Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для статей, связанных с имплантированными биоэлектронными устройствами и биоэлектронной медициной, см. Имплант (медицина) .

Биоэлектроника - это область исследований в области конвергенции биологии и электроники .

Определения [ править ]

Рибосомой является биологической машиной , которая использует динамики белков

На первом семинаре CEC в Брюсселе в ноябре 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. Массивного 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, определил биоэлектронику в отчете за 2009 год как «дисциплина, возникшая в результате слияния 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 стремящуюся: «... 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 [ править ]

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 применялись в биологии и медицине с момента изобретения кардиостимулятора и в индустрии медицинской визуализации. В 2009 году обзор публикаций с использованием этого термина в названии или аннотации показал, что центром активности была Европа (43 процента), за которой следовали Азия (23 процента) и США (20 процентов). [2] : 6

Материалы [ править ]

Органическая биоэлектроника - это применение органических электронных материалов в области биоэлектроники. Органические материалы (например, содержащие углерод) очень многообещающие, когда дело касается взаимодействия с биологическими системами. [5] Текущие приложения сосредоточены на неврологии [6] [7] и инфекциях. [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 было 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 [ править ]

Биоэлектроника используется для улучшения жизни людей с ограниченными возможностями и болезнями. 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] Магнусс Берггрен и его коллеги создали вариант своего OEIP, первого биоэлектронного имплантируемого устройства, которое использовалось на живых, свободных животных в терапевтических целях. Он передавал электрические токи в ГАМК, кислоту. Недостаток ГАМК в организме является фактором хронической боли. Затем ГАМК будет должным образом распространяться на поврежденные нервы, 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 к закрытой ВБ, VNS также может им помочь. [15] В то же время не все системы, в которых есть электроника, используемая для улучшения жизни людей, обязательно являются биоэлектронными устройствами, а только те, которые включают тесный и непосредственный интерфейс электроники и биологических систем. [16]

Будущее [ править ]

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 иначе, чем по 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, - это 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]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Nicolini C (1995). «От нейронных чипов и биомолекул до биоэлектронных устройств: обзор». Биосенсоры и биоэлектроника . 10 (1–2): 105–27. DOI : 10.1016 / 0956-5663 (95) 96799-5 . PMID  7734117 .
  2. ^ a b c «Основы биоэлектроники: открытие и инновации» (PDF) . Национальный институт стандартов и технологий. Февраль 2009. с. 42.
  3. ^ «Биосенсоры и биоэлектроника» . Эльзевир.
  4. ^ a b c Ривней Дж., Оуэнс Р.М., Маллиарас Г.Г. (14 января 2014 г.). «Расцвет органической биоэлектроники». Химия материалов . 26 (1): 679–685. DOI : 10.1021 / cm4022003 .
  5. ^ Owens R, Kjall P, Рихтер-Dahlfors A, Cicoira F (сентябрь 2013). «Органическая биоэлектроника - новые приложения в биомедицине. Предисловие». Biochimica et Biophysica Acta . 1830 (9): 4283–5. DOI : 10.1016 / j.bbagen.2013.04.025 . PMID 23623969 . 
  6. ^ Саймон Д.Т., Ларссон К.С., Нильссон Д., Бурстрём Г., Галтер Д., Берггрен М., Рихтер-Дальфорс А. (сентябрь 2015 г.). «Органический электронный биомиметический нейрон обеспечивает саморегулируемую нейромодуляцию» . Биосенсоры и биоэлектроника . 71 : 359–364. DOI : 10.1016 / j.bios.2015.04.058 . PMID 25932795 . 
  7. ↑ Jonsson A, Song Z, Nilsson D, Meyerson BA, Simon DT, Linderoth B, Berggren M (май 2015 г.). «Терапия с использованием имплантированной органической биоэлектроники» . Наука продвигается . 1 (4): e1500039. Bibcode : 2015SciA .... 1E0039J . DOI : 10.1126 / sciadv.1500039 . PMC 4640645 . PMID 26601181 .  
  8. ^ Löffler S, Libberton В, Рихтер-Dahlfors А (2015). «Органическая биоэлектроника в инфекции» . Журнал Materials Chemistry B . 3 (25): 4979–4992. DOI : 10.1039 / C5TB00382B . PMID 32262450 . 
  9. ^ Löffler S, Libberton В, Рихтер-Dahlfors А (ноябрь 2015). «Органические биоэлектронные инструменты для биомедицинских приложений» . Электроника . 4 (4): 879–908. DOI : 10.3390 / electronics4040879 .
  10. ^ Hämmerle H, Kobuch K, Kohler K, Nisch W, H Sachs, Stelzle M (февраль 2002). «Биостабильность матриц микрофотодиодов для субретинальной имплантации». Биоматериалы . 23 (3): 797–804. DOI : 10.1016 / S0142-9612 (01) 00185-5 . PMID 11771699 . 
  11. ^ Glogener Р, Krause М, Катцер Дж, Шуберт М.А., Биркхолец М, Bellmann О, Крегер-Кох С, Hammonn НМ, Metges СС, Вельши С, Ruff R, Хоффман КП (2018). «Длительная коррозионная стабильность имплантата датчика микрочипа во время воздействия in vivo» . Биосенсоры . 8 (1): 13. DOI : 10,3390 / bios8010013 . PMC 5872061 . PMID 29389853 .  
  12. ^ Саймон ДТ, Габриелссон ЭО, Tybrandt К, М Бергрен (ноябрь 2016). «Органическая биоэлектроника: устранение сигнального разрыва между биологией и технологией» . Химические обзоры . 116 (21): 13009–13041. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.6b00146 . PMID 27367172 . 
  13. ^ (PDF) https://www.accessdata.fda.gov/cdrh_docs/reviews/DEN170028.pdf . Отсутствует или пусто |title=( справка )
  14. ↑ Jonsson A, Song Z, Nilsson D, Meyerson BA, Simon DT, Linderoth B, Berggren M (май 2015 г.). «Терапия с использованием имплантированной органической биоэлектроники» . Наука продвигается . 1 (4): e1500039. Bibcode : 2015SciA .... 1E0039J . DOI : 10.1126 / sciadv.1500039 . PMC 4640645 . PMID 26601181 .  
  15. ^ Купман FA, Schuurman PR, Vervoordeldonk MJ, Tak PP (август 2014). «Стимуляция блуждающего нерва: новый подход биоэлектроники к лечению ревматоидного артрита?» . Лучшие практики и исследования. Клиническая ревматология . 28 (4): 625–35. DOI : 10.1016 / j.berh.2014.10.015 . PMID 25481554 . 
  16. ^ Каррарский S, Iniewski К (2015). Каррара С., Иневски К. (ред.). Справочник по биоэлектронике . Издательство Кембриджского университета. С. 1–569. DOI : 10.1017 / CBO9781139629539 . ISBN 9781139629539.

Внешние ссылки [ править ]

Словарное определение биоэлектроники в Викисловаре

  • Биэлектроника на Answers.com