Bio Dispozitive

download Bio Dispozitive

of 35

  • date post

    19-Jan-2016
  • Category

    Documents

  • view

    9
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Bio Dispozitive

Capitolul I

Partea ICapitolul X. Biodispozitive i biosenzori10.1. Introducere

10.1.1. Introducere n domeniul bio-engineeringntr-o prim etap dorim s subliniem importana domeniului bio-ingineresc, n contextul actual. Vom porni de la cteva motive de ordin social i economic. Se tie c populaia globului este n cretere numeric. n diverse rapoarte sociologice se specific o cretere a mediei de vrst. n Europa, se prognozeaz c pn n anul 2020 peste 30% din populaie va avea o vrst mai mare de 60 de ani, n timp ce procentul persoanelor cu handicap va tinde spre 20%, [66]. Este de la sine neles c rata bolilor cronice va fi n continu cretere. n schimb, numrul limitat de medici nu va mai putea satisface o cerere att de numeroas. Serviciile de sntate public au reacionat la acest fapt. n cadrul unui program de sntate public internaional [66, 67], s-au lansat trei direcii principale de lucru n urmtorii zece ani:

(1) sporirea accesului individual la actul medical decizional, prin intermediul telemedicinei i internetului. Pacientul se poate informa despre boala sa, se autourmrete n timpul tratamentului (cu ajutorul unor biodispozitive, biosenzori) i poate fi monitorizat de la distan de ctre medic.

(2) creterea rolului geneticii n depistarea precoce, prevenirea i corectarea unor boli.

(3) Electronic healthcare sau orientarea noilor tehnologii electronice micro i nano spre ngrijirea sntii.

n scopul ndeplinirii acestor trei deziderate se va lucra intens n urmtoarele arii, [68]:

a) Telemedicina se refer la crearea unei reele de comunicaii de tip Internet, ntre: unitatea medical, unitatea farmaceutic i pacient. Acest sistem poate servi la ngrijiri medicale la domiciliul pacientului, permite consultaii profesionale de la distan, ori rezolv cazuri de urgen pentru pacienii aflai n locuri izolate.

b) Analize biologice. n acest sens, se dorete realizarea unor biosenzori ce pot fi utilizai direct de ctre pacient. Momentan exist sisteme de monitorizare individual a glicemiei i ureei. Din punct de vedere al plasrii biodispozitivelor, exist dou metode de abordare: (1) metode invazive (in vivo), cnd biodispozitivul este implantat n corpul pacientului (aici elementul cheie este gsirea de materiale biocompatibile); (2) metode ne-invazive (in vitro), cnd se preleveaz snge sau alt biolichid (printr-o puncie spre exemplu), iar apoi analiza se efectueaz n afara corpului.

c) Monitorizarea pacienilor are n vedere totalitatea metodelor de transmitere n timp util, a tuturor parametrilor msurai cu ajutorul biosenzorilor, spre un centru medical decizional (fizic sau virtual). Interpretarea analizelor se va face fie de ctre o persoan fizic, fie de ctre un software specializat.

d) Crearea de dispozitive implantabile pentru: regenerarea funciei unor organe, tratamentul bolilor cronice, nregistrarea de semnale biologice, proteze pentru diferite organe.

e) Chirurgie cu invazie minim. Tehnica laparoscopic a minimizat mult invazia n actul chirurgical. Finalul acestei curse ar fi intervenia chirurgical la nivel celular. Acest domeniu reprezint o cerere continu pentru industria de micro- i nano-componente electronice.

f) Succesul geneticii, care este condiionat de existena unor nano-instrumente i nano-dispozitive, necesare manipulrii materialului genetic.

Acum cteva detalii de ordin economic. n 1996, se estima valoarea desfacerilor de produse medicale pe plan internaional la 130B$ [68]. Dintre acestea, microsistemele din aparatura medical valorau 120M$ [68]. Asta nseamn c microsistemele sunt prezente n majoritatea aparatelor medicale. Pentru produse n valoare de 73B$ a rezultat urmtoarea repartiie, [68]: 37B$ pentru instrumentar medical i chirurgical, 19B$ pentru analize de snge efectuate cu biosenzori, 12B$ pentru sisteme furnizoare de medicamente, 2.5B$ pentru aparate necesare bolilor cardiace, 2.5B$ pentru proteze auditive.

Se observ c piaa biosenzorilor este o provocare pentru micro- i nano-electronic. Aici nu mai exist delimitri clare ntre domeniile: electronic, biologic, chimic, fizic. n final, toate elementele componente ale biosenzorului sunt integrate pe un singur cip sau pe un multicip hibrid [68]. n continuare se va descrie principiul senzorial din lumea vie. nelegnd bine aceste mecanisme, proiectanii de biosenzori au cutat s aduc ct mai aproape de natur principiul de funcionare al senzorilor.

10.1.2. Principiul senzorial n lumea vie

Biosenzorii au fost realizai dup o atent observaie a receptrii substanelor n lumea vie. La scar microscopic, vorbim despre recepionarea substanelor la nivel celular. Cuplarea unor substane de celule provoac schimburi de sarcini ionice, eliberare de substane semnalizatoare etc. Aceste "impresii" sunt transmise mai departe pe cale biochimic. S vedem n continuare cum capteaz o celul vie doar o anumit substan din mediul nconjurtor.

Celulele vii au posibilitatea s se adapteze la modificrile mediului exterior cu ajutorul receptorilor. Receptorul const dintr-o protein ce este legat la membrana celulei. El posed o nalt afinitate de a se cupla doar cu anumite substane ce pot fi: hormoni, enzime, anticorpi, produi de metabolism, ioni - denumite ligani. Un receptor este specializat strict pe o substan. Spre exemplu, n sistemul nervos uman s-au evideniat dou tipuri de receptori pentru neurohormonul acetilcolin: nicotinici - constau n proteine cu proprieti ionofore i muscarinici - receptori cuplai de proteina G i bazai pe sistemul mesagerilor secundari, [69, 70].

Fig. 10.1. Captarea unui ligant n receptorul celulei.

Legarea ligantului de proteina receptor cauzeaz schimbri structurale ale receptorului. Aceste modificri permit deschiderea temporar a unui canal prin membrana celulei, pentru ionii cu mobilitate mare: Na+, K+ (vezi fig.10.1). Influxul de ioni pozitivi Na+, K+, modific puternic potenialul membranei (chiar o singur legtur produce o cretere detectabil de potenial). Se obine astfel amplificarea substanial a semnalului incident. Dup transmiterea semnalului, cel mai adesea, complexul receptor-ligant se degradeaz n interiorul celulei. De aceea, regenerarea unui nou receptor n membran necesit ceva timp. Cele mai simple proteine receptor utilizate n domeniul biosenzorilor, au fost enzimele.

10.1.3. De la celula vie la biodispozitiv

De multe ori tehnica" a mprumutat principii de funcionare din principii similare biologice. Exist dispozitive electronice ce pot fi considerate dualele unor simuri: fototranzistorul "simte" semnalul luminos i-l transmite amplificat, iar dispozitivele acustice cu cristal piezoelectric echivaleaz cu celulele receptoare de sunet, etc.

Biosenzorii sunt biodispozitive sau pri ale acestora, care recepioneaz substane. Deci clasa biodispozitivelor este o clas mai larg, care o include pe cea a biosenzorilor.

Definiie: Vom nelege prin biodispozitiv un ansamblu de pri electrice, biologice, mecanice, optice ca elemente active (traductoare, amplificatoare, de caracterizare, etc) i a unor elemente de interconectare, capsule, terminale, microcanale de alimentare cu biolichid ca elemente de conectare cu mediul extern.

Biodispozitivul poate avea funcii complexe. Atunci cnd el este construit doar pentru a detecta o anumit substan, poart numele de biosenzor. Dar exist biodispozitive create i n alte scopuri: caracterizarea unor materiale biologice, furnizarea unui medicament, sau detectarea multor substane (biodispozitiv de tip multisenzor) combinat cu furnizarea de substane, vehicularea i manipularea de substane, esuturi, etc.

Un exemplu de biodispozitiv este cel utilizat pentru furnizarea insulinei la diabetici. Acest dispozitiv conine ca elemente active: structuri traductoare care detecteaz nivelul glicemiei i o micropomp pentru insulin, [68]. n continuare ne vom focaliza atenia mai mult asupra biodispozitivelor ce au ca unic funcie recepionarea de substane biosenzorii.

10.2. Biosenzor - definiii, clasificri

Definiie: Biosenzorul const n cuplarea spaial ntre un substrat biologic activ (receptorul) imobilizat pe un traductor de semnal (dispozitiv electronic) i un circuit electronic de amplificare. Toate aceste elemente integrate ntr-o singur capsul poart numele de biocip. n figura 10.2 este prezentat schematic structura bloc a unui biosenzor.

O problem specific a biosenzorilor este imobilizarea receptorilor pe suprafeele dispozitivelor electronice. Doar cu titlu informativ, dm ca exemple cteva metode: a) adsorbia biomoleculelor pe suprafee (ce utilizeaz forele de adeziune, iar alteori forele de atracie electrostatic); b) captarea biomoleculelor n geluri din polimeri (fixarea moleculelor este mai sigur); c) crearea unor reacii chimice prin care biomoleculele se leag covalent de elementele traductorului.

O alt problem specific este refacerea substratului biologic (dup consumarea complexului receptor-ligant) pentru o nou msurtoare. Timpul de regenerare al receptorului este un parametru important n alegerea unui biosenzor de ctre un utilizator.

Fig. 10.2.

Prezentarea

schematic

a unui

biosenzor.

Substana purttoare a diverilor ligani, poate fi: ser, limf, snge; generic o vom denumi biolichid. Spre exemplu n snge exist o multitudine de ligani. Receptorii au rolul de a extrage din acel amestec o singur substan, pentru care au afinitate. Aceast substan, pentru analiza creia a fost conceput biosenzorul, o vom numi analit. Spre exemplu dac se dorete msurarea concentraiei de glucoz din snge, se folosete ca receptor enzima GOD (glucozoxidaz), iar analitul este glucoza.

Modificrile ce au loc n biosenzor la reinerea analitului, pot fi: modificarea grosimii unui strat, schimbarea indicelui de refracie, a temperaturii, modificri n absorbia luminii, creterea sarcinii electrice, modificri de potenial electric sau de curent electr