Биоэлектроника
Биоэлектроника – это область исследований на стыке биологии и электроники .
Определения [ править ]
На первом семинаре CEC в Брюсселе в ноябре 1991 года биоэлектроника была определена как «использование биологических материалов и биологических архитектур для систем обработки информации и новых устройств». Биоэлектроника, в частности биомолекулярная электроника, описывалась как «исследования и разработки биоинспирированных (т.е. самосборки) неорганических и органических материалов и биоинспирированных (т.е. массивного параллелизма) аппаратных архитектур для реализации новых систем обработки информации». , датчики и исполнительные механизмы, а также для молекулярного производства вплоть до атомного масштаба». [1] Национальный институт стандартов и технологий (NIST), агентство Министерства торговли США , определил биоэлектронику в отчете за 2009 год как «дисциплину, возникшую в результате сближения биологии и электроники ». [2] : 5
Источниками информации в этой области являются Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) с его журналом Elsevier «Биосенсоры и биоэлектроника», издаваемым с 1990 года. В журнале сфера биоэлектроники описывается как стремление: «...использовать биологию в сочетании с электроникой в более широкий контекст, охватывающий, например, биологические топливные элементы, бионику и биоматериалы для обработки и хранения информации, электронные компоненты и приводы. Ключевым аспектом является взаимодействие между биологическими материалами и микро- и наноэлектроникой». [3]
История [ править ]
Первое известное исследование биоэлектроники произошло в 18 веке, когда ученый Луиджи Гальвани приложил напряжение к паре отдельных лягушачьих лапок. Ноги двинулись, положив начало зарождению биоэлектроники. [4] Электронные технологии применяются в биологии и медицине с момента изобретения кардиостимулятора , а также в индустрии медицинской визуализации. В 2009 году опрос публикаций, использующих этот термин в названии или аннотации, показал, что центр активности находился в Европе (43 процента), за которым следовали Азия (23 процента) и США (20 процентов). [2] : 6
Материалы [ править ]
Органическая биоэлектроника — это применение органических электронных материалов в области биоэлектроники. Органические материалы (т.е. содержащие углерод) демонстрируют большие перспективы, когда дело доходит до взаимодействия с биологическими системами. [5] Текущие приложения сосредоточены на нейробиологии. [6] [7] и инфекция. [8] [9]
Проводящие полимерные покрытия, органический электронный материал, демонстрируют значительное улучшение технологии материалов. Это была самая сложная форма электростимуляции. Это улучшило импеданс электродов при электростимуляции, что привело к улучшению качества записи и уменьшению «вредных побочных электрохимических реакций». Органические электрохимические транзисторы (ОЕКТ) были изобретены в 1984 году Марком Райтоном и его коллегами и обладали способностью переносить ионы. Это улучшенное соотношение сигнал/шум и обеспечивает низкий измеренный импеданс. Органический электронный ионный насос (OEIP), устройство, которое можно использовать для воздействия на определенные части тела и органы для присоединения лекарств, было создано Магнусом Берггреном. [4]
(TiN), один из немногих материалов, хорошо зарекомендовавших себя в технологии КМОП, Нитрид титана оказался исключительно стабильным и хорошо подходящим для применения в качестве электродов в медицинских имплантатах . [10] [11]
Важные приложения [ править ]
Биоэлектроника используется, чтобы помочь улучшить жизнь людей с ограниченными возможностями и заболеваниями. Например, глюкометр — это портативное устройство, которое позволяет пациентам с диабетом контролировать и измерять уровень сахара в крови . [4] Электростимуляция используется для лечения пациентов с эпилепсией, хронической болью, болезнью Паркинсона, глухотой, эссенциальным тремором и слепотой. [12] [13] Магнус Берггрен и его коллеги создали вариант своего OEIP, первого биоэлектронного имплантируемого устройства, которое использовалось на живом свободном животном в терапевтических целях. Он передавал электрические токи в ГАМК, кислоту. Недостаток ГАМК в организме является фактором хронической боли. ГАМК затем будет должным образом распределяться по поврежденным нервам, действуя как болеутоляющее. [7] Стимуляция блуждающего нерва (ВНС) используется для активации холинергического противовоспалительного пути (ХП) в блуждающем нерве, что приводит к уменьшению воспаления у пациентов с такими заболеваниями, как артрит . Поскольку пациенты с депрессией и эпилепсией более уязвимы к закрытой ВП, VNS также может им помочь. [14] В то же время не все системы, в которых используется электроника для улучшения жизни людей, обязательно являются биоэлектронными устройствами, а только те, которые предполагают тесный и непосредственный интерфейс электроники и биологических систем. [15]
Будущее [ править ]
Улучшению стандартов и инструментов для мониторинга состояния клеток на субклеточном разрешении не хватает финансирования и занятости. Это проблема, поскольку достижения в других областях науки начинают анализировать большие популяции клеток, что увеличивает потребность в устройстве, которое может контролировать клетки на таком уровне зрения. Клетки нельзя использовать для других целей, кроме их основной цели, например, для обнаружения вредных веществ. Объединение этой науки с нанотехнологиями может привести к созданию невероятно точных методов обнаружения. Сохранение человеческих жизней, как и защита от биотерроризма, является крупнейшим направлением работы в области биоэлектроники. Правительства начинают требовать устройства и материалы, которые обнаруживают химические и биологические угрозы. Чем больше уменьшаются размеры устройств, тем выше будет производительность и возможности. [2]
См. также [ править ]
- Биокомпьютер
- Биоэлектрохимический реактор
- Биоэлектрохимия
- Биосенсоры
- Биологическая машина
- Биомедицинская инженерия
- Диэлектрофорез
- Хранение цифровых данных ДНК
- Электрохимическая инженерия
- Электрофизиология
- Электротроф
- Гальванизм
- Уравнение тока GHK
- Модель Ходжкина – Хаксли
- Имплантат (медицина)
- Мембранный потенциал
- Многоэлектродная решетка
- Уравнение Нернста – Планка
- Нейрофизика
- Патч-зажим
- Количественные модели потенциала действия
- Сальтаторная проводимость
Ссылки [ править ]
- ^ Николини С (1995). «От нейронных чипов и спроектированных биомолекул до биоэлектронных устройств: обзор». Биосенсоры и биоэлектроника . 10 (1–2): 105–27. дои : 10.1016/0956-5663(95)96799-5 . ПМИД 7734117 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с «Основы биоэлектроники: открытия и инновации» (PDF) . Национальный институт стандартов и технологий. Февраль 2009. с. 42.
- ^ «Биосенсоры и биоэлектроника» . Эльзевир.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Ривней Дж., Оуэнс Р.М., Маллиарас Г.Г. (14 января 2014 г.). «Рост органической биоэлектроники». Химия материалов . 26 (1): 679–685. дои : 10.1021/см4022003 .
- ^ Оуэнс Р., Кьялл П., Рихтер-Дальфорс А., Чикойра Ф. (сентябрь 2013 г.). «Органическая биоэлектроника – новые применения в биомедицине. Предисловие». Биохимика и биофизика Acta . 1830 (9): 4283–5. дои : 10.1016/j.bbagen.2013.04.025 . ПМИД 23623969 .
- ^ Саймон Д.Т., Ларссон К.К., Нильссон Д., Бурстрем Г., Галтер Д., Берггрен М., Рихтер-Дальфорс А. (сентябрь 2015 г.). «Органический электронный биомиметический нейрон обеспечивает саморегулируемую нейромодуляцию» . Биосенсоры и биоэлектроника . 71 : 359–364. дои : 10.1016/j.bios.2015.04.058 . ПМИД 25932795 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Йонссон А., Сонг З., Нильссон Д., Мейерсон Б.А., Саймон Д.Т., Линдерот Б., Берггрен М. (май 2015 г.). «Терапия с использованием имплантированной органической биоэлектроники» . Достижения науки . 1 (4): e1500039. Бибкод : 2015SciA....1E0039J . дои : 10.1126/sciadv.1500039 . ПМК 4640645 . ПМИД 26601181 .
- ^ Леффлер С., Либбертон Б., Рихтер-Дальфорс А. (2015). «Органическая биоэлектроника в инфекции» . Журнал химии материалов Б. 3 (25): 4979–4992. дои : 10.1039/C5TB00382B . ПМИД 32262450 .
- ^ Леффлер С., Либбертон Б., Рихтер-Дальфорс А. (ноябрь 2015 г.). «Органические биоэлектронные инструменты для биомедицинских применений» . Электроника . 4 (4): 879–908. doi : 10.3390/electronics4040879 .
- ^ Хеммерле Х., Кобух К., Колер К., Ниш В., Сакс Х., Стелцле М. (февраль 2002 г.). «Биостабильность микрофотодиодных матриц для субретинальной имплантации». Биоматериалы . 23 (3): 797–804. дои : 10.1016/S0142-9612(01)00185-5 . ПМИД 11771699 .
- ^ Глогенер П., Краузе М., Катцер Дж., Шуберт М.А., Биркхольц М., Беллманн О., Крегер-Кох С., Хаммонн Х.М., Метгес К.С., Уэлш К., Рафф Р., Хоффманн К.П. (2018). «Длительная коррозионная устойчивость имплантата датчика микрочипа во время воздействия in vivo» . Биосенсоры . 8 (1): 13. дои : 10.3390/bios8010013 . ПМЦ 5872061 . ПМИД 29389853 .
- ^ Саймон Д.Т., Габриэльссон Э.О., Тибрандт К., Берггрен М. (ноябрь 2016 г.). «Органическая биоэлектроника: преодоление сигнального разрыва между биологией и технологиями» . Химические обзоры . 116 (21): 13009–13041. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00146 . ПМИД 27367172 .
- ^ «ЗАПРОС КЛАССИФИКАЦИИ DE NOVO ДЛЯ CALA ONE» (PDF) . Проверено 11 сентября 2021 г.
- ^ Купман Ф.А., Шурман П.Р., Вервордельдонк М.Дж., Так П.П. (август 2014 г.). «Стимуляция блуждающего нерва: новый биоэлектронный подход к лечению ревматоидного артрита?» . Лучшие практики и исследования. Клиническая ревматология . 28 (4): 625–35. дои : 10.1016/j.berh.2014.10.015 . ПМИД 25481554 .
- ^ Каррара С., Иневски К. (2015). Каррара С., Иневски К. (ред.). Справочник по биоэлектронике . Издательство Кембриджского университета. стр. 1–569. дои : 10.1017/CBO9781139629539 . ISBN 9781139629539 .
Внешние ссылки [ править ]
Словарное определение биоэлектроники в Викисловаре - Биоэлектроника на Answers.com
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
