Tecnologie MEMS applicate al settore biomedicale
Tecnologie MEMS applicate al settore biomedicale
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<strong>Tecnologie</strong> <strong>MEMS</strong> <strong>applicate</strong><br />
<strong>al</strong> <strong>settore</strong> biomedic<strong>al</strong>e<br />
<strong>Tecnologie</strong> <strong>MEMS</strong> <strong>applicate</strong> <strong>al</strong> biomedic<strong>al</strong>e<br />
Torino Incontra, 17 maggio 2006<br />
Livio Cognolato<br />
Olivetti i-Jet<br />
Arnad (AOSTA)<br />
l.cognolato@olivetti.com<br />
www.olivettii-jet.com
Outline<br />
• Micro/NanoTechnology e bio<strong>MEMS</strong><br />
• Cosa sono i <strong>MEMS</strong> e i bio<strong>MEMS</strong><br />
• Miniaturizzazione<br />
• Olivetti: ma non fa prodotti per ufficio???<br />
– Materi<strong>al</strong>i, <strong>Tecnologie</strong> e Processi<br />
– Lab-on-chip<br />
– Biosensori<br />
• Mercato<br />
<strong>Tecnologie</strong> <strong>MEMS</strong> <strong>applicate</strong> <strong>al</strong> biomedic<strong>al</strong>e<br />
Torino Incontra, 17 maggio 2006
M(O)EMS: Micro (Optic<strong>al</strong>) Electro Mechanic<strong>al</strong> Systems<br />
• Elementi micromeccanici<br />
fabbricati su chip di Si con<br />
tecniche microelettroniche VLSI<br />
(circuiti integrati)<br />
• Possono integrare prestazioni<br />
meccaniche, fluidiche,<br />
elettriche, ottiche<br />
• Usati come sensori, attuatori,<br />
router ottici, etc. in<br />
micromeccanica, elettronica,<br />
fotonica, avionica, automotive,<br />
biomedicina, chimica an<strong>al</strong>itica e<br />
forense, etc.<br />
<strong>Tecnologie</strong> <strong>MEMS</strong> <strong>applicate</strong> <strong>al</strong> biomedic<strong>al</strong>e<br />
Torino Incontra, 17 maggio 2006
Micro/NanoTechnology (MNT) e bio<strong>MEMS</strong><br />
•Esiste la necessità di rendere più pratica, efficiente e poco<br />
costosa la diagnostica biomedic<strong>al</strong>e<br />
•Esistono le competenze, gli impianti e la capacità industri<strong>al</strong>e<br />
di tradurre in volumi la produzione di dispositivi in grado di<br />
offrire prestazioni elettromeccaniche ed an<strong>al</strong>itiche<br />
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Torino Incontra, 17 maggio 2006<br />
Biology & Medicine<br />
Micro/Nanotechnology<br />
I progressi nella microfabbricazione, microfluidica e<br />
microelettronica rendono possibile la nascita di un nuovo ed<br />
autonomo terreno di ricerca: i Bio<strong>MEMS</strong>
Bio<strong>MEMS</strong><br />
Il termine include un insieme di<br />
tecnologie/dispositivi:<br />
• Strutture Microfluidiche<br />
• Processi Microelettronici di fabbricazione<br />
• Sistemi diagnostici (Lab-on-chip) per la rivelazione<br />
– Ottica<br />
– Elettrochimica<br />
• DNA arrays per l’an<strong>al</strong>isi genomica<br />
• Biosensori per diagnosi precoce<br />
• Sistemi per la “drug delivery”<br />
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Torino Incontra, 17 maggio 2006
MNT e bio<strong>MEMS</strong>: un mondo assai vario<br />
Therapeutics<br />
• Drug-release<br />
• Target delivery<br />
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Torino Incontra, 17 maggio 2006<br />
Diagnostics<br />
• Lab-on-chip<br />
• Biochips<br />
Micro/Nanotechnology<br />
Biology & Medicine<br />
Hybrid Biodevices<br />
• Tissue engineering<br />
• Organ developm.<br />
Self-Assembly<br />
• DNA/protein mediated<br />
• SAMs
Miniaturizzazione<br />
Diagnostica vicina <strong>al</strong> paziente: PoC (ambulatori<strong>al</strong>e)<br />
• Lab-on-a-chip<br />
– Compattezza<br />
– Igiene (chip usa-e-getta)<br />
– <strong>Tecnologie</strong> microelettroniche = volumi<br />
• Minori costi<br />
– Delle attrezzature<br />
– Dei reagenti<br />
– Del person<strong>al</strong>e (automazione)<br />
– Rapidità ed efficacia (an<strong>al</strong>isi / referti)<br />
• Esigenze: Specificità, Selettività, AFFIDABILITA’!<br />
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Courtesy of M.Hein Roche
Lab-on-chip<br />
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Torino Incontra, 17 maggio 2006
Olivetti I-Jet: solo prodotti per ufficio?<br />
Società del gruppo Olivetti speci<strong>al</strong>izzata nella ricerca,<br />
sviluppo e produzione della tecnologia Bubble Ink-Jet<br />
• Fabbricazione delle testine a getto d’inchiostro<br />
termiche e dei componenti ad essa correlati (dagli<br />
inchiostri <strong>al</strong>le testine finite)<br />
• Progetti R&D su sensori e chip biomedic<strong>al</strong>i<br />
• Unica società Europea (4 nel mondo)<br />
• La più grande Foundry <strong>MEMS</strong> in Europa per volumi e<br />
investimenti<br />
• Sede: Arnad (AO), 70 km da Torino, 30 da Ivrea<br />
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Olivetti I-Jet<br />
Dipendenti: ca. 400 persone, 70 in R&D<br />
Investimenti :145 M CAPEX d<strong>al</strong> 1995<br />
• 25.000 m 2 superficie tot<strong>al</strong>e<br />
• 6.000 m 2 Camere Bianche<br />
• ≈ 1.000 m 2 in Classe 100<br />
• Capacità inst<strong>al</strong>lata<br />
equiv<strong>al</strong>ente a 140.000<br />
wafers / anno<br />
• Operazioni su fette Si a 6”<br />
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Certificazione ISO 9001.2000 e ISO 14001
Gli ingredienti tecnologici per i bio<strong>MEMS</strong><br />
• Materi<strong>al</strong>i<br />
• Approcci<br />
– Tecniche “top-down”<br />
– Tecniche “bottom-up”<br />
• Processi<br />
– Sottrattivi<br />
– Additivi<br />
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Materi<strong>al</strong>i Vantaggi<br />
• Si, SiC elettronica integrabile a bordo chip<br />
• Vetro biocompatibile per eccellenza<br />
• Polimeri basso costo<br />
• Met<strong>al</strong>li conduttori<br />
• Devono soddisfare vari requisiti:<br />
– Biocompatibilità (diversa a seconda della loro funzione)<br />
– Lavorabile in volumi (batch)<br />
– Meno costosi possibile: kit diagnostico 5-60 !<br />
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Torino Incontra, 17 maggio 2006
<strong>Tecnologie</strong> top-down e bottom-up<br />
Verso le nano-tecnologie, con due diversi approcci:<br />
• Top-down<br />
D<strong>al</strong> micro-machining… (10-1 µm: 10 -5 -10 -6 m)<br />
…<strong>al</strong> sub-micron… (1000-100 nm: 10 -6 -10 -7 m)<br />
…fino <strong>al</strong> nano (100-0.1 nm: 10 -7 -10 -10 m)<br />
• Bottom-up<br />
– Uso di atomi e molecole per ingegnerizzare superfici,<br />
materi<strong>al</strong>i e dispositivi<br />
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<strong>Tecnologie</strong> top-down (I)<br />
• Si parte da materi<strong>al</strong>i “massivi” (i.e. wafer)<br />
10<br />
per micro-lavorarli a dimensioni<br />
microscopiche. Si spingono <strong>al</strong>l’estremo le<br />
tecnologie utilizzate d<strong>al</strong>la 1 microelettronica.<br />
• Per la lavorazione si usano strumenti<br />
macroscopici: impianti da 0,1semiconduttori,<br />
laser per modellare, stampare, scavare.<br />
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Legge Progressione di Moore, fine Intel anni ‘70<br />
Gate length<br />
Gate length<br />
1985<br />
1989<br />
1992<br />
1995<br />
1997<br />
1999<br />
2001<br />
2003<br />
2005<br />
2007<br />
2009<br />
year<br />
Stato dell’arte 65nm (Centrino duo);<br />
0,01<br />
micron
<strong>Tecnologie</strong> top-down (II)<br />
• Tecniche sottrattive per creare can<strong>al</strong>i<br />
– Electrochemic<strong>al</strong> 10 µm<br />
– Laser beam 1 µm<br />
– Sand blasting 1-2 µm<br />
– Dry / wet etching 0.1 / 1 µm<br />
– LIGA 0.3 µm<br />
Etc…<br />
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Sand blasting (sabbiatura)<br />
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Fabbricazione <strong>MEMS</strong>: Pattern & etch<br />
Example: Bulk silicon DRIE: start with unpatterned wafer stack – a wafer-bonded SOI (silicon on insulator)<br />
(1) Pattern photoresist<br />
(3) SiO 2 isotropic etch<br />
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photoresist<br />
wafer-bonded silicon<br />
sacrifici<strong>al</strong> silicon oxide<br />
bulk silicon substrate<br />
Narrow features released,<br />
Wide features just undercut<br />
Gold mirrors on top<br />
and potenti<strong>al</strong>ly sides<br />
Courtesy of<br />
(2) DRIE vertic<strong>al</strong> etch<br />
(4) Gold evaporation<br />
& samlab
<strong>Tecnologie</strong> top-down (III)<br />
• Tecniche additive per creare can<strong>al</strong>i<br />
– Laminazione di polimeri fotosensibili<br />
– Sol-gel<br />
– Plastic spraying<br />
– Dip coating (organici)<br />
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Polimeri per Bio<strong>MEMS</strong><br />
Scopo:<br />
fabbricare microstrutture con materi<strong>al</strong>i plastici fotosensibili e non<br />
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•can<strong>al</strong>i/membrane/camere >50 µm
<strong>Tecnologie</strong> bottom-up<br />
• Costruzione “layer-by-layer” di funzion<strong>al</strong>ità<br />
adatte<br />
– Crescite da fase liquida e vapore (PVD-CVD)<br />
– SAM (Self Assembled Monolayer)<br />
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SAM, Self-assembled monolayers<br />
Sono film di copertura di superfici che, su specifici<br />
substrati, si organizzano spontaneamente in strutture<br />
<strong>al</strong>tamente ordinate, e permettono l’immobilizzazione sulla<br />
loro coda di molecole specifiche<br />
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Lab-on-chip<br />
• Applicazioni biodiagnostiche:<br />
– Genomica: individuazione di SNP nel DNA<br />
• Moduli di estrazione, purificazione, amplificazione di<br />
sequenze, rivelazione<br />
Estrazione,<br />
Purificazione<br />
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PCR<br />
Modulo<br />
an<strong>al</strong>itico<br />
• Sfide:<br />
Introduzione campione, purificazione, mixing,<br />
reazione, recupero prodotto, modulo an<strong>al</strong>itico<br />
!
Biosensore<br />
• Applicazione biodiagnostica:<br />
– Diagnosi precoce di vari tipi di tumore, attraverso il<br />
riconoscimento di biomarker sviluppati d<strong>al</strong> paziente<br />
Schema della reazione di riconoscimento A g / A b<br />
Enzyme*<br />
*Attiva la fluorescenza<br />
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A g / A b / enzyme A b / A g / A b / enzyme<br />
Bovine Serum<br />
Albumine
Come si collocano le competenze industri<strong>al</strong>i<br />
di Olivetti in questo panorama?<br />
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Therm<strong>al</strong> Bubble Ink Jet Technology<br />
FLAT CABLE<br />
SEALING GLUE<br />
ACTUATOR GROUP<br />
PROTECTIVE<br />
GLUE<br />
FILTER<br />
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INK TANK<br />
LID<br />
INK “RETAINER”<br />
ADHESIVE<br />
TRANSFER<br />
Ink Drop<br />
Vapour Bubble<br />
Hydraulic circuit<br />
Silicon Substrate<br />
Nozzle Plate<br />
Protective Layer<br />
Thin Film Heater
L’Ink-Jet come tecnica di “spotting” di biomateri<strong>al</strong>i<br />
Vantaggi<br />
•Riduzione dimensioni e<br />
costi del biochip<br />
•An<strong>al</strong>isi multimarker:<br />
selettività, specificità<br />
•Semplificazione procedure:<br />
an<strong>al</strong>isi PoC<br />
Problemi<br />
•Tecnologia da sviluppare<br />
•Problematiche legate a T,<br />
P, velocità, impatto<br />
•Quantificazione<br />
•Affidabilità<br />
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BM12<br />
BM11<br />
BM13<br />
BM21<br />
"<br />
BMn1<br />
#$<br />
neg2<br />
neg1
<strong>MEMS</strong>: Mercato 2004-2009<br />
• Il CAGR del mercato <strong>MEMS</strong> è previsto ~16%<br />
• IT prev<strong>al</strong>e ancora fino <strong>al</strong> 2009, ma il<br />
biomedic<strong>al</strong>e cresce più del mercato<br />
WW Market <strong>MEMS</strong> 1st level pkg<br />
Products 2004-2009 (B$)<br />
12<br />
15<br />
17<br />
2004 2005 2006 2007 2008 2009<br />
20<br />
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22<br />
26<br />
2004<br />
$12B<br />
IT Peripher<strong>al</strong>s<br />
67%<br />
2009<br />
$26B<br />
IT Peripher<strong>al</strong>s<br />
58%<br />
Transportatio<br />
n<br />
5%<br />
Transportation<br />
4%<br />
Medic<strong>al</strong><br />
24%<br />
Telecom<br />
0%<br />
Other<br />
4%<br />
Telecom<br />
3%<br />
Other<br />
7%<br />
Medic<strong>al</strong><br />
28%<br />
Source: NEXUS Market An<strong>al</strong>ysis III 2005-2009
Mercato dei biochip<br />
80-90%<br />
10-20%<br />
60%<br />
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Nel 2004<br />
300 milioni di , microfluidica esclusa<br />
– R&D farmaceutica e accademica<br />
– Diagnostica<br />
Umana, veterinaria, microbiologica<br />
– Ambient<strong>al</strong>e<br />
– Agro<strong>al</strong>imentare<br />
Nel 2010<br />
2500 milioni di , microfluidica non inclusa<br />
• Diagnostica<br />
Fonte: Yole Developpement, 2005
Conclusione<br />
• Il <strong>settore</strong> biomedic<strong>al</strong>e può progredire più<br />
rapidamente, sfruttando le nuove<br />
opportunità offerte d<strong>al</strong>le MNT<br />
• La prima area di coinvolgimento sarà la<br />
biodiagnostica<br />
• La tecnologia Ink Jet si può utilizzare per<br />
nuove applicazioni di grande interesse<br />
• Il mercato è assai appetibile<br />
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