Биологическая инженерия
 | Эта статья может сбивать с толку или быть непонятной читателям . ( Ноябрь 2017 г. ) |
Биологическая инженерия или биоинженерия – это применение принципов биологии и инженерных инструментов для создания полезных, осязаемых и экономически жизнеспособных продуктов. [1] Биологическая инженерия использует знания и опыт ряда чистых и прикладных наук. [2] такие как массо- и теплообмен, кинетика, биокатализаторы, биомеханика, биоинформатика , процессы разделения и очистки, проектирование биореакторов, наука о поверхности, механика жидкости, термодинамика и наука о полимерах. Он используется при разработке медицинских устройств, диагностического оборудования, биосовместимых материалов, возобновляемых источников энергии, экологической инженерии, сельскохозяйственной инженерии, технологического проектирования и катализа и других областей, которые улучшают уровень жизни общества.
Примеры биоинженерных исследований включают бактерии, созданные для производства химических веществ, новые технологии медицинской визуализации , портативные устройства для быстрой диагностики заболеваний, протезирование , биофармацевтические препараты и тканеинженерные органы . [3] [4] Биоинженерия существенно пересекается с биотехнологией и биомедицинскими науками аналогично тому, как различные другие формы инженерии и технологии связаны с различными другими науками (например, аэрокосмическая инженерия и другие космические технологии с кинетикой и астрофизикой ). [ нужна ссылка ]
В общем, инженеры-биологи пытаются либо имитировать биологические системы для создания продуктов, либо модифицировать биологические системы и контролировать их. Работая с врачами, клиницистами и исследователями, биоинженеры используют традиционные инженерные принципы и методы для решения биологических процессов, включая способы замены, увеличения, поддержания или прогнозирования химических и механических процессов. [5] [6]
История
[ редактировать ]Биологическая инженерия — это научная дисциплина, основанная на биологических науках так же, как химическая инженерия , электротехника и машиностроение. [7] могут быть основаны на химии, электричестве и магнетизме и классической механике соответственно. [8]
Перед Второй мировой войной биологическая инженерия стала признаваться отраслью техники и была новой концепцией для людей. После Второй мировой войны она развивалась более быстрыми темпами, и термин «биоинженерия» был придуман британским ученым и телеведущим Хайнцем Вольфом в 1954 году в Национальном институте медицинских исследований. В том же году Вольф окончил университет и стал директором отдела биологической инженерии. Это был первый раз, когда биоинженерия была признана отдельным направлением в университете. Электротехника была в центре внимания этой дисциплины из-за работы в то время с медицинскими устройствами и оборудованием. [9]
Когда инженеры и ученые-биологи начали работать вместе, они осознали, что инженеры недостаточно знают о реальной биологии, лежащей в основе их работы. Чтобы решить эту проблему, инженеры, которые хотели заняться биологической инженерией, уделяли больше времени изучению процессов биологии, психологии и медицины. [10]
Совсем недавно термин «биологическая инженерия» стал применяться к изменениям окружающей среды, таким как защита поверхности почвы, стабилизация склонов, защита водотоков и береговой линии, ветрозащитные полосы, растительные барьеры, включая шумовые барьеры и визуальные экраны, а также экологическое улучшение территории. Поскольку другие инженерные дисциплины также занимаются живыми организмами , термин «биологическая инженерия» может применяться более широко и включать сельскохозяйственную инженерию . [ нужна ссылка ]
Первая программа биологической инженерии в США была начата в Калифорнийском университете в Сан-Диего в 1966 году. [11] Более поздние программы были запущены в MIT. [12] и Университет штата Юта . [13] Многие старые кафедры сельскохозяйственной инженерии в университетах по всему миру переименовали себя в сельскохозяйственную и биологическую инженерию или сельскохозяйственную и биосистемную инженерию . По словам профессора Дуга Лауффенбургера из Массачусетского технологического института, [12] [14] Биологическая инженерия имеет широкую базу, которая применяет инженерные принципы к огромному диапазону размеров и сложности систем, начиная от молекулярного уровня ( молекулярная биология , биохимия , микробиология , фармакология , химия белков , цитология , иммунология , нейробиология и нейробиология ) до клеточного уровня. и тканевых систем (включая устройства и датчики), целых макроскопических организмов (растений, животных) и даже биомов и экосистем.
Образование
[ редактировать ]Средняя продолжительность обучения составляет от трех до пяти лет, а полученная степень обозначается как бакалавр технических наук ( бакалавр технических наук). Фундаментальные курсы включают термодинамику, биомеханику, биологию, генную инженерию, гидродинамику и механическую динамику, химическую и ферментативную кинетику, электронику и свойства материалов. [15] [16]
Субдисциплины
[ редактировать ]
В зависимости от учреждения и конкретных используемых определений некоторые основные отрасли биоинженерии можно разделить на следующие категории (обратите внимание, что они могут пересекаться):
- Биомедицинская инженерия : применение инженерных принципов и концепций проектирования в медицине и биологии в целях здравоохранения. [17]
- Биохимическая инженерия : инженерия ферментации, применение инженерных принципов к микроскопическим биологическим системам, которые используются для создания новых продуктов путем синтеза, включая производство белка из подходящего сырья. [17]
- Инженерия биологических систем : применение инженерных принципов и концепций проектирования в сельском хозяйстве, пищевых науках и экосистемах. [7]
- Биотехнологическая инженерия : разрабатывает технологии для мониторинга условий, в которых происходит конкретный процесс, [17] (Пример: проектирование биопроцессов, биокатализ , биосепарация, биоэнергетика )
- Инженерия гигиены окружающей среды : применение инженерных принципов для контроля окружающей среды для здоровья, комфорта и безопасности людей. Сюда входит область систем жизнеобеспечения для освоения космического пространства и океана. [17]
- Человеческий фактор и эргономика : применение инженерии, физиологии и психологии для оптимизации взаимоотношений человека и машины. [17] (Пример: физическая эргономика , когнитивная эргономика , взаимодействие человека и компьютера )
- Биотехнология : использование живых систем и организмов для разработки или производства продуктов. [18] (Пример: фармацевтика, биоинформатика , генная инженерия .) [17]
- Биомиметика : имитация моделей, систем и элементов природы с целью решения сложных человеческих проблем. (Пример: застежка-липучка, разработанная после того, как Жорж де Местраль заметил, как легко прилипают к шерсти собаки боры.) [19]
- Биоэлектрическая инженерия
- Биомеханическая инженерия : это применение принципов машиностроения и биологии для определения того, как эти области связаны и как их можно интегрировать для потенциального улучшения здоровья человека. [20]
- Бионика : интеграция биомедицины, ориентированная больше на робототехнику и вспомогательные технологии. (Пример: протезирование) [17]
- Биопечать : использование биоматериалов для печати органов и новых тканей. [21]
- Биороботика : (Пример: электрическое протезирование)
- Системная биология : молекулы, клетки, органы и организмы исследуются с точки зрения их взаимодействия и поведения. [22]
Организации
[ редактировать ]- Совет по аккредитации техники и технологий (ABET), [23] Американская комиссия по аккредитации программ бакалавриата в области инженерии проводит различие между биомедицинской инженерией и биологической инженерией, хотя между ними много совпадений (см. Выше).
- Американский институт медицинской и биологической инженерии (AIMBE) состоит из 1500 членов. Их главная цель — информировать общественность о значении биологической инженерии в нашем мире, а также инвестировать в исследования и другие программы для развития этой области. Они вручают награды тем, кто занимается инновациями в этой области, а также награды за достижения в этой области. (Они не вносят прямого вклада в биологическую инженерию, они больше признают тех, кто это делает, и поощряют общественность продолжать это движение вперед). [24]
- Институт биологической инженерии (ИБИ) — некоммерческая организация, существующая исключительно за счет пожертвований. Они направлены на то, чтобы побудить общественность учиться и продолжать достижения в области биологической инженерии. (Как и AIMBE, они не проводят исследования напрямую, однако предлагают стипендии студентам, подающим надежды в этой области). [25]
- Общество биологической инженерии (SBE) — технологическое сообщество, связанное с Американским институтом инженеров-химиков (AIChE). SBE проводит международные конференции и представляет собой глобальную организацию ведущих инженеров и ученых, занимающуюся продвижением интеграции биологии с инженерией. [26]
- MediUnite Journal — это медицинская информационная кампания и газета, которая часто публикует биомедицинские результаты и цитирует биомедицину в различных исследовательских работах. [27]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Абрамовиц, Мелисса (2015). Биологическая инженерия . Издательство АБДО. п. 10. ISBN 978-1-62968-526-7 .
- ^ Герольд, Кейт; Бентли, Уильям Э.; Воссуги, Джафар (2010). Основы биоинженерного образования . 26-я Южная биомедицинская инженерная конференция. Колледж-Парк, Мэриленд: Спрингер. п. 65. ИСБН 9783642149979 .
- ^ «Что такое биоинженерия?» . bioeng.berkeley.edu . Проверено 21 июля 2018 г.
- ^ «MSB: О Мюнхенской школе биоинженерии» . www.bioengineering.tum.de . Архивировано из оригинала 03 февраля 2020 г. Проверено 3 февраля 2020 г.
- ^ Пасотти, Лоренцо; Зукка, Сюзанна (3 августа 2014 г.). «Достижения и вычислительные инструменты для предсказуемого проектирования в биологической инженерии» . Вычислительные и математические методы в медицине . 2014 : 369681. doi : 10.1155/2014/369681 . ПМЦ 4137594 . ПМИД 25161694 .
- ^ Шеффилд, Университет. «Что такое биоинженерия? - Биоинженерия - Университет Шеффилда» . www.sheffield.ac.uk . Проверено 21 июля 2018 г.
- ^ Jump up to: а б Абрамовиц, Мелисса (2015). Биологическая инженерия . Виртуальная справочная библиотека Гейла. п. 18. ISBN 978-1-62968-526-7 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Куэлло Дж. К., От инженерии до биологии и от биологии до инженерии, Двунаправленная связь между инженерией и биологией в биоинженерном проектировании, Int J Engng Ed 2005, 21, 1-7
- ^ Медицинская и биологическая инженерия . Оксфорд; Нью-Йорк: Пергамон Пресс. 1966–1976.
- ^ Наик, Ганеш Р., изд. (2012). Прикладная биологическая инженерия: принципы и практика . Риека: ИнТех. ISBN 9789535104124 .
- ^ «Основатель биоинженерной программы UCSD» . jacobsschool.ucsd.edu. 1 марта 2004 г. Проверено 22 мая 2018 г.
- ^ Jump up to: а б «MIT, факультет биологической инженерии» . Проверено 16 апреля 2015 г.
- ^ «Университет штата Юта, факультет биологической инженерии» . be.usu.edu . Проверено 13 ноября 2011 г.
- ^ «Справочник MIT, Дуг Лауффенбургер» . Проверено 15 апреля 2015 г.
- ^ Линсенмайер Р.А., Определение учебной программы бакалавриата по биомедицинской инженерии
- ^ Джонсон А.Т., Филлипс В.М. (1995). «Философские основы биологической инженерии» . Журнал инженерного образования . 1995 (84): 311–318. дои : 10.1002/j.2168-9830.1995.tb00185.x .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г «Биоинженерия» . Британская энциклопедия .
- ^ «Конвенция о биологическом разнообразии» . 13 мая 2016 года . Проверено 27 апреля 2018 г.
- ^ Винсент, Джулиан Ф.В.; Богатырева Ольга Александровна; Богатырев Николай Р.; Бойер, Адриан; Паль, Аня-Карина (2006). «Биомиметика: ее практика и теория» . Журнал интерфейса Королевского общества . 3 (9): 471–482. дои : 10.1098/rsif.2006.0127 . ПМЦ 1664643 . ПМИД 16849244 .
- ^ «Часто задаваемые вопросы по биомеханической инженерии | Машиностроение» . me.stanford.edu . Проверено 15 февраля 2023 г.
- ^ «Биопечать» . Проверено 1 мая 2018 г.
- ^ «Системная биология | Британика» . www.britanica.com . Проверено 15 февраля 2023 г.
- ^ Аккредитация ABET , по состоянию на 8 сентября 2010 г.
- ^ «О странице AIMBE» .
- ^ «Институт биологической инженерии» . Проверено 20 апреля 2018 г.
- ^ «Общество биологической инженерии» . 28 февраля 2012 года . Проверено 21 августа 2019 г.
- ^ «МедиЮнит» . www.mediunite.ca . Проверено 7 сентября 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Биоинженерное общество
- Общество биомедицинской инженерии
- Институт биологической инженерии
- Институт системной биологической инженерии Бенджо
- Американский институт медицинской и биологической инженерии
- Американское общество инженеров сельского хозяйства и биологии
- Общество биологической инженерии, часть AIChE
- Журнал биологической инженерии, JBE
- Биологические инженерные операции
- Мюнхенская школа биоинженерии
