های بر پایه سلول ۱۲، مهندسی بافت و توسعه اندام‌های مصنوعی با استفاده از روش‌های ساخت در ابعاد میکرو ونانو، تنها شماری از امکانات بسیار وسیع و مهیج آن است.‏

● BioMEM‏ و کاربردهای تشخیصی

تشخیص بزرگترین و کار شده‌ترین حوزه در ‏BioMEM‏ را تشکیل می‌دهد. تعداد زیاد و فزاینده ای از وسایل ‏BioMEM‏ برای کاربردهای تشخیصی توسعه یافته است و در طی چند سال اخیر به وسیله گروههای زیادی در مقالات ارائه شده است. روش‌‌های طراحی و ساخت این دستگاهها و نیز حوزه‌های کاربردی آنها به صورت قابل ملاحظه ای متفاوت است. به ‏BioMEM‏ برای کاربردهای تشخیصی گاهی ‏Biochip‏ هم گفته می‌شود. این دستگاهها برای تشخیص سلولها، میکرو ارگانیزمها، ویروس‌ها، پروتئین‌ها،DNA‏ و اسید نوکلئیک‌های مربوطه و مولکول‌های کوچک که از نظر بیوشیمیائی مهم است، استفاده می‌شود.

نویسنده: مهندس فاطمه یاوری‏