論生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與微電子的結(jié)合

1、論生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與微電子的結(jié)合摘要:微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著密切不可分的關(guān)系。 一方面, 微電子技術(shù)的發(fā)展為 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了更加廣闊的視角與平臺; 另一方面, 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的發(fā)展也對微電 子技術(shù)的發(fā)展起著巨大的促進(jìn)作用。 生物醫(yī)學(xué)與微電子學(xué)相結(jié)合作用的重要發(fā)展領(lǐng)域有以下 幾個:生物醫(yī)學(xué)傳感器,神經(jīng)電極,植入式電子系統(tǒng),監(jiān)護(hù)技術(shù),生物芯片,仿生系統(tǒng)等。 以下文章著重介紹這些領(lǐng)域中的生物醫(yī)學(xué)傳感器,植入式電子系統(tǒng),監(jiān)護(hù)技術(shù)與生物芯片。 關(guān)鍵詞:生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,微電子技術(shù),生物醫(yī)學(xué)傳感器,植入式電子系統(tǒng),生物芯片。 引言:眾所周知微電子學(xué)是研究在固體(主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成的微小型化電路、電

2、路 及微電子系統(tǒng)的電子學(xué)分支。作為電子學(xué)的分支學(xué)科,它主要研究電子或離子在固體材 料中的運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用,并利用它實(shí)現(xiàn)信號處理功能的科學(xué),以實(shí)現(xiàn)電路的系統(tǒng)和集 成為目的,實(shí)用性強(qiáng)。微電子學(xué)又是信息領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科,在 這 一 領(lǐng) 域 上 ,微電 子學(xué)是研究并 實(shí) 現(xiàn) 信 息 獲 取 、 傳 輸 、 存 儲 、 處 理 和 輸 出 的 科 學(xué) , 是 研 究 信 息 獲 取 的 科 學(xué) , 構(gòu) 成 了 信 息 科 學(xué)的基石, 其發(fā)展直接影響著整個信息技術(shù)的發(fā)展。 微電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)規(guī) 模是一個國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志。微電子學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科,其中包括 了半導(dǎo)體器件物理、集

3、成電路工藝和集成電路及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測試等多方面的內(nèi)容,涉 及了固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、材料科學(xué)、信號處理、計(jì)算機(jī)輔助 設(shè)計(jì)、測試和加工、圖論、化學(xué)等多個領(lǐng)域。所以,微電子學(xué)一定會改造農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服 務(wù)部門的 許多傳 統(tǒng)活動 ,并 且,由于 它把腦力和記憶力以及體力結(jié)合進(jìn)新的機(jī)器及系統(tǒng),會改變發(fā)展的性質(zhì)和方向。第一次 工業(yè)革命大大增強(qiáng)了生產(chǎn)活動中人力和畜力的弱小的體力;第二次工業(yè)革命會把人的智 力擴(kuò)大到我們現(xiàn)在簡直不能想象的程度。確實(shí),微電子學(xué)通過微型化、自動化、計(jì)算機(jī) 化和機(jī)器人化,正 從 根 本 上 改 變 我 們 的 生 活 , 并 沖 擊 著 生 活 的 許 多 方 面

4、 :勞 動 、 家 庭 、 政 治 、 科 學(xué) 、 戰(zhàn) 爭 與 和平。難怪有人預(yù)言,未來的社會是“用導(dǎo)線連接起來的社會” 。作 為 信 息 技 術(shù) 的 堅(jiān) 實(shí) 基 礎(chǔ) , 它推動了計(jì)算機(jī)、 通信和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代。 在過去的幾十年中, 以半導(dǎo)體為代表的電子科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展將世界帶進(jìn)了信息社會,徹底改變了人類的 生活方式和思維模式。不僅如此,它還可以與其他學(xué)科結(jié)合而誕生出一系列新的交叉學(xué)科,他與生物科學(xué) 結(jié)合誕生了生物芯片,生物傳感器等等,這些都是近年來發(fā)展起來的具有極其廣闊應(yīng)用 前景的新技術(shù)。一.生物傳感器生物醫(yī)學(xué)傳感器的作用是把生物體和人體中包含的生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和

5、成分等 生 理 信 息 (包 括 物 理 量 、 化 學(xué) 量 、 生 物 量 等 轉(zhuǎn) 化 為 與 之 有 確 定 函 數(shù) 關(guān) 系 的 電 信 息 。 生 物 醫(yī)學(xué)傳 感器是生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)中最關(guān)鍵的技術(shù), 它是連接生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)的橋梁。 主要可分為 如下幾類:電阻式傳感器,電容式傳感器,電感式傳感器,壓電式傳感器,光電傳感器, 熱電式傳感器,光線傳感器,電化學(xué)傳感器以及生物傳感器等。它 通 過 各 種 化 學(xué) 、物 理信號轉(zhuǎn)換器捕捉目標(biāo)物與敏感膜之間的反應(yīng),然后將反應(yīng)程度用連續(xù)的電信號表達(dá)出 來,從而得出被檢測樣品的濃度。生物醫(yī)學(xué)傳感器的微型化和集成化是其中最重要的發(fā) 展方向之一,其主要原因:

6、1它是實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備微型化、集成化的基礎(chǔ);2將使得生物醫(yī)學(xué)測量和控制更加精確達(dá)到分子和原子水平。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,生物醫(yī)學(xué)傳感器在微型化和集成化方面取得了很大進(jìn) 展。目前最值得關(guān)注的發(fā)展方向大致概括如下:1以無機(jī)物為材料的生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究,它充分利用已有的微電子和微加工技術(shù); 2利用無機(jī)物與有機(jī)物相結(jié)合的生物醫(yī) 學(xué)傳感器, 它充分汲取了有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn), 比如基于神經(jīng)細(xì)胞的生物傳感器, 酶傳感器; 3 多傳感器的集成技術(shù),融合和智能化技術(shù); 4一些新的前沿微電子技術(shù)應(yīng)用,比如納米 技術(shù)與微電子機(jī)械技術(shù)應(yīng)用于生物傳感器。對于生物芯片和生物醫(yī)學(xué)傳感器方面的應(yīng)用也有很多成功的案例。比如,意

7、法半導(dǎo)體公司 (ST與瑞士的 Sensimed AG 公司聯(lián)手開發(fā)了一款名為 Triggerfish 的智能隱形眼鏡。這種隱形眼鏡可以測量、監(jiān)測和控制病人的眼壓水平,從而及時發(fā)現(xiàn) 青光眼的早期癥狀。它可以 24小時測量眼壓,然后向主治醫(yī)生提供記錄。這種壓力傳感 器是由意法半導(dǎo)體開發(fā)的一種 MEMS 應(yīng)變計(jì), 采用柔性基板制造測量的對象是與眼壓讀數(shù) 直接相關(guān)的角鞏膜連接處的圓周波動,然后該信息通過無線通信從記錄器傳送出去。有 了可以簡單方便、更加精確地檢測青光眼疾病的測試,需要看眼科醫(yī)生才能進(jìn)行麻煩的 青光眼測試很快就會成為歷史。阿拉巴馬大學(xué)航空和機(jī)械工程學(xué)教授 E n i k o E n o

8、k o v 設(shè)計(jì)的一種簡單易用的自我測試探 頭只需要病人在自己家里輕輕地摩擦眼瞼就可以檢測是否患有青光眼了。另一個比較有 意思的 MEMS 傳感器是飛思卡爾半導(dǎo)體 (Freescale的 MPL115A 數(shù)字 MEMS 氣壓計(jì)。這款獲得 專利的器件本質(zhì)上是通過確定海拔 (即海拔越高,所需要的氧氣越多,反之亦然 來節(jié)省 呼吸機(jī)系統(tǒng)中的氧氣和能量。 它采用差分壓力測量, 可以用作進(jìn)行負(fù)壓傷口治療的智能繃 帶。二.植入式電子系統(tǒng)植入式電子系統(tǒng)是一種埋置在生物體內(nèi)的電子設(shè)備, 主要用于測量生物體內(nèi)生理參數(shù) 的長期變化,或用來診斷治療一些疾病,也可用于代替功能缺損的生物器官。隨著低功率、高可靠性集成電路

9、的發(fā)展,能源供給方式的多樣化,無毒性、生物相容 性等生物材料的深入研究以及顯微外科手術(shù)水平的不斷提高, 使得植入式電子系統(tǒng)得到飛 速發(fā)展。該系統(tǒng)主要包括:各種植入式測量系統(tǒng),植入式刺激器,植入式藥療裝置,植入式人 工器官及輔助裝置等。植入式電子系統(tǒng)核心技術(shù)是大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)。 植入式電子系統(tǒng)包含了控制 盒測量兩大部分。植入式電子系統(tǒng)在微電子技術(shù)方面的關(guān)鍵熱點(diǎn)技術(shù)主要有:1植入式天線的設(shè)計(jì)技 術(shù); 2低功耗植入式集成電路設(shè)計(jì)技術(shù); 3 RF 射頻電路的設(shè)計(jì)技術(shù); 4植入式系統(tǒng)的 能源供給技術(shù); 5集成電路中微弱信號的提取技術(shù); 6前沿?cái)?shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用; 7傳感器技術(shù)與神經(jīng)電極技術(shù);

10、 8植入式系統(tǒng)的制作與封裝技術(shù)。植入式電子系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢大致分為兩個階段, 第一階段是現(xiàn)有的已較為成熟的 半導(dǎo)體技術(shù)為主,結(jié)合最新的前沿技術(shù),比如納米技術(shù)、微電子機(jī)械技術(shù)等;第二階段是 以納米技術(shù)和分子電子學(xué)為主,實(shí)現(xiàn)以有機(jī)分子和生物分子作為電子元器件。具體表現(xiàn)在 以下五個方面:1高度微型化,高精度,高可靠性的發(fā)展; 2生物醫(yī)學(xué)信號處理; 3閉環(huán)系統(tǒng)的 研究; 4能量供給的技術(shù); 5微傳感器與神經(jīng)電極技術(shù)。三.生物芯片生物芯片(biochip 是指采用光導(dǎo)原位合成或微量點(diǎn)樣等方法,將大量生物大分子比 如核酸片段、 多肽分子甚至組織切片、 細(xì)胞等等生物樣品有序地固化于支持物的表面, 組成 密

11、集二維 分子 排列, 然后與已標(biāo)記的待測生物樣品中靶分子雜交, 通過特定的儀器對雜交信 號的強(qiáng)度進(jìn)行快速、 并行、高效地檢測分析, 從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量。由于常用硅片 作為固相支持物,且在制備過程模擬計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù),所以稱之為生物芯片技術(shù)。自從 1996年美國 Affymetrix 公司成功的制作出世界上首批用于藥物篩選和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 用的生物芯片, 并制作出芯片系統(tǒng), 此后世界各國在芯片研究方面突飛猛進(jìn), 不斷有新的突 破。美國的 Hyseq 公司、 Syntexi 公司、 Nanogen 公司、 Incyte 公司及日本、歐洲各國都積 極開展 DNA 芯片研究工作; 摩托羅拉、

12、惠普、 IBM 等跨國公司也相繼投以巨資開展芯片研究。 1998年 12月 Affymefrix 公司和 Molecular Dynamics公司宣布成立基因分析協(xié)會(genetic analysis technology consortium以制定一個統(tǒng)一的技術(shù)平臺生產(chǎn)更有效而價廉的設(shè)備, 與此相呼應(yīng), 英國的 Amershcem?Pharmacia?Biotechnology 公司也在同一天宣布將提供部分 掌握的技術(shù)以推動這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。 美國芯片技術(shù)召開了兩次會議, 克林頓總統(tǒng)在會上高度 贊賞和肯定該技術(shù),將芯片基因技術(shù)看作是保證一定橫健康的指南針。預(yù)計(jì)在今后 5年內(nèi)生 物芯片銷售可達(dá)

13、200300億美元; 據(jù)預(yù)測, 在 21世紀(jì), 生物芯片對人類的影響將可能超過微 電子芯片。我國在生物芯片研究方面剛剛起步, 1998年 10月, 中科院將基因芯片列為“九五” 特別 支持項(xiàng)目,利用中科院在微電子技術(shù)、生化技術(shù)、物理檢測技術(shù)方面的優(yōu)勢,組織跨所、跨 學(xué)科合作。在微陣列芯片和基于 MEBS 的芯片方面有大突破,在 DNA 芯片設(shè)計(jì)、基本修飾、 探針固定、 樣品標(biāo)記、 雜交和檢測等方面的技術(shù)有較大進(jìn)展, 已研制出肝癌基因差異表達(dá)芯 片、 乙肝病毒多態(tài)性檢測芯片、 多種惡性腫瘤病毒基因芯片等有一定實(shí)用意義的基因芯片和 DNA 芯片檢測儀樣機(jī)。中科院上海冶金所等開發(fā)重大傳染性疾病的診斷

14、芯片及檢測設(shè)備,如 HBV 、 HCV 、 TB 三種基因診斷芯片。上海細(xì)胞所正在進(jìn)行人類全套基因組的 c?DNA 陣列和微 陣列制備,為我國科研所和開發(fā)提供了一個技術(shù)平臺,并使之產(chǎn)業(yè)化。同時,清華、復(fù)旦、 東南大學(xué)、 北京軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、 華東理工大學(xué)、 第一軍醫(yī)大學(xué)等單位都在積極進(jìn)行芯片研 究,現(xiàn)已有部分產(chǎn)品問世。原定于 2005年竣工的人類 30億堿基序列的測定工作(Human Genome Project ,基因組計(jì) 劃 由于高效測序儀的引入和商業(yè)機(jī)構(gòu)的介入已經(jīng)完成。 怎樣利用該計(jì)劃所揭示的大量遺傳 信息去探明人類眾多疾病的起因和發(fā)病機(jī)理, 并為其診斷、 治療及易感性研究提供有力的工

15、具, 則是繼人類基因組計(jì)劃完成后生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)又一重大課題。 現(xiàn)在, 以功能研究為核心 的后基因組計(jì)劃已經(jīng)悄然走來, 為此, 研究人員必需設(shè)計(jì)和利用更為高效的硬軟件技術(shù)來對 如此龐大的基因組及蛋白質(zhì)組信息進(jìn)行加工和研究。 建立新型、 高效、 快速的檢測和分析技 術(shù)就勢在必行了。 這些高效的分析與測定技術(shù)已有多種, 如 DNA 質(zhì)譜分析法, 熒光單分子分 析法, 雜交分析等。 其中以生物芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的許多新型分析技術(shù)發(fā)展最快也最具發(fā)展?jié)?力。早在 1988年, Bains 等人就將短的 DNA 片段固定到支持物上,以反向雜交的方式進(jìn)行序 列測定。當(dāng)今,隨著生命科學(xué)與眾多相關(guān)學(xué)科(如計(jì)算機(jī)科學(xué)、

16、材料科學(xué)、微加工技術(shù)、有 機(jī)合成技術(shù)等 的迅猛發(fā)展, 為生物芯片的實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)踐上的可能性。 生物芯片的設(shè)想最 早起始于 80年代中期, 90年代美國 Affymetrix 公司實(shí)現(xiàn)了 DNA 探針分子的高密度集成,即 將特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一塊玻璃、 硅等固體片基上, 作為核 酸信息的載體, 通過與樣品的雜交反應(yīng)獲取其核酸序列信息。 生物芯片由于采用了微電子學(xué) 的并行處理和高密度集成的概念,因此具有高效、高信息量等突出優(yōu)點(diǎn)。對來源于不同個體(正常人與患者 、不同組織、不同細(xì)胞周期、不同發(fā)育階段、不同 分化階段、不同病變、不同刺激(包括不同誘導(dǎo)、不同治療階段下的細(xì)胞內(nèi)

17、的 mRNA 或逆 轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生的 cDNA 與表達(dá)譜基因芯片進(jìn)行雜交,可以對這些基因表達(dá)的個體特異性、組織 特異性、發(fā)育階段特異性、分化階段特異性、 病變特異性、刺激特異性進(jìn)行綜合的分析和判 斷, 迅速將某個或幾個基因與疾病聯(lián)系起來, 極大地加快這些基因功能的確立, 同時進(jìn)一步 研究基因與基因間相互作用的關(guān)系。 所以, 無論何種研究領(lǐng)域, 利用表達(dá)譜基因芯片可以獲得大量與研究領(lǐng)域相關(guān)的基因,使研究更具目的性和系統(tǒng)性,同時也拓寬研究領(lǐng)域。結(jié)束語:微電子技術(shù)雖然誕生只有幾十年, 但是發(fā)展十分迅速, 已經(jīng)極大地改變了我們的日 常生活。 以上文章介紹了它在生物醫(yī)學(xué)方面的促進(jìn)與結(jié)合, 不僅如此, 它也影

18、響了人類日常 的其他一些方面。 微電子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的發(fā)展極大程度地改善了人類醫(yī)學(xué)條件, 保障 了我們的健康,使我們的生活更加美好。參考文獻(xiàn):【 1】劉廣玉,樊尚春。 微機(jī)械電子系統(tǒng)及其應(yīng)用【 M 】 . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2003。【 2】朱健 ,MEMS 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用【 J 】 ,半導(dǎo)體技術(shù), 2003, 28(1:29 32.【 3】章吉良,楊春生,微機(jī)電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)【 M 】 ,上海:上海交通大學(xué)出版社, 1999。 【 4】陳辰, MEMS 器件的醫(yī)療應(yīng)用【 J 】 ,電子產(chǎn)品世界, 1996(10 :33 35.【 5】林良明,微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域的展望【 J 】 ,中國醫(yī)療器械雜志, 2003,27 (4 ?！?6】 Amy C, Richards G A BioMEMS review:MEMS techonology for physiologically intergrated dev