Biologické inženýrství - Biological engineering

A ribozom je biologický stroj který využívá dynamika bílkovin
Nějaký biologické stroje

Biologické inženýrství, bioinženýrstvínebo bioinženýrství je aplikace biologických principů a nástrojů inženýrství k vytváření použitelných, hmatatelných a ekonomicky životaschopných produktů.[1] Biologické inženýrství využívá znalosti a odborné znalosti z řady čistých a aplikovaných věd,[2] jako je přenos hmoty a tepla, kinetika, biokatalyzátory, biomechanika, bioinformatika, procesy separace a čištění, design bioreaktorů, věda o povrchu, mechanika tekutin, termodynamika a polymerní věda. Používá se při konstrukci zdravotnických prostředků, diagnostických zařízení, biokompatibilních materiálů, obnovitelné bioenergie, ekologického inženýrství, zemědělského inženýrství a dalších oblastí, které zlepšují životní úroveň společností. Mezi příklady výzkumu v oblasti bioinženýrství patří bakterie připravené k výrobě chemikálií, nové lékařské zobrazování technologie, přenosné a rychlý zařízení pro diagnostiku nemocí, protéza, biofarmaka, a orgány tkáňového inženýrství.[3][4] Bioinženýrství se podstatně překrývá s biotechnologie a biomedicínské vědy[5] způsobem analogickým tomu, jak různé jiné formy inženýrství a technologie souvisejí s různými jinými vědami (např letecké inženýrství a další vesmírná technologie na kinetika a astrofyzika ).

Obecně platí, že biologičtí inženýři (nebo biomedicínští inženýři) pokusit se napodobit biologické systémy za účelem vytvoření produktů nebo upravit a řídit biologické systémy tak, aby mohly nahradit, rozšířit, udržovat nebo předpovídat chemické a mechanické procesy.[6] Bioinženýři mohou uplatnit své odborné znalosti v dalších aplikacích strojírenství a biotechnologie, včetně genetické modifikace rostlin a mikroorganismů, inženýrství bioprocesů a biokatalýzy. Ve spolupráci s lékaři, lékaři a výzkumnými pracovníky využívají bioinženýři tradiční inženýrské principy a techniky a aplikují je na skutečné biologické a lékařské problémy.[7]

Dějiny

Biologické inženýrství je vědní disciplína založená na biologických vědách stejným způsobem chemické inženýrství, elektrotechnika, a strojírenství[8] mohou být založeny na chemii, elektřině a magnetismu a na klasické mechanice.[9] A věnuje stejnou základní pozornost nákladové efektivitě jako všechna odvětví strojírenství.

Před druhou světovou válkou začalo být biologické inženýrství uznáváno jako odvětví inženýrství a pro lidi představovalo zcela nový koncept. Po druhé světové válce začal růst rychleji, částečně kvůli tomu, že pojem „bioinženýrství“ vytvořil britský vědec a hlasatel Heinz Wolff v roce 1954 v Národním ústavu pro lékařský výzkum. Téhož roku Wolff promoval a stal se ředitelem divize biologického inženýrství na univerzitě. To bylo poprvé, co bylo bioinženýrství uznáno jako jeho vlastní pobočka na univerzitě. Elektrotechnika je považována za průkopníka v tomto strojírenském odvětví díky své práci se zdravotnickými přístroji a stroji během této doby.[10] Když inženýři a vědci z oblasti života začali spolupracovat, poznali problém, že inženýři nevěděli dost o skutečné biologii za jejich prací. Aby tento problém vyřešili, inženýři, kteří se chtěli dostat na biologické inženýrství, věnovali více času a studia detailům a procesům, které jdou do oblastí jako biologie, psychologie a medicína.[11] Termín biologické inženýrství lze také použít na úpravy životního prostředí, jako je ochrana povrchové půdy, stabilizace svahů, ochrana vodních toků a břehů, větrolamy, vegetační bariéry včetně protihlukových stěn a vizuálních obrazovek a ekologické vylepšení oblasti. Protože se zabývají i jiné inženýrské obory žijící organismy, lze termín biologické inženýrství použít širší agrotechnika.

První program biologického inženýrství byl vytvořen v University of California, San Diego v roce 1966, což z něj dělá první učební plán biologického inženýrství ve Spojených státech.[12] Novější programy byly spuštěny na adrese MIT[13] a Státní univerzita v Utahu.[14] Mnoho starých oddělení zemědělského inženýrství na univerzitách po celém světě se znovu označilo za zemědělský a biologické inženýrství nebo zemědělské a biosystémové inženýrství, protože biologické inženýrství jako celek je rychle se rozvíjející pole s kategorizací tekutin. Podle profesora Doug Lauffenburger MIT,[13][15] biologické inženýrství má širokou základnu, která aplikuje inženýrské principy na enormní rozsah velikosti a složitosti systémů. Tyto systémy sahají od molekulární úrovně (molekulární biologie, biochemie, mikrobiologie, farmakologie, protein chemie, cytologie, imunologie, neurobiologie a neurovědy ) na buněčné a tkáňové systémy (včetně zařízení a senzorů), na celé makroskopické organismy (rostliny, zvířata) a mohou se pohybovat až do celých ekosystémů.

Vzdělávání

Průměrná délka studia je tři až pět let a ukončený titul se označuje jako a bakalář inženýrství (B.S. ve strojírenství). Mezi základní kurzy patří termodynamika, biomechanika, biologie, genetické inženýrství, dynamika tekutin a mechanika, kinetika, elektronika a vlastnosti materiálů.[16][17]

Dílčí disciplíny

Modelování šíření nákazy pomocí Mobilní automaty a nejbližší sousední interakce

V závislosti na instituci a konkrétních použitých definičních hranicích lze některé hlavní větve bioinženýrství kategorizovat jako (všimněte si, že se mohou překrývat):

Organizace

  • Americký institut pro lékařské a biologické inženýrství (AIMBE) se skládá z 1 500 členů. Jejich hlavním cílem je vzdělávat veřejnost o hodnotách, které má biologické inženýrství v našem světě, a investovat do výzkumu a dalších programů pro rozvoj oboru. Rozdávají ocenění těm, kteří se věnují inovacím v oboru, a ocenění za úspěchy v oboru. (Nemají přímý příspěvek k biologickému inženýrství, více uznávají ty, kteří tak činí, a povzbuzují veřejnost, aby pokračovala v tomto pohybu vpřed).[23]
  • Ústav biologického inženýrství (IBE) je nezisková organizace, běží na dary sama. Jejich cílem je povzbudit veřejnost k učení a pokračovat v pokroku v biologickém inženýrství. (Stejně jako AIMBE neprovádějí výzkum přímo; nabízejí však stipendia studentům, kteří v tomto oboru slibují).[24]
  • Společnost pro biologické inženýrství (SBE) je technologická komunita spojená s Americký institut chemických inženýrů (AIChE). SBE pořádá mezinárodní konference a je globální organizací předních inženýrů a vědců zabývajících se pokrokem v integraci biologie s inženýrstvím.[25]

Reference

  1. ^ Abramovitz, Melissa (2015). Biologické inženýrství. Virtuální referenční knihovna Gale. p. 10. ISBN  978-1-62968-526-7.
  2. ^ Herold, Keith; Bentley, William E .; Vossoughi, Jafar (2010). Základy výuky bioinženýrství. 26. konference Southern Biomedical Engineering Conference, College Park, Maryland. p. 65. ISBN  9783642149979.CS1 maint: umístění (odkaz)
  3. ^ „Co je to bioinženýrství?“. bioeng.berkeley.edu. Citováno 2018-07-21.
  4. ^ „MSB: About the Munich School of BioEngineering“. www.bioengineering.tum.de. Citováno 2020-02-03.
  5. ^ „Biotechnologie vs biomedicínská věda vs biomedicínské inženýrství (bioinženýrství)“. Tanmoy Ray. 2018-07-19. Citováno 2018-07-21.
  6. ^ Pasotti, Lorenzo; Zucca, Susanna (03.08.2014). „Pokroky a výpočetní nástroje pro předvídatelný design v biologickém inženýrství“. Výpočtové a matematické metody v medicíně. 2014: 369681. doi:10.1155/2014/369681. PMC  4137594. PMID  25161694.
  7. ^ Sheffield, University of. „Co je to bioinženýrství? - Bioinženýrství - University of Sheffield“. www.sheffield.ac.uk. Citováno 2018-07-21.
  8. ^ A b Abramovitz, Melissa (2015). Biologické inženýrství. Virtuální referenční knihovna Gale. p. 18. ISBN  978-1-62968-526-7.
  9. ^ Cuello JC, Inženýrství v biologii a Biologie ve strojírenství, Obousměrné spojení mezi inženýrstvím a biologií v designu biologického inženýrství, Int J Engng Ed 2005, 21, 1-7
  10. ^ Lékařské a biologické inženýrství. Oxford; New York: Pergamon Press. 1966–1976.CS1 maint: formát data (odkaz)
  11. ^ Naik, editoval Ganesh R. (2012). Aplikované biologické inženýrství: principy a praxe. Rijeka: InTech. ISBN  9789535104124.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
  12. ^ „Zakladatel programu UCSD pro bioinženýrství“. jacobsschool.ucsd.edu. 1. března 2004. Citováno 22. května 2018.
  13. ^ A b "MIT, Katedra biologického inženýrství". Citováno 16. dubna 2015.
  14. ^ „Utah State University, Katedra biologického inženýrství“. be.usu.edu. Citováno 2011-11-13.
  15. ^ „Adresář MIT, Doug Lauffenburger“. Citováno 15. dubna 2015.
  16. ^ Linsenmeier RA, Definování vysokoškolských osnov biomedicínského inženýrství
  17. ^ Johnson AT, Phillips WM. "Filozofické základy biologického inženýrství". Journal of Engineering Education. 1995 (84): 311–318.
  18. ^ A b C d E F G „Bioinženýrství“. Encyklopedie Britannica.
  19. ^ „Úmluva o biologické rozmanitosti“. Citováno 27. dubna 2018.
  20. ^ „Biomimetika: její praxe a teorie“. Royal Society Publishing.
  21. ^ „Bioprinting“. Citováno 1. května 2018.
  22. ^ Akreditace ABET, přístup 9. 8. 2010.
  23. ^ „Stránka o cíli AIMBE“.
  24. ^ "Ústav biologického inženýrství". Citováno 20. dubna 2018.
  25. ^ „Společnost pro biologické inženýrství“. Citováno 21. srpna 2019.

externí odkazy