Biomedizintechnik ist ein sich schnell entwickelndes, disziplinübergreifendes Feld, das Medizin, Biologie, Chemie, Ingenieurwesen, Nanotechnologie und Informatik umfasst. Bioingenieure sind an der Spitze der wissenschaftlichen Entdeckung und entwickeln innovative Medizinprodukte, Impfstoffe, Krankheitsmanagementprodukte, Roboter und Algorithmen, die die menschliche Gesundheit auf der ganzen Welt verbessern.
Unten sind zehn der heißesten Bioengineering R&D Trends im Jahr 2020.
1., Tissue Engineering
Lebendes Gewebe kann aus biologisch aktiven Zellen hergestellt werden, die sich unter kontrollierten Bedingungen auf biologisch abbaubaren Gerüsten ablagern. Eine beliebte Abscheidungsmethode ist das Bioprinting—ein Verfahren, das dem 3D-Druck sehr ähnlich ist, jedoch „Bioinks“ verwendet, die aus menschlichen Zellen anstelle von Kunststoff bestehen.
Die Zellen werden in dünnen Schichten gedruckt, die in lebendes Gewebe oder Körperteile ansammeln, die implantiert werden können. Forscher des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine haben mit einem speziellen 3D-Drucker Gewebe hergestellt, die bei der Implantation in Nagetiere gedeihen.
2., Transdermale Pflaster
Bioingenieure haben die Machbarkeit des Drucks lebender Gewebestrukturen auf einem speziellen 3D-Drucker bewiesen. Foto: Wake Forest Institute for Regenerative Medicine Transdermale Pflaster haben einen langen Weg zurückgelegt, seit sie als Methode zum Abbau der Nikotinsucht eingesetzt wurden. Verbesserungen in der Struktur, den Materialien und den Liefermechanismen haben eine größere Vielfalt von Anwendungen ermöglicht.
Zum Beispiel haben Wissenschaftler der Nanyang Technological University in Singapur ein transdermales Pflaster geschaffen, das mit Medikamenten gefüllt ist, die bei der Bekämpfung von Fettleibigkeit helfen., Anstatt oral oder durch Injektion eingenommen zu werden, werden diese Verbindungen durch Hunderte von biologisch abbaubaren Mikronadeln im Pflaster freigesetzt, die kaum in die Haut eindringen. Wenn sich die Nadeln auflösen, werden die Medikamente langsam in den Körper freigesetzt.
3. Tragbare Geräte
Sensoren, Drähte und Elektronik, die flexibel, wasserdicht und dehnbar sind, können 3D-gedruckt oder in den Stoff eingewebt werden., Tragbare Technologien werden multifunktionaler und können mehrere Gesundheitsparameter wie Pulsfrequenz und Blutdruck überwachen, die auch in Echtzeit an eine medizinische Einrichtung übertragen werden können.
Erfahren Sie mehr in der Infografik: Was ist Bioengineering?
Smart Clothing steuert die Körpertemperaturen mit speziellen Polymeren und feuchtigkeitsempfindlichen Lüftungsöffnungen, die sich bei Bedarf öffnen. Es wurde vorgeschlagen, dass eine individuelle Temperaturregelung durch Kleidung die Heiz-und Kühlkosten eines Gebäudes um bis zu 15 Prozent senken könnte.
4., Roboterchirurgen und Rehabilitation
Forscher haben ein mit Medikamenten gefülltes Transdermalpflaster entwickelt, das Fettleibigkeit bekämpft. Foto: Nanyang Technological University Roboterhersteller stellen multifunktionale Roboter her, um Chirurgen im Operationssaal zu unterstützen. Angetrieben von Eingaben von Ärzten helfen ihnen diese Robotergeräte, Instrumente mit hoher Präzision auf eine Weise zu manipulieren, die sie nicht alleine können. Dies gilt insbesondere für minimal-invasive Operationen.,
Roboter sind auch sehr hilfreich für Menschen, die Schlaganfälle oder Hirnverletzungen erlitten haben, um motorische Aufgaben neu zu lernen. Zum Beispiel ist der Lokomat ein Gangtrainingssystem, das ein Roboter-Exoskelett und ein Laufband verwendet, um Patienten zu helfen, grundlegende Gehfunktionen wiederzuerlangen. Es ermöglicht dem Therapeuten auch, die Gehgeschwindigkeit und die Unterstützung der Roboterbeine für den Patienten zu steuern.
5. Nanoroboter
Forscher arbeiten hart daran, nanogroße Roboter zu entwerfen, die klein genug sind, um in den Blutkreislauf einzudringen und bestimmte Aufgaben auszuführen, z. B. Krebszellen abzutöten.,
Nanoroboter-Designs umfassen DNA-basierte Strukturen, die krebsbekämpfende Medikamente enthalten, die nur an ein bestimmtes Protein binden, das bei Krebstumoren gefunden wird. Nach der Befestigung gibt der Roboter sein Medikament in den Tumor frei.
Indem die pharmazeutischen Mittel genau dort abgegeben werden, wo sie benötigt werden, wird der Körper nicht mit Toxizität überlastet, und die Nebenwirkungen sind weniger oder weniger intensiv, was die Patientenerfahrung verbessert.
6. Virtuelle Realität
Smart fabrics und Textilien Sinne der Verschleiß der Physiologie und reagieren., Foto: UC San Diego VR ist ein besonders wertvolles Werkzeug im medizinischen Bereich, da es die detaillierten Daten aus medizinischen 3D-Bildern darstellen kann. Die Daten können eine unglaublich detaillierte 3D—Ansicht des Körpers eines Patienten oder eines medizinischen Bereichs-beispielsweise des Herz-Kreislauf-Systems-erstellen.
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Das Modell kann aus allen Winkeln und Punkten von Interesse untersucht werden, um die beste Art und Weise zu bestimmen, ein Verfahren durchzuführen. Chirurgen können sogar ein komplexes Verfahren mehrmals üben, bevor sie es durchführen.,
VR ist auch ein kritisches Lehrmittel – Medizinstudenten, zum Beispiel, könnten virtuelle Sektionen durchführen, anstatt mit Leichen.
7. Mikrobläschen
Die Forscher suchen weiterhin nach neuen Wegen, um selektiv Medikamente an bestimmte Zielbereiche abzugeben und so Schäden an gesunden Zellen und Gewebe zu vermeiden. Ein einzigartiger Ansatz sind Mikrobläschen, bei denen es sich um sehr winzige, mikrongroße Partikel handelt, die mit Gas gefüllt sind.,
„Mit Medikamenten beladene Mikrobläschen können in den Körper injiziert werden, und sie werden sich überall verteilen, aber ich kann dann die Mikrobläschen durch einen Ultraschallstrahl stören und das Medikament wird speziell dort abgegeben, wo das Medikament benötigt wird“, sagte Beata Chertok, Assistenzprofessorin für pharmazeutische Wissenschaften und Biomedizintechnik an der University of Michigan. Mikrobläschen können auch mit einer Substanz behandelt werden, die sie ohne Ultraschall an Tumoren haften lässt.
8., Prime Editing
Robotic rehabilitation hilft Patienten, wieder gehen oder andere Funktionen. Foto:Hocoma Diese neue Gen-Editing-Technik baut auf Erfolgen der Basis-Editing und CRISPR-Cas9-Technologie. Prime Editing schreibt DNA neu, indem es nur einen einzelnen Strang schneidet, um Basenpaare hinzuzufügen, zu entfernen oder zu ersetzen. Mit dieser Methode können Forscher mehr Arten genetischer Mutationen bearbeiten als bestehende Genombearbeitungsansätze, einschließlich CRISPR-Cas9.,
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Bisher wurde die Methode nur mit menschlichen und Mauszellen getestet.
„Mögliche Auswirkungen umfassen die Möglichkeit, einen viel größeren Teil der Mutationen, die genetische Krankheiten verursachen, direkt zu korrigieren und DNA-Veränderungen in Kulturen einzuführen, die zu gesünderen oder nachhaltigeren Lebensmitteln führen“, sagte David Liu, Direktor des Merkin Institute for Transformative Technologies in Healthcare am Broad Institute of Harvard und MIT.
9., Organ-on-a-Chip
Chip-Technologien ermöglichen den Aufbau von mikroskaligen Modellen, die die menschliche Physiologie außerhalb des Körpers simulieren. Organs-on-Chips werden verwendet, um das Verhalten von Geweben und Organen in winzigen, aber voll funktionsfähigen Probengrößen zu untersuchen, um das Gewebeverhalten, den Krankheitsverlauf und pharmazeutische Wechselwirkungen besser zu verstehen.
Zum Beispiel können Entzündungsprozesse untersucht werden, um festzustellen, wie eine Entzündung ausgelöst wird und ihren Wert als Frühwarnindikator für zugrunde liegende Erkrankungen, einschließlich Autoimmunreaktionen., Andere physiologische Prozesse, die an Chips untersucht wurden, umfassen Thrombose, mechanische Belastung der Gelenke und Alterung.
10. Mini-Bioreaktoren
Nanoroboter liefern tumorbekämpfende Medikamente. Bild: Arizona State University Bioreaktoren sind Systeme, die biologisch aktive Organismen und ihre Nebenprodukte unterstützen. Kleinere Bioreaktoren sind einfacher zu handhaben und erfordern geringere Probenmengen., Fortschritte in der mikrofluidischen Fertigung ermöglichen es nun, mikroskalige Bioreaktoren zu entwickeln, die Enzyme oder andere Biokatalysatoren sowie Präzisions-Extraktionssysteme zur Herstellung hochreiner Produkte integrieren können.
Diese Systeme bieten wirtschaftliche Hochdurchsatz-Screening, mit nur geringen Mengen an Reagenzien, im Vergleich zu herkömmlichen Großreaktoren. Wenn der 3D-Druck verfeinert wird, sollte es möglich sein, Miniatur-Bioreaktoren mit ungewöhnlicheren Strömungswegen oder speziell entwickelten Kulturkammern herzustellen.,
Zukunftstrends
Miniaturisierung, Materialinnovationen, personalisierte Medizin und additive Fertigung sind wichtige technische Trends, die biomedizinische Forscher gerne in ihre Entwürfe integrieren möchten. Diese Technologien eröffnen in der Tat eine Vielzahl neuer Gestaltungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich waren.,
Diese R&D Fortschritte geschehen auch in einem immer schnelleren Tempo-Bioengineers müssen mit disruptiven Technologien und Innovationen Schritt halten, um die besten Produkte zu machen und ihren Marktanteil und Markenruf zu erhalten oder zu steigern.
Mark Crawford ist ein Technologie-Autor mit Sitz in Corrales, N. M.