Biomedicínského inženýrství je rychle se rozvíjející interdisciplinární obor, který zahrnuje medicíny, biologie, chemie, strojírenství, nanotechnologií a informatiky. Bioinženýrů jsou v popředí vědeckých objevů, vytváření inovativních zdravotnických prostředků, očkovacích látek, onemocnění produktů pro správu, roboti a algoritmy, které zlepšují lidské zdraví po celém světě.
níže je deset nejžhavějších trendů bioinženýrství r&D, které se dějí v roce 2020.
1., Tkáňové inženýrství
živá tkáň může být vyrobena z biologicky aktivních buněk, které jsou uloženy na biologicky rozložitelných lešeních za kontrolovaných podmínek. Populární metodou depozice je bioprinting-proces velmi podobný 3D tisku, ale používá „bioinks“ sestávající z lidských buněk místo plastu.
buňky jsou vytištěny v tenkých vrstvách, které se hromadí do živých tkání nebo částí těla, které lze implantovat. Vědci z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine použili speciální 3D tiskárnu k vytvoření tkání, které se daří při implantaci hlodavců.
2., Transdermální náplasti
Bioinženýři prokázali proveditelnost tisku živých tkáňových struktur na specializované 3D tiskárně. Foto: Wake Forest Institute for Regenerative Medicine transdermální náplasti prošly dlouhou cestu od jejich použití jako metody k přerušení závislosti na nikotinu. Zlepšení struktury, materiálů a dodacích mechanismů umožnilo větší škálu aplikací.
například, vědci z Nanyang Technological University v Singapuru vytvořili transdermální náplast naplněné léky, které pomáhají bojovat proti obezitě., Namísto perorálního podání nebo injekcí se tyto sloučeniny uvolňují stovkami biologicky rozložitelných mikroneedlů v náplasti, které sotva pronikají kůží. Jak se jehly rozpouštějí, léky se pomalu uvolňují do těla.
3. Nositelná zařízení
senzory, dráty a elektronika, které jsou flexibilní, Vodotěsné a roztažitelné, mohou být 3D potištěny nebo tkány do tkaniny., Nositelné technologie se stávají multifunkčnějšími a mohou sledovat více zdravotních parametrů, jako je tepová frekvence a krevní tlak, které mohou být také přenášeny v reálném čase do zdravotnického zařízení.
Zjistěte více v Infographic: co je bioinženýrství?
Inteligentní oblečení kontroly tělesné teploty pomocí speciálních polymerů a vlhkosti-citlivý otvory, které otevřít v případě potřeby. Bylo navrženo, že individuální regulace teploty prostřednictvím oblečení by mohla snížit náklady na vytápění a chlazení budovy až o 15 procent.
4., Robotičtí chirurgové a rehabilitace
vědci vytvořili transdermální náplast naplněnou drogami, která bojuje proti obezitě. Foto: Nanyang Technological University výrobci robotů vyrábějí multifunkční roboty, které pomáhají chirurgům na operačním sále. Tato robotická zařízení, poháněná vstupem lékařů, jim pomáhají manipulovat s nástroji s vysokou přesností způsobem, který nemohli udělat sami. To platí zejména pro minimálně invazivní operace.,
Roboti jsou také velmi užiteční pro lidi, kteří utrpěli mrtvice nebo poranění mozku, aby se znovu naučili motorické úkoly. Například Lokomat je systém výcviku chůze, který využívá robotický exoskeleton a běžecký pás, který pomáhá pacientům znovu získat základní funkce chůze. To také umožňuje terapeutovi řídit rychlost chůze a kolik podpory robotické nohy dávají pacientovi.
5. Nanorobotů
Vědci jsou tvrdé práce navrhování nano-velikosti robotů, které jsou dostatečně malé, aby vstoupit do krevního řečiště a provádět některé úkoly, jako zabít rakovinné buňky.,návrhy nanorobotů
zahrnují struktury založené na DNA obsahující léky proti rakovině, které se váží pouze na specifický protein nalezený na nádorových nádorech. Po připojení robot uvolní svůj lék do nádoru.
Tím, že poskytuje farmaceutické prostředky přesně tam, kde jsou potřeba, tělo není přetížen s toxicitou, a nežádoucí účinky jsou méně nebo méně intenzivní, zlepšení zkušenosti pacientů.
6. Virtuální realita
inteligentní tkaniny a textilie mohou cítit fyziologii opotřebení a reagovat., Foto: UC San Diego VR je zvláště cenným nástrojem v oblasti medicíny, protože může prezentovat podrobná data pořízená z 3D lékařských obrázků. Data mohou vytvořit neuvěřitelně podrobný 3D pohled na tělo pacienta nebo oblast lékařského zájmu—například kardiovaskulární systém.
související Video: Jak funguje robotická hůl?
model může být zkoumán ze všech úhlů a bodů zájmu, aby bylo možné určit nejlepší způsob provedení postupu. Chirurgové mohou dokonce před provedením provádět složitý postup několikrát.,
VR je také kritický výukový nástroj-například studenti medicíny by mohli provádět virtuální pitvy místo použití mrtvol.
7. Mikrobubliny
vědci nadále hledají nové způsoby, jak selektivně dodávat léky do specifických cílových oblastí, čímž se zabrání poškození zdravých buněk a tkání. Jedním z jedinečných přístupů jsou mikrobubliny, což jsou velmi malé částice velikosti mikronů naplněné plynem.,
„Mikrobublin naloženo s léky může být vstříknut do těla, a oni budou distribuovat všude, ale já se pak mohou narušit mikrobublin pomocí ultrazvukového paprsku a lék bude dodáno výslovně, kde droga je potřeba,“ řekla Beata Chertok, asistent profesor farmaceutické vědy a biomedicínské inženýrství na University of Michigan. Mikrobubliny mohou být také léčeny látkou, která je přiměje k přilnutí k nádorům bez potřeby ultrazvuku.
8., Prime Editing
robotická rehabilitace pomáhá pacientům znovu získat chůzi nebo jiné funkce. Foto: Hocoma tato nová technika úpravy genů staví na úspěších základní editace a technologie CRISPR-Cas9. Prime editace přepisuje DNA pouze řezáním jediného pramene pro přidání, odstranění nebo nahrazení párů bází. Tato metoda umožňuje vědcům upravovat více typů genetických mutací než stávající přístupy k editaci genomu, včetně CRISPR-Cas9.,
Další čtení: CRISPR Tech k detekci Ebola
dosud byla metoda testována pouze u lidských a myších buněk.
“ potenciální dopady zahrnují schopnost přímo opravit mnohem větší část mutací, které způsobují genetická onemocnění, a schopnost zavádět změny DNA do plodin, které vedou ke zdravějším nebo udržitelnějším potravinám,“ řekl David Liu, ředitel Merkin Institute for Transformative Technologies in Healthcare na Broad Institute of Harvard a MIT.
9., Technologie čipů varhany na čipu
umožňují konstrukci mikroskopických modelů, které simulují fyziologii člověka mimo tělo. Orgány na čipech se používají ke studiu chování tkání a orgánů v malých, ale plně funkčních velikostech vzorků, aby lépe porozuměly chování tkání, progresi onemocnění a farmaceutickým interakcím.
například, zánět procesy mohou být studovány určit, jak zánět je spuštěn, a jeho hodnota jako varovný indikátor pro základní zdravotní podmínky, včetně autoimunitní reakce., Mezi další fyziologické procesy studované na čipech patří trombóza, mechanické zatížení kloubů a stárnutí.
10. Mini Bioreaktory
nanoroboty dodávají léky proti nádorům. Image: Arizona State University Bioreaktory jsou systémy, které podporují biologicky aktivní organismy a jejich vedlejší produkty. Menší Bioreaktory jsou snadněji ovladatelné a vyžadují menší objemy vzorků., Pokroky ve schopnostech výroby mikrofluidů nyní umožňují navrhnout mikroskopické Bioreaktory, které mohou obsahovat enzymy nebo jiné biokatalyzátory, stejně jako přesné extrakční systémy, k výrobě vysoce čistých produktů.
Tyto systémy poskytují ekonomický vysoce výkonný screening s použitím pouze malého množství činidel ve srovnání s konvenčními reaktory v bench-scale. Jak se 3D tisk stává rafinovanějším, mělo by být možné vyrábět miniaturní Bioreaktory s neobvyklejšími průtokovými cestami nebo speciálně navrženými kultivačními komorami.,
budoucí trendy
miniaturizace, materiálové inovace, personalizovaná medicína a aditivní výroba jsou klíčovými inženýrskými trendy, které biomedicínští vědci touží začlenit do svých návrhů. Tyto technologie ve skutečnosti otevírají širokou škálu nových možností návrhu, které nebyly možné pomocí konvenčních výrobních metod.,
Tyto R&D pokroky se dějí i na stále rostoucí rychlost—bioinženýrů musí držet krok s převratnou technologií a inovací k tomu, aby ty nejlepší produkty a udržet nebo zvýšit svůj podíl na trhu a pověst značky.
Mark Crawford je technologický spisovatel se sídlem v Corrales, N. M.