Mikroelektromekaanisia antureita tarvitaan kaikilla elämänalueilla. Pienikokoisiin antureihin on kuitenkin ollut vaikea tuoda bioreseptoreita, mikä on rajoittanut bioanalyyttisten sovellusten kehittämistä. Uudessa eurooppalaisessa hankkeessa pyritään muuttamaan tämä kehittämällä avainteknologioita piipohjaisten monitestaukseen soveltuvien bioantureiden nopeaan ja kustannustehokkaaseen valmistukseen. Tämä voisi mullistaa puolijohteisiin perustuvan bioanturiteollisuuden Euroopassa.
Mikroelektromekaanisia antureita (MEMS) käytetään lukemattomissa sovelluksissa eri alueilla liikenteestä telekommunikaatioon ja kuluttajaelektroniikkaan. Myös MEMS-pohjaisten bioantureiden potentiaali on merkittävä, mutta biomolekyylien tuominen puolijohteisiin perustuville anturisiruille on tähän saakka ollut vaikeaa. Lisäksi rajoitteena ovat olleet korkeat tuotantokustannukset. Tuotantolaitokset ovat erikoistuneet puolijohteisiin eikä niissä ole mahdollisuutta biokemiallisille kokeiluille. Tämä on rajoittanut uusien MEMS-biosensoreiden kehittämistä.
Eurooppalainen BIOASSEMBLER-hanke pyrkii muuttamaan tilanteen. Hankkeen tavoitteena on valmistaa uuden sukupolven bioantureita bioälykkäissä prosesseissa. Uudenlaiset prosessit ottavat mallia biologiasta ja itsejärjestymisestä, jolla biomolekyylit voidaan liittää MEMS-antureihin. VTT koordinoi projektia ja kehittää itsejärjestymisprosessin teknologiaa sekä yhdistää sitä MEMS-pohjaisiin akustisiin mikroantureihin. Tämä mahdollistaa uuden sukupolven bioantureiden kehittämisen.
Bioälykäs itsejärjestyminen – laajasti sovellettava avainteknologia
Biomolekyylien itsejärjestyminen mahdollistaa MEMS-anturisirujen nopean, skaalautuvan biopäällystämisen eli biofunktionalisoinnin. Tämän ansiosta kymmeniä erilaisia biomolekyylejä voidaan kiinnittää samaan aikaan tuhansille tarkoille, ennalta määrätyille paikoille piikiekolla. Kun kiekkotason biofunktionalisointi yhdistetään uusiin pakkausprosesseihin, MEMS-bioantureiden tuotantokustannukset pienenevät merkittävästi. Teolliset, toistettavissa olevat ja edulliset prosessit soveltuvat myös massatuotantoon.
Tämä kaikki avaa BioMEMS-antureille runsaasti sovellusmahdollisuuksia. BioMEMS-anturit voisivat muun muassa mitata terveyteen ja sairauksiin liittyviä molekulaarisia merkkiaineita esimerkiksi pienistä veri- tai virtsapisaroista. Usean analyytin yhtäaikainen mittaaminen (ns. multipleksaus) laajentaisi mahdollisuuksia edelleen erilaisiin bioanalyyttisiin sovelluksiin, kuten terveydenhuoltoon (tartuntatautien biomarkkerit), ruokatuotantoon ja maatalouteen (antibiootit, homemyrkyt) tai ympäristönseurantaan (veden laatu).
Kohti kestävää eurooppalaista puolijohdeteollisuutta
MEMS-antureita valmistetaan piikiekkojen pinnalle hyödyntämällä mikroelektromekaanista järjestelmäteknologiaa, mikä edellyttää suuria investointeja erittäin kehittyneisiin puhdastiloihin. Tämä on johtanut anturivalmistuksen keskittymiseen muutamille suurille toimijoille, erityisesti Aasiassa. BIOASSEMBLER-hankkeessa pyritään muuttamaan tilanne luomalla uutta, biologiasta mallia ottavaa teknologiaa bioantureiden skaalautuvaan tuotantoon puolijohdeteollisuuden valmistusalustoilla. Tämä auttaa Eurooppaa saavuttamaan teknologiajohtajuutta puolijohdeteollisuudessa.
“Ilmastonmuutos ja kasvava resurssien käyttö edellyttävät innovatiivisia, bioälykkäitä ratkaisuja. Tuemme kestävyystavoitteita minimoimalla reagenssien käyttöä. MEMS-antureiden innovatiivinen biofunktionalisointi tarkoittaa, että suurempi osuus biomolekyyleistä voidaan tuoda aktiivisina anturin pinnalle. Teknologia mahdollistaa myös reagenssien kierrätettävyyden; pintaan kiinnittymättä jääneet biomolekyylit voidaan käyttää uudelleen seuraavassa tuotantoerässä. Lisäksi multipleksaus eli useiden analyyttien samanaikainen mittaus tukee kestävää kehitystä, koska käytettyä piin pinta-alaa kohden voidaan tuottaa aikaisempaa enemmän mittaustuloksia. Tämä vähentää piikiekkojen ja elektronisten komponenttien käyttöä mitattua analyyttiä kohden”, selvittää VTT:n tutkija ja projektikoordinaattori Petri Saviranta.
BIOASSEMBLER-projekti (“BIOASSEMBLER - Integrating bio-inspired assembly into semiconductor manufacturing technology for biosensors”) on saanut rahoitusta EU:n Horisontti-ohjelmasta (myöntämisnumero 101070589). Projektin kokonaisbudjetti on 3 265 740,25 euroa. Projektissa on mukana kuusi eurooppalaista organisaatiota: VTT ja Biomensio Oy Suomesta, Wienin yliopisto Itävallasta, JOBST Technologies GMBH and Abcalis GMBH Saksasta sekä Coimbran yliopiston sosiaalitieteiden tutkimuksen keskus Portugalista.
