Capitolo 2 : Ingegneria biomedica
L'ingegneria medica, spesso nota come ingegneria biomedica (BME), è l'applicazione di idee ingegneristiche e concetti di progettazione ai campi della medicina e della biologia allo scopo di fornire assistenza sanitaria (ad esempio, per scopi diagnostici o terapeutici). Quando si tratta di far progredire il trattamento sanitario, compresa la diagnosi, il monitoraggio e la terapia, la BME è anche tipicamente considerata dal lato delle scienze logiche. Gli ingegneri biomedici sono responsabili della gestione delle apparecchiature mediche esistenti negli ospedali nel rispetto degli standard industriali appropriati. Questa responsabilità rientra nell'ambito della professione di ingegnere biomedico. Nell'ambito di questa professione, nota anche come tecnico di apparecchiature biomediche (BMET) o ingegnere clinico, l'individuo è responsabile di fornire suggerimenti in merito alle apparecchiature, nonché di eseguire test di routine, manutenzione preventiva e acquisto.
Gli ultimi anni hanno visto l'emergere dell'ingegneria biomedica come campo di studio distinto, in contrasto con la maggior parte delle altre aree disciplinari dell'ingegneria. Quando un nuovo campo si evolve dall'essere una specializzazione interdisciplinare tra materie già consolidate all'essere considerato un campo a sé stante, questo tipo di evoluzione è un evento regolare. Una parte significativa del lavoro svolto nell'ambito dell'ingegneria biomedica è costituito da ricerca e sviluppo, che comprende un'ampia varietà di sottocampi (vedi sotto). Lo sviluppo di protesi biocompatibili, un'ampia varietà di dispositivi medici diagnostici e terapeutici che vanno dalle apparecchiature cliniche ai microimpianti, le tecnologie di imaging come la risonanza magnetica (MRI) e l'elettrocardiogramma (ECG), la crescita rigenerativa dei tessuti e lo sviluppo di farmaci, compresi i biofarmaci, sono alcune delle applicazioni più importanti dell'ingegneria biomedica.
Il tema della bioinformatica è un campo interdisciplinare che si concentra sullo sviluppo di strumenti e procedure software allo scopo di comprendere dati biologici. La bioinformatica è un'area di studio che combina informatica, statistica, matematica e ingegneria al fine di analizzare e comprendere i dati biologici. Si tratta di un campo interdisciplinare della scienza.
Sia un termine generico per l'insieme della ricerca biologica che impiega la programmazione informatica come parte della loro tecnica, sia un riferimento a specifiche "condutture" di analisi che vengono frequentemente utilizzate, in particolare nel campo della genomica, la bioinformatica è considerata una frase che comprende entrambi questi aspetti. Una delle applicazioni più comuni della bioinformatica è l'identificazione di geni e nucleotidi candidati, spesso noti come polimorfismi. È pratica comune effettuare tali identificazioni con l'intenzione di ottenere una comprensione più profonda delle basi genetiche delle malattie, degli adattamenti distintivi, delle caratteristiche desiderabili (in particolare negli animali da allevamento) o delle caratteristiche distintive tra le popolazioni. In un modo meno formale, la bioinformatica si sforza anche di comprendere i principi organizzativi che sono presenti all'interno delle sequenze di acidi nucleici e proteine.
Lo studio della struttura e della funzione delle caratteristiche meccaniche dei sistemi biologici, a qualsiasi livello, dagli organismi interi agli organi, alle cellule e agli organelli cellulari, utilizzando gli strumenti della meccanica è indicato come biomeccanica. Lo studio della biomeccanica può essere applicato a qualsiasi livello dei sistemi biologici.
Qualsiasi sostanza, superficie o costruzione che interagisce con i sistemi biologici è indicata come biomateriale. Il campo dei biomateriali esiste da circa cinquant'anni come disciplina scientifica. Il campo di ricerca noto come scienza dei biomateriali o ingegneria dei biomateriali riguarda lo studio dei biomateriali. Nel corso della sua esistenza, è stato oggetto di un'espansione costante e robusta, con numerose aziende che hanno investito ingenti somme di denaro nella creazione di nuovi articoli rivoluzionari. Un certo numero di discipline, tra cui medicina, biologia, chimica, ingegneria tissutale e scienza dei materiali, sono incluse nel campo della scienza dei biomateriali.
Lo studio dell'interazione tra tessuto biologico e luce, nonché i modi in cui questa interazione può essere utilizzata per il rilevamento, l'imaging e la terapia, è il fulcro dell'ottica biomedica, che riunisce i concetti di fisica, ingegneria e biologia. L'imaging ottico, la microscopia, l'oftalmoscopia, la spettroscopia e il trattamento sono solo alcune delle numerose applicazioni che possono essere intraprese con questa tecnologia. La tomografia a coerenza ottica (OCT), la microscopia a fluorescenza, la microscopia confocale e il trattamento fotodinamico (PDT) sono tutti esempi di tecniche e tecnologie che rientrano nell'ambito dell'ottica biomedica. La tecnica della tomografia a coerenza ottica (OCT), ad esempio, utilizza la luce per generare immagini tridimensionali ad alta risoluzione dei tessuti interni. Queste strutture includono la retina nell'occhio e le arterie coronarie nel cuore. Attraverso l'uso di coloranti fluorescenti per identificare molecole specifiche e la successiva visualizzazione di tali molecole attraverso l'uso della luce, la microscopia a fluorescenza è in grado di fornire informazioni sulle cause della malattia e sui processi biologici. Più recentemente, l'ottica adattiva ha migliorato l'imaging correggendo le aberrazioni nei tessuti biologici. Ciò ha permesso di ottenere una maggiore risoluzione dell'imaging e una maggiore precisione in trattamenti come la chirurgia laser e l'imaging retinico.
Uno dei sottocampi più importanti della biotecnologia è l'ingegneria tissutale, che, come l'ingegneria genetica (di cui parleremo più avanti), ha una notevole sovrapposizione con la BME.
Uno degli obiettivi dell'ingegneria tissutale è quello di modellare organi artificiali con materiale biologico allo scopo di fornire trapianti alle persone che ne hanno bisogno. A partire da ora, gli ingegneri biomedici stanno conducendo ricerche su diversi modi per creare organi di questo tipo. Nel tentativo di raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno preso cellule staminali umane e prodotto ossa mascellari solide e strutture della trachea. È stato dimostrato che è possibile trapiantare efficacemente vesciche urinarie artificiali in pazienti umani dopo che sono state create in laboratorio. La ricerca si sta concentrando anche sugli organi bioartificiali, che sono organi creati utilizzando componenti sia sintetici che biologici. Un esempio di ciò è lo sviluppo di dispositivi di assistenza epatica, costruiti utilizzando cellule epatiche all'interno di un bioreattore artificiale.
La manipolazione diretta dei geni di un organismo è indicata con una serie di nomi diversi, tra cui ingegneria genetica, tecnologia del DNA ricombinante, modificazione/manipolazione genetica (GM) e splicing genico. L'ingegneria genetica, a differenza dell'allevamento convenzionale, che è un modo indiretto di manipolazione genetica, si avvale di strumenti contemporanei come la clonazione e la trasformazione molecolare al fine di alterare direttamente la struttura e le caratteristiche dei geni che sono al centro dell'indagine scientifica. Numerose applicazioni hanno avuto successo nell'utilizzo di approcci basati sull'ingegneria genetica. Alcuni esempi includono lo sviluppo della tecnologia delle colture (che non è un'applicazione medica; per ulteriori informazioni su questo argomento, vedi ingegneria dei sistemi biologici), la produzione di insulina umana sintetica utilizzando batteri modificati, la produzione di eritropoietina nelle cellule ovariche di criceto e la produzione di nuovi tipi di topi sperimentali per scopi di ricerca, come l'oncomouse (topo cancro). [ Citazione necessaria ]
L'ingegneria neurale, spesso indicata come neuroingegneria, è un campo di studio che utilizza metodi ingegneristici per comprendere, riparare, sostituire o migliorare i sistemi neurali. È possibile per gli ingegneri neurali gestire le difficoltà di progettazione che sorgono all'interfaccia tra tessuto neurale vivente e costruzioni non viventi solo a causa delle loro particolari qualifiche. Ci sono una varietà di applicazioni che possono trarre vantaggio dall'ingegneria neurale, una delle quali è la creazione di protesi in futuro. A titolo illustrativo, le protesi neurali cognitive (CNP) sono attualmente oggetto di ricerche approfondite. In caso di successo, questa tecnologia consentirebbe a un impianto di chip di fornire segnali che consentirebbero alle persone che indossano protesi di utilizzare apparecchiature di assistenza.
I campi dell'ingegneria farmaceutica, della somministrazione e del targeting di nuovi farmaci, della tecnologia farmaceutica, delle operazioni unitarie dell'ingegneria chimica e dell'analisi farmaceutica sono tutti inclusi nel campo dell'ingegneria farmaceutica, che è una scienza interdisciplinare. A causa del fatto che si concentra sull'uso della tecnologia per gli agenti chimici al fine di fornire un migliore trattamento medicinale, potrebbe essere considerato un componente del campo della farmacia.
In sostanza, questa categoria comprende tutti i prodotti sanitari che non raggiungono i benefici previsti attraverso mezzi principalmente chimici (ad esempio, prodotti farmaceutici) o biologici (ad esempio, vaccinazioni) e non richiedono metabolismo. È una categoria incredibilmente ampia.
Un gadget medico è progettato per essere utilizzato nelle seguenti situazioni:
Di seguito sono riportati alcuni esempi di protesi: pacemaker, pompe per infusione,...
