Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рибосомой является биологической машиной , которая использует динамики белков
Некоторые биологические машины

Биологическая инженерия , биоинженерия или биоинженерия - это применение принципов биологии и инженерных инструментов для создания полезных, материальных, экономически жизнеспособных продуктов. [1] Биологическая инженерия использует знания и опыт ряда чистых и прикладных наук [2], таких как массо- и теплоперенос, кинетика, биокатализаторы, биомеханика, биоинформатика , процессы разделения и очистки, конструкция биореакторов, наука о поверхности, механика жидкости, термодинамика, и наука о полимерах. Он используется при разработке медицинских устройств, диагностического оборудования, биосовместимых материалов, возобновляемой биоэнергетики, экологической инженерии, сельскохозяйственной инженерии и других областях, которые повышают уровень жизни общества. Примеры биоинженерных исследований включают бактерии, созданные для производства химикатов, новую технологию медицинской визуализации , портативные устройства для быстрой диагностики заболеваний, протезы , биофармацевтические препараты и тканевые органы . [3] [4] Биоинженерия в значительной степени пересекается с биотехнологиями и биомедицинскими науками [5]в аналогично тому , как различные другие формы техники и технологий относятся к различным другим наукам (например, авиационно - космической техники и другой космической техники для кинетики и астрофизики ).

В общем, инженеры-биологические (или инженеры-биомедики ) пытаются либо имитировать биологические системы для создания продуктов, либо модифицировать и контролировать биологические системы, чтобы они могли заменять, увеличивать, поддерживать или прогнозировать химические и механические процессы. [6] Биоинженеры могут применять свой опыт в других областях инженерии и биотехнологии , включая генетическую модификацию растений и микроорганизмов, биотехнологическую инженерию и биокатализ. Работая с врачами, клиницистами и исследователями, биоинженеры используют традиционные инженерные принципы и методы и применяют их к реальным биологическим и медицинским проблемам. [7]

История [ править ]

Биологическая инженерия - это научная дисциплина, основанная на биологических науках точно так же, как химическая инженерия , электротехника и машиностроение [8] могут быть основаны на химии, электричестве и магнетизме, а также на классической механике соответственно. [9] И здесь уделяется такое же фундаментальное внимание рентабельности, как и во всех отраслях машиностроения.

До Второй мировой войны биологическая инженерия только начинала восприниматься как отрасль инженерии и была совершенно новой концепцией для людей. После Второй мировой войны он начал расти более быстрыми темпами, отчасти из-за термина «биоинженерия», придуманного британским ученым и телеведущим Хайнцем Вольфом в 1954 году в Национальном институте медицинских исследований. Вольф получил высшее образование в том же году и стал директором отдела биологической инженерии в университете. Это был первый раз, когда биоинженерия была признана отдельным филиалом в университете. Электротехника считается пионером этого инженерного сектора из-за того, что в это время она работала с медицинскими приборами и оборудованием. [10] Когда инженеры и ученые-биологи начали работать вместе, они осознали проблему, заключающуюся в том, что инженеры недостаточно знали о реальной биологии, лежащей в основе их работы. Чтобы решить эту проблему, инженеры, которые хотели заняться биологической инженерией, посвятили больше своего времени и исследований деталям и процессам, которые входят в такие области, как биология, психология и медицина. [11] Термин «биологическая инженерия» может также применяться к изменениям окружающей среды, таким как защита поверхности почвы, стабилизация склонов, защита водотока и береговой линии, ветрозащитные полосы, растительные барьеры, включая шумовые барьеры и визуальные экраны, а также экологическое улучшение территории. Потому что другие инженерные дисциплины также обращаются к живым организмам., термин «биологическая инженерия» может применяться более широко, включая сельскохозяйственную инженерию .

Первая программа биологической инженерии была создана в Калифорнийском университете в Сан-Диего в 1966 году, что сделало ее первой учебной программой по биологической инженерии в Соединенных Штатах. [12] Более свежие программы были запущены в Массачусетском технологическом институте [13] и Университете штата Юта . [14] Многие старые факультеты сельскохозяйственной инженерии в университетах по всему миру переименовали себя в сельскохозяйственную и биологическую инженерию или сельскохозяйственную и биосистемную инженерию , поскольку биологическая инженерия в целом является быстро развивающейся областью с гибкой категоризацией. По словам профессора Дуга Лауффенбургераиз Массачусетского технологического института [13] [15] биологическая инженерия имеет широкую основу, которая применяет инженерные принципы к огромному диапазону размеров и сложности систем. Эти системы варьируются от молекулярного уровня ( молекулярная биология , биохимия , микробиология , фармакология , химия белков , цитология , иммунология , нейробиология и нейробиология ) до клеточных и тканевых систем (включая устройства и датчики), до целых макроскопических организмов (растений, животных ), и может даже доходить до целых экосистем.

Образование [ править ]

Средняя продолжительность обучения составляет от трех до пяти лет, а полученная степень обозначается как бакалавр инженерных наук ( BS in Engineering). Фундаментальные курсы включают термодинамику, биомеханику, биологию, генную инженерию, гидродинамику и механическую динамику, кинетику, электронику и свойства материалов. [16] [17]

Поддисциплины [ править ]

Моделирование распространения болезней с использованием клеточных автоматов и взаимодействий ближайшего соседа

В зависимости от учреждения и конкретных используемых границ определения, некоторые основные отрасли биоинженерии можно разделить на следующие категории (обратите внимание, что они могут частично совпадать):

  • Биомедицинская инженерия : применение инженерных принципов и концепций дизайна в медицине и биологии для целей здравоохранения. [18]
    • Тканевая инженерия
    • Генная инженерия
    • Нейронная инженерия
    • Фармацевтическая инженерия
    • Клиническая инженерия
    • Биоинформатика
    • Биомеханика
  • Биохимическая инженерия : ферментационная инженерия, применение инженерных принципов к микроскопическим биологическим системам, которые используются для создания новых продуктов путем синтеза, включая производство белка из подходящего сырья. [18]
  • Инженерия биологических систем : применение инженерных принципов и концепций проектирования в сельском хозяйстве, науках о продуктах питания и экосистемах. [8]
  • Биопроцессная инженерия : разрабатывает технологию для мониторинга условий, в которых происходит процесс производства фармацевтических препаратов, [18] (например: проектирование биопроцессов, биокатализ , биоразделение, биоинформатика , биоэнергетика )
  • Инженерия гигиены окружающей среды : применение инженерных принципов к управлению окружающей средой для здоровья, комфорта и безопасности людей. Он включает в себя системы жизнеобеспечения для исследования космического пространства и океана. [18]
  • Инженерия человеческого фактора: применение инженерии, физиологии и психологии к оптимизации взаимоотношений человека и машины. [18]
  • Биотехнология : использование живых систем и организмов для разработки или производства продуктов. [19] (Пример: фармацевтические препараты). [18]
  • Биомиметика : имитация моделей, систем и элементов природы с целью решения сложных человеческих проблем. (Пример: липучка, разработанная после того, как Джордж де Местраль заметил, как легко лыжи прилипают к шерсти собаки). [20]
  • Биоэлектрическая инженерия
  • Биомеханическая инженерия
  • Бионика : интеграция биомедицины, больше ориентированная на робототехнику и вспомогательные технологии. (Пример: протезирование) [18]
  • Биопечать : использование биоматериалов для печати органов и новых тканей [21]
  • Биороботика : (Пример: протезирование)
  • Системная биология : изучение биологических систем.

Организации [ править ]

  • Совет по аккредитации инженерии и технологий (ABET) [22], расположенный в США совет по аккредитации для инженерных программ бакалавриата, проводит различие между биомедицинской инженерией и биологической инженерией, хотя здесь много общего (см. Выше).
  • Американский институт медицинской и биологической инженерии (AIMBE) состоит из 1500 членов. Их главная цель - информировать общественность о ценности биологической инженерии в нашем мире, а также инвестировать в исследования и другие программы для развития этой области. Они вручают награды тем, кто привержен инновациям в этой области, и награды за достижения в этой области. (Они не вносят прямого вклада в биологическую инженерию, они больше признают тех, кто вносит свой вклад, и поощряют общественность продолжать это движение вперед). [23]
  • Институт биологической инженерии (IBE) - некоммерческая организация, работающая только на пожертвования. Они нацелены на то, чтобы побудить общественность учиться и продолжать достижения в области биологической инженерии. (Как и AIMBE, они не проводят исследования напрямую; однако они предлагают стипендии студентам, которые подают надежды в этой области). [24]
  • Общество биологической инженерии (SBE) - технологическое сообщество, связанное с Американским институтом инженеров-химиков (AIChE). SBE проводит международные конференции и является глобальной организацией ведущих инженеров и ученых, стремящихся продвигать интеграцию биологии с инженерией. [25]

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Abramovitz, Melissa (2015). Биологическая инженерия . Виртуальная справочная библиотека Гейла. п. 10. ISBN 978-1-62968-526-7.
  2. ^ Герольд, Кейт; Бентли, Уильям Э .; Воссуги, Джафар (2010). Основы биоинженерного образования . 26-я Южная конференция по биомедицинской инженерии, Колледж-Парк, Мэриленд. п. 65. ISBN 9783642149979.CS1 maint: location ( ссылка )
  3. ^ "Что такое биоинженерия?" . bioeng.berkeley.edu . Проверено 21 июля 2018 .
  4. ^ "MSB: О Мюнхенской школе биоинжиниринга" . www.bioengineering.tum.de . Проверено 3 февраля 2020 .
  5. ^ «Биотехнология против биомедицинской науки против биомедицинской инженерии (биоинженерия)» . Танмой Рэй . 2018-07-19 . Проверено 21 июля 2018 .
  6. ^ Пасотти, Лоренцо; Зукка, Сюзанна (2014-08-03). «Достижения и вычислительные инструменты для предсказуемого дизайна в биологической инженерии» . Вычислительные и математические методы в медицине . 2014 : 369681. дои : 10,1155 / 2014/369681 . PMC 4137594 . PMID 25161694 .  
  7. ^ Шеффилд, Университет. «Что такое биоинженерия? - Биоинженерия - Университет Шеффилда» . www.sheffield.ac.uk . Проверено 21 июля 2018 .
  8. ^ a b Абрамовиц, Мелисса (2015). Биологическая инженерия . Виртуальная справочная библиотека Гейла. п. 18. ISBN 978-1-62968-526-7.
  9. ^ Cuello JC, Инженерия к биологии и биология к инженерии, Двунаправленная связь между инженерией и биологией в дизайне биологической инженерии, Int J Engng Ed 2005, 21, 1-7
  10. ^ Медицинская и биологическая инженерия . Оксфорд; Нью-Йорк: Pergamon Press. 1966–1976.
  11. ^ Наик, под редакцией Ганеша Р. (2012). Прикладная биологическая инженерия: принципы и практика . Риека: InTech. ISBN 9789535104124.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  12. ^ «Основатель программы биоинженерии UCSD» . jacobsschool.ucsd.edu. 1 марта 2004 . Проверено 22 мая 2018 .
  13. ^ a b «Массачусетский технологический институт, Отдел биологической инженерии» . Проверено 16 апреля 2015 года .
  14. ^ "Государственный университет Юты, факультет биологической инженерии" . be.usu.edu . Проверено 13 ноября 2011 .
  15. ^ "MIT Directory, Дуг Лауффенбургер" . Проверено 15 апреля 2015 года .
  16. ^ Линсенмайер Р.А., Определение учебной программы бакалавриата по биомедицинской инженерии
  17. ^ Джонсон AT, Филлипс WM. «Философские основы биологической инженерии». Журнал инженерного образования . 1995 (84): 311–318.
  18. ^ a b c d e f g "Биоинженерия" . Британская энциклопедия .
  19. ^ «Конвенция о биологическом разнообразии» . Проверено 27 апреля 2018 года .
  20. ^ «Биомиметика: ее практика и теория» . Издательство Королевского общества .
  21. ^ «Биопечать» . Дата обращения 1 мая 2018 .
  22. ^ Аккредитация ABET , дата обращения 8.09.2010.
  23. ^ "AIMBE О странице" .
  24. ^ "Институт биологической инженерии" . Проверено 20 апреля 2018 года .
  25. ^ "Общество биологической инженерии" . Проверено 21 августа 2019 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Биоинженерное общество
  • Общество биомедицинской инженерии
  • Институт биологической инженерии
  • Институт системной биологической инженерии Бенджо
  • Американский институт медицинской и биологической инженерии
  • Американское общество сельскохозяйственных и биологических инженеров
  • Общество биологической инженерии, часть Айше
  • Журнал биологической инженерии, JBE
  • Операции биологической инженерии
  • Мюнхенская школа биоинжиниринга