Биоэлектроника
Докладчик: Щеголева Е.И., гр. 442 об3
Научн. рук.: Карпова Т.В.
Содержание:
1. Введение;
2. Биоэлектроника в области биотехнологии;
3. Биоэлектроника в области медицины;
4. Биоэлектроника, как одно из направлений бионики;
5. Нашумевшие достижения на сегодняшний день;
6. Заключение.
1. Введение
Биоэлектроника - область исследования, объединяющая биотехнологию и электронику, которая основывается на электроактивных свойствах биологических материалов.
Актуальность данной темы заключается в том, что биоэлектроника пытается заместить традиционные полупроводниковые неорганические материалы на органические. Например: белки (в чипах), или «гибридные» материалы; нанопровода (белковые фибриллы, покрытые золотом). Иными словами, биоэлектроника своими достижениями старается упростить открытия в сфере медицины; грубо говоря, улучшить окружающую среду, заменив химические реагенты (способствующие загрязнениям) биосенсорами и многое другое.
Также, биоэлектроника описывается, как раздел электроники, посвященный вопросам использования ее методов и средств в интересах биологии.
2. Биоэлектроника в области биотехнологии
В области электроники биотехнология может быть использована для создания улучшенных типов биосенсоров и новых приводящих устройств, называемых биочипы.
Биотехнология делает возможным создание устройств, в которых белки являются основой молекул, действующих как полупроводники. Для индикации загрязнений различного происхождения в последнее время стали использовать не химические реагенты, а биосенсоры - ферментные электроды, а также иммобилизованные клетки микроорганизмов. Ферменты обладают высочайшей чувствительностью.
Биоселективные датчики создают также путем нанесения на поверхность ионоселективных электродов целых клеток микроорганизмов или тканей. Например, Neurospora europea - для определения NH3, Trichosporon brassiacae - для определения уксусной кислоты.
В качестве сенсоров используют также моноклональные антитела, обладающие исключительно высокой избирательностью. Лидерами в производстве биодатчиков и биочипов являются японские компании, такие как Hitachi, Sharp. Например, компания Hitachi в начале 90-х годов создает проектную группу численностью в 200 человек исключительно для работ в области биоэлектроники. Компания Sharp проводит исследования по разработке компьютеров с биокомпонентами.
Появляется новый тип полупроводников, проводящую функцию в которых осуществляют молекулы белков. Такие ферментные системы работают с большей скоростью, чем кремниевые полупроводники. Биочипы имеют небольшие размеры, надежны и способны к самосборке. Еще одна японская компания, Sony, запатентовала способ производства высококачественных акустических систем из целлюлозы, образуемой бактериями. Гелеобразная целлюлоза высушивается. Полученный материал имеет структуру сот и используется в качестве плоской диафрагмы акустических систем.
3. Биоэлектроника в области медицины
До 1998 года учёные считали, что между нервной и иммунной системами человека нет связи. Мол, нервы привязаны к органам, а иммунные клетки свободно блуждают по телу, так что они не могут «общаться» между собой. Оказывается, это не так.
Открытия последних десятилетий показали, что электрическими импульсами через нервную систему можно воздействовать практически на любой орган в человеческом организме, а также на иммунную систему. Нервная система -- нечто вроде терминального доступа к ПК, где нужно лишь знать правильные команды. Работа облегчается тем, что в 95% случаев «аппаратная часть» одинакова.
Благодаря этим открытиям сформировалось совершенно новое направление в медицине -- биоэлектроника. Сейчас учёные работают над разработкой различных моделей имплантатов, которые посылают импульсы напрямую в нервную систему и позволяют лечить самые разные болезни: от рака до обычной простуды.
Новый нейроимплантат производства SetPoint Medical позволяет считывать и посылать импульсы в нервную систему.
Например, американская компания SetPoint Medical уже наладила выпуск нейроимплантатов, которые подключаются к блуждающему нерву на шее. С помощью электростимуляции удаётся воздействовать на иммунную систему и помочь избавиться от боли пациентам с ревматоидным артритом. Ни лекарств, ни рецептов.
Энтузиасты биоэлектроники уверены, что в будущем подобные имплантаты смогут лечить любые болезни. Никакие фармакологические препараты больше не понадобятся. Простудился --запусти на смартфоне антипростудную программу, которая подаст имплантату команду на стимуляцию иммунной системы для уничтожения респираторной инфекции.
В предстоящие годы перед учёными стоит большая задача: расшифровать сигналы между органами человеческого тела и нервной системой. До сих пор эта область малоизучена, а большинство сигналов непонятны учёным. Над этой задачей трудятся несколько научных групп, в том числе недавно сформированное подразделение Bioelectronics R. & D. в корпорации GlaxoSmithKline, седьмой по размеру фармакологической корпорации в мире. «Никто по-настоящему не пытался говорить на электрическом языке тела, -- признаётся Крис Фамм (Kris Famm) из Bioelectronics R. & D.
Параллельно решается проблема с уменьшением размера имплантатов хотя бы до кубического миллиметра, оснащением их достаточно мощными процессорами для мониторинга импульсов в реальном времени и надёжным энергоснабжении. Когда эти проблемы решат, то миллионы людей смогут, наконец, подключить свою нервную систему к компьютеру и интеллектуально управлять состоянием собственного тела. При этом неизбежно возникают проблемы безопасности сетевых интерфейсов, ведь имплантат в нервной системе -- это, фактически, пульт дистанционного управления для человеческого тела.
Расшифровка «внешнего интерфейса» между нервной системой и органами -- лишь первый этап на пути к полному пониманию биологического языка. Самый простой этап. Дальше будет гораздо сложнее, когда придётся решать ребус из 100 трлн нервных связей в человеческом мозге.
4. Биоэлектроника, как одно из направлений бионики
Биоэлектроника - одно из направлений бионики, решающее задачи электроники на основе анализа структуры и жизнедеятельности живых организмов. Биоэлектроника охватывает проблемы изучения нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток ( нейронов и нейронных сетей) для дальнейшего совершенствования электронной вычислительной техники, техники связи, разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики.
Современная биоэлектроника охватывает проблемы изучения нервной системы человека, животных, а также моделирование нервных клеток (нейронов и нейронных сетей) для дальнейшего совершенствования электронных приборов и устройств, особенно в области электронной вычислительной техники.
Чем занимается биоэлектроника как отрасль науки и техники.
К хемотронике тесно примыкают биоэлектроника и очень близкая к ней молекулярная электроника - новые, очень перспективные направления функциональной микроэлектроники, основанные на изучении и практическом использовании в технических устройствах принципов функционирования ( и построения) биологических систем.
Свойства бактериородопсина представляют существенный интерес для биоэлектроники - для создания искусственных запоминающих устройств на биологической основе. БР, изменяют свой цвет при освещении, на них могут быть получены изображения, подобные фотографическим. В отличие от фотоэмульсий, содержащих бромистое серебро, изменения пленок с БР обратимы. В принципе такие пленки могут быть применены в компьютерах.
В радиоастрономии, радиоразведке, пассивной локации, биоэлектронике информация об источнике излучения либо каком-то явлении нередко связана с наличием или отсутствием в наблюдаемом колебании y ( t) реализации некоторого полезного ожидаемого случайного процесса. При этом решают задачи обнаружения случайного сигнала, описываемого на языке ПВ или функционала ПВ.
В настоящее время ведутся большие исследования в различных направлениях биоэлектроники. Результаты исследований показывают, что использование явлений живой природы в электронике может привести к новой научно-технической революции в этой области техники.
Многое уже открыто в сложнейших областях электротехники, каковыми являются биоэлектроника и биоэнергетика. Но это многое представляется нам только началом выявления новых закономерностей живой природы и одновременно началом становления новых путей развития электротехники на основе познания этих закономерностей живого.
Предполагается, что одна из новых ветвей развития М, пойдет в направлении копирования процессов в живой клетке, ей присвоены термины молекулярная электроника или биоэлектроника.
5. Нашумевшие достижения на сегодняшний день
Карбин. Это линейный углеродный полимер, форма молекул которого напоминает длинную тонкую цепочку, включающую углеродные атомы.
Фуллеренами. Эта новинка представлена полыми молекулами - полыми многогранниками, включающими атомы углерода. В одной 1 молекуле может быть до 560 атомов.
Нанотрубки. Представляют собой материал в составе которого имеется углерод. Длинна не превышает пары микронов.
Графен. Это уникальный пленочный материал, который имеет особую углеродную структуру. Ее толщина равняется толщине одного атома углерода.
Материал «заживляющий раны». Парижские ученые не так давно получили эластичный материал, заживляющий раны. Этот чудо-материал в какой-то степени схож с резиной. Хитрость быстрого эффекта заживления связана с надмолекулярными связями.
6. Заключение
На данную тему можно рассуждать очень долго, а тем более о дальнейшем развитии в этой области, так как у биоэлектроники огромное будущее. К примеру, с помощью определенной электростимуляции уже возможно воздействовать на иммунную систему, тем самым избавляться от определенной боли; а в дальнейшем,в планах у ученых изобрести некую компьютерную программу, связанную с иммунной системой человека напрямую, которая сможет бороться, например, с простудой. Не нужно будет никаких лекарств и препаратов, всего лишь запускаем эту программу, которая подаст команду имплантату для уничтожения инфекции. Также, год назад, группа биолога Михаила Левина выпустила статью от том, что определенные электрические сигналы могут оказывать влияние на фактор роста опухли. Возможно, в будущем, с помощью биоэлектроники можно будет даже лечить раковые заболевания, а если быть точнее, останавливать рост раковых образований.
