L’ingegneria biomedica è un campo in rapida evoluzione e interdisciplinare che coinvolge medicina, biologia, chimica, ingegneria, nanotecnologia e informatica. I bioingegneri sono all’avanguardia nella scoperta scientifica, creando dispositivi medici innovativi, vaccini, prodotti per la gestione delle malattie, robot e algoritmi che migliorano la salute umana in tutto il mondo.
Qui di seguito sono dieci dei più caldi bioingegneria R& D tendenze accadendo nel 2020.
1., Ingegneria tissutale
Il tessuto vivente può essere costituito da cellule biologicamente attive, che vengono depositate su scaffold biodegradabili in condizioni controllate. Un metodo di deposizione popolare è bioprinting-un processo molto simile alla stampa 3D, ma che utilizza “bioinks” costituito da cellule umane invece di plastica.
Le cellule sono stampate in strati sottili che si accumulano in tessuto vivente o parti del corpo che possono essere impiantati. I ricercatori del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine hanno utilizzato una speciale stampante 3D per creare tessuti che prosperano quando impiantati nei roditori.
2., Cerotti transdermici
I bioingegneri hanno dimostrato la fattibilità della stampa di strutture tissutali viventi su una stampante 3D specializzata. Foto: Wake Forest Institute for Regenerative Medicine I cerotti transdermici hanno fatto molta strada dal loro uso come metodo per rompere la dipendenza da nicotina. I miglioramenti nella struttura, nei materiali e nei meccanismi di consegna hanno permesso una maggiore varietà di applicazioni.
Ad esempio, gli scienziati della Nanyang Technological University di Singapore hanno creato un cerotto transdermico pieno di farmaci che aiutano a combattere l’obesità., Invece di assunto per via orale o attraverso l’iniezione, questi composti vengono rilasciati attraverso centinaia di microneedles biodegradabili nella patch che a malapena penetrano nella pelle. Mentre gli aghi si dissolvono, i farmaci vengono lentamente rilasciati nel corpo.
3. Dispositivi indossabili
Sensori, fili ed elettronica flessibili, impermeabili ed estensibili possono essere stampati in 3D o intrecciati nel tessuto., Le tecnologie indossabili stanno diventando più multifunzionali e possono monitorare più parametri sanitari, come la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna, che possono anche essere trasmessi in tempo reale a una struttura medica.
Scopri di più nell’Infografica: Cos’è la bioingegneria?
L’abbigliamento intelligente controlla le temperature del corpo utilizzando speciali polimeri e prese d’aria che reagiscono all’umidità che si aprono quando necessario. È stato proposto che il controllo della temperatura individualizzato attraverso l’abbigliamento potrebbe ridurre i costi di riscaldamento e raffreddamento di un edificio fino al 15%.
4., Chirurghi robotici e riabilitazione
I ricercatori hanno creato un cerotto transdermico pieno di farmaci che combatte l’obesità. Foto: Nanyang Technological University Produttori di robot stanno facendo robot multifunzionali per assistere i chirurghi in sala operatoria. Guidati dall’input dei medici, questi dispositivi robotici li aiutano a manipolare gli strumenti con alta precisione in modi che non potevano fare da soli. Questo è particolarmente vero per interventi chirurgici minimamente invasivi.,
I robot sono anche estremamente utili per le persone che hanno subito ictus o lesioni cerebrali, per imparare di nuovo le attività motorie. Ad esempio, il Lokomat è un sistema di allenamento dell’andatura che utilizza un esoscheletro robotico e un tapis roulant per aiutare i pazienti a ritrovare le funzioni di base della camminata. Consente inoltre al terapeuta di controllare la velocità di camminata e quanto supporto le gambe robotiche danno al paziente.
5. Nanorobot
I ricercatori sono al lavoro nella progettazione di robot di dimensioni nanometriche che sono abbastanza piccoli da entrare nel flusso sanguigno e svolgere determinati compiti, come uccidere le cellule tumorali.,
I disegni Nanorobot includono strutture a base di DNA contenenti farmaci anticancro che si legano solo con una proteina specifica trovata sui tumori del cancro. Dopo l’attacco, il robot rilascia il suo farmaco nel tumore.
Consegnando gli agenti farmaceutici esattamente dove sono necessari, il corpo non è sovraccarico di tossicità e gli effetti collaterali sono meno o meno intensi, migliorando l’esperienza del paziente.
6. Realtà virtuale
Tessuti e tessuti intelligenti possono percepire la fisiologia dell’usura e rispondere., Foto: UC San Diego VR è uno strumento particolarmente prezioso in campo medico a causa di come può presentare i dati dettagliati tratti da immagini mediche 3D. I dati possono creare una visione 3D incredibilmente dettagliata del corpo di un paziente, o area di preoccupazione medica—per esempio, il sistema cardiovascolare.
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Il modello può essere esaminato da tutti gli angoli e punti di interesse al fine di determinare il modo migliore per eseguire una procedura. I chirurghi possono anche praticare una procedura complessa più volte prima di eseguirla.,
VR è anche uno strumento didattico critico—studenti di medicina, per esempio, potrebbe eseguire dissezioni virtuali invece di utilizzare cadaveri.
7. Microbolle
I ricercatori continuano a cercare nuovi modi per fornire selettivamente farmaci a specifiche aree target, evitando così danni alle cellule e ai tessuti sani. Un approccio unico sono le microbolle, che sono particelle molto piccole, di dimensioni micron, riempite di gas.,
“Le microbolle cariche di farmaci possono essere iniettate nel corpo e si distribuiranno ovunque, ma posso quindi interrompere le microbolle con un fascio di ultrasuoni e il farmaco verrà consegnato specificamente dove è necessario il farmaco”, ha detto Beata Chertok, assistente professore di scienze farmaceutiche e ingegneria biomedica all’Università del Michigan. Le microbolle possono anche essere trattate con una sostanza che le farà aderire ai tumori senza la necessità di ultrasuoni.
8., Prime Editing
La riabilitazione robotica aiuta i pazienti a ritrovare la camminata o altre funzioni. Foto: Hocoma Questa nuova tecnica gene-editing si basa sui successi di editing di base e la tecnologia CRISPR-Cas9. Prime editing riscrive il DNA tagliando solo un singolo filo per aggiungere, rimuovere o sostituire le coppie di basi. Questo metodo consente ai ricercatori di modificare più tipi di mutazioni genetiche rispetto agli approcci di modifica del genoma esistenti, tra cui CRISPR-Cas9.,
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Ad oggi, il metodo è stato testato solo con cellule umane e di topo.
” I potenziali impatti includono la possibilità di correggere direttamente una frazione molto più grande delle mutazioni che causano malattie genetiche e la possibilità di introdurre cambiamenti del DNA nelle colture che si traducono in alimenti più sani o più sostenibili”, ha affermato David Liu, direttore del Merkin Institute for Transformative Technologies in Healthcare presso il Broad Institute di Harvard e MIT.
9., Le tecnologie di chip Organ-on-a-Chip
consentono la costruzione di modelli di microscala che simulano la fisiologia umana al di fuori del corpo. Gli organi su chip vengono utilizzati per studiare il comportamento di tessuti e organi in piccole dimensioni, ma completamente funzionali, per comprendere meglio il comportamento dei tessuti, la progressione della malattia e le interazioni farmaceutiche.
Ad esempio, i processi infiammatori possono essere studiati per determinare come l’infiammazione viene innescata e il suo valore come indicatore di allarme precoce per le condizioni mediche sottostanti, comprese le risposte autoimmuni., Altri processi fisiologici studiati su chip includono trombosi, carico meccanico sulle articolazioni e invecchiamento.
10. Mini bioreattori
Nanorobot forniscono farmaci antitumorali. Immagine: Arizona State University I bioreattori sono sistemi che supportano organismi biologicamente attivi e loro sottoprodotti. I bioreattori più piccoli sono più facili da gestire e richiedono volumi di campione inferiori., I progressi nelle capacità di fabbricazione microfluidica consentono ora di progettare bioreattori di microscala che possono incorporare enzimi o altri biocatalizzatori, nonché sistemi di estrazione di precisione, per produrre prodotti altamente puri.
Questi sistemi forniscono uno screening economico ad alta produttività, utilizzando solo piccole quantità di reagenti, rispetto ai reattori convenzionali su scala da banco. Man mano che la stampa 3D diventa più raffinata, dovrebbe essere possibile produrre bioreattori in miniatura con percorsi di flusso più insoliti o camere di coltura appositamente progettate.,
Tendenze future
La miniaturizzazione, le innovazioni materiali, la medicina personalizzata e la produzione additiva sono le tendenze chiave dell’ingegneria che i ricercatori biomedici sono desiderosi di incorporare nei loro progetti. Queste tecnologie, infatti, aprono una vasta gamma di nuove opzioni di progettazione che non erano possibili utilizzando metodi di produzione convenzionali.,
Questi R& D avanzamenti stanno accadendo anche ad un tasso sempre crescente-bioingegneri devono tenere il passo con la tecnologia dirompente e innovazioni per rendere i migliori prodotti e mantenere o aumentare la loro quota di mercato e la reputazione del marchio.
Mark Crawford è uno scrittore di tecnologia con sede a Corrales, N. M.