Биоэлектроника - Bioelectronics

Для статей, касающихся имплантированных биоэлектронных устройств и биоэлектронной медицины, см. Имплант (лекарство).

Биоэлектроника область исследований в области конвергенции биология и электроника.

Определения

А рибосома это биологическая машина который использует динамика белка

На первом C.E.C. Семинар в Брюсселе, ноябрь 1991 г., биоэлектроника была определена как «использование биологических материалов и биологических архитектур для систем обработки информации и новых устройств». Биоэлектроника, в частности биомолекулярная электроника, описывалась как «исследование и разработка биоиндуцированных (т. Е. Самосборных) неорганических и органических материалов и биоиндуцированных (т. Е. Массового параллелизма) аппаратных архитектур для внедрения новых систем обработки информации. , сенсоры и исполнительные механизмы, а также для молекулярного производства вплоть до атомного масштаба ».[1]Национальный институт стандартов и технологий (NIST), агентство Министерства торговли США, определило биоэлектронику в отчете за 2009 год как «дисциплину, возникшую в результате конвергенции биологии и электроники».[2]:5

Источники информации об этой области включают Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) с его журналом Elsevier Biosensors and Bioelectronics, издаваемым с 1990 года. Журнал описывает сферу применения биоэлектроники как стремление «... использовать биологию в сочетании с электроникой в более широкий контекст, охватывающий, например, биологические топливные элементы, бионику и биоматериалы для обработки информации, хранения информации, электронные компоненты и исполнительные механизмы. Ключевым аспектом является интерфейс между биологическими материалами и микро- и наноэлектроникой ».[3]

История

Первое известное исследование биоэлектроники произошло в 18 веке, когда ученый Луиджи Гальвани приложил напряжение к паре оторванных лягушачьих лапок. Ноги двигались, что положило начало биоэлектронике.[4] Электронные технологии применяются в биологии и медицине с момента изобретения кардиостимулятора, а также в индустрии медицинской визуализации. В 2009 году обзор публикаций с использованием этого термина в названии или аннотации показал, что центр активности находится в Европе (43%), за которой следуют Азия (23 процента) и США (20 процентов).[2]:6

Материалы

Органическая биоэлектроника - это применение органических электронных материалов в области биоэлектроники. Органические материалы (т.е. содержащие углерод) очень многообещающие, 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 изощренная форма электростимуляции. Это улучшило импеданс электродов при электростимуляции, что привело к улучшению записи и уменьшению «вредных электрохимических побочных реакций». Органические электрохимические транзисторы (OECT) были изобретены в 1984 году Марком Райтоном и его коллегами, которые обладали способностью переносить ионы. Это улучшенное отношение сигнал / шум и обеспечивает низкий измеренный импеданс. Органический электронный ионный насос (OEIP), устройство, которое можно использовать для нацеливания на определенные части тела и органы, чтобы прикрепить лекарство, был создан Магнусом Берггреном.[4]

Как один из немногих материалов, хорошо зарекомендовавших себя в КМОП-технологии, нитрид титана (TiN) оказался исключительно стабильным и хорошо подходящим для электродов в медицинских имплантатах.[10][11]

Важные приложения

Биоэлектроника используется для улучшения жизни людей с ограниченными возможностями и болезнями. Например, монитор глюкозы - 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. Затем ГАМК должным образом распределяется по поврежденным нервам, действуя как болеутоляющее.[14] Стимуляция блуждающего нерва (VNS) используется для активации холинергического противовоспалительного пути (CAP) в блуждающем нерве, что приводит к уменьшению воспаления у пациентов с такими заболеваниями, как артрит. Поскольку пациенты с депрессией и эпилепсией более уязвимы для закрытой ВБ, VNS также может им помочь.[15] В то же время не все системы, в которых используется электроника для улучшения жизни людей, обязательно являются биоэлектронными устройствами, а только те, которые включают тесный и прямой интерфейс электроники и биологических систем.[16]

Будущее

Для улучшения стандартов и инструментов для мониторинга состояния клеток при субклеточном разрешении не хватает финансирования и занятости. Это проблема, потому что 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 формами нанотехнологий может привести к невероятно точным методам обнаружения. Сохранение человеческих жизней, как и защита от биотерроризма, - самая большая область работы, проводимой в биоэлектронике. Правительства начинают требовать устройства и материалы, обнаруживающие химические и биологические угрозы. Чем больше уменьшаются размеры устройств, тем выше производительность и возможности.[2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Николини C (1995). «От нейронных чипов и биомолекул до биоэлектронных устройств: обзор». Биосенсоры и биоэлектроника. 10 (1–2): 105–27. Дои:10.1016/0956-5663(95)96799-5. PMID  7734117.
  2. ^ а б c «Основы биоэлектроники: открытие и инновации» (PDF). Национальный институт стандартов и технологий. Февраль 2009. с. 42.
  3. ^ «Биосенсоры и биоэлектроника». Эльзевир.
  4. ^ а б c Ривнай Дж., Оуэнс Р.М., Маллиарас Г.Г. (14 января 2014 г.). «Расцвет органической биоэлектроники». Химия материалов. 26 (1): 679–685. Дои:10,1021 / см 4022003.
  5. ^ Оуэнс Р., Кьялл П., Рихтер-Дальфорс А., Сикоира Ф. (сентябрь 2013 г.). «Органическая биоэлектроника - новые приложения в биомедицине. Предисловие». Biochimica et Biophysica Acta. 1830 (9): 4283–5. Дои:10.1016 / j.bbagen.2013.04.025. PMID  23623969.
  6. ^ Саймон Д.Т., Ларссон К.С., Нильссон Д., Бурстрём Дж., 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. PMID  25932795.
  7. ^ 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. Bibcode:2015SciA .... 1E0039J. Дои:10.1126 / sciadv.1500039. ЧВК  4640645. PMID  26601181.
  8. ^ Лёффлер С., Либбертон Б., Рихтер-Дальфорс А. (2015). «Органическая биоэлектроника в инфекции». Журнал химии материалов B. 3 (25): 4979–4992. Дои:10.1039 / C5TB00382B. PMID  32262450.
  9. ^ Лёффлер С., Либбертон Б., Рихтер-Дальфорс А. (ноябрь 2015 г.). «Органические биоэлектронные инструменты для биомедицинских приложений». Электроника. 4 (4): 879–908. Дои:10.3390 / электроника4040879.
  10. ^ Hämmerle H, Kobuch K, Kohler K, Nisch W., Sachs H, Stelzle M (февраль 2002 г.). «Биостойкость матриц микрофотодиодов для субретинальной имплантации». Биоматериалы. 23 (3): 797–804. Дои:10.1016 / S0142-9612 (01) 00185-5. PMID  11771699.
  11. ^ Глогенер П., Краузе М., Катцер Дж., Шуберт М.А., Биркхольц М., Беллманн О., Крёгер-Кох С., Хаммонн Х.М., Метгес С.К., Велш С., Руфф Р., Хоффманн КП (2018). «Длительная коррозионная стойкость имплантата датчика микрочипа во время воздействия in vivo». Биосенсоры. 8 (1): 13. Дои:10.3390 / bios8010013. ЧВК  5872061. PMID  29389853.
  12. ^ Саймон Д. Т., Габриэльссон Э. О., Тайбрандт К., Берггрен М. (ноябрь 2016 г.). «Органическая биоэлектроника: устранение сигнального разрыва между биологией и технологией». Химические обзоры. 116 (21): 13009–13041. Дои:10.1021 / acs.chemrev.6b00146. PMID  27367172.
  13. ^ (PDF) https://www.accessdata.fda.gov/cdrh_docs/reviews/DEN170028.pdf. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  14. ^ 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. Bibcode:2015SciA .... 1E0039J. Дои:10.1126 / sciadv.1500039. ЧВК  4640645. PMID  26601181.
  15. ^ Купман Ф.А., Шуурман П.Р., Вервурделдонк М.Дж., Так П.П. (август 2014 г.). "Стимуляция блуждающего нерва: новый подход биоэлектроники к лечению ревматоидного артрита?". Лучшие практики и исследования. Клиническая ревматология. 28 (4): 625–35. Дои:10.1016 / j.berh.2014.10.015. PMID  25481554.
  16. ^ Каррара С., Иневский К. (2015). Каррара С., Иневски К. (ред.). Справочник по биоэлектронике. Издательство Кембриджского университета. С. 1–569. Дои:10.1017 / CBO9781139629539. ISBN  9781139629539.

внешняя ссылка

Словарное определение биоэлектроника в Викисловарь