Resumen
Este ensayo trata sobre el estudio del arte de una
ciencia tan amplia como es la Bioingeniería que es una
ciencia que investiga fenómenos en el cuerpo humano, para
poder tratarlos usando la tecnología con la que hoy en
día se cuenta. Se profundizará en los Biosensores,
los cuales detectan elementos biológicos y convierten a
señales eléctricas.
Índices –Bioingeniería,
Cuerpo Humano, Biosensores.
I.
INTRODUCCIÓN
Porque se crea la
Bioingeniería
La bioingeniería no es una ciencia nueva, existe
hace unas décadas a nivel mundial. La finalidad de esta
ciencia es la integración de la actividad de las ciencias
ingenieriles siendo las más utilizadas la
ingeniería electrónica y eléctrica, sin
descartar las restantes para luego aplicarlas en la
práctica médica, ambiental, alimenticia, etc.
[1]
II.
DESARROLLO:
LA BIOINGENIERÍA
Fig. 1: Imagen de la mano con la
Bioingeniería, perteneciente a
bionanomedicina.blogspot.com
La bioingeniería consiste en aplicar
técnicas e ideas de la ingeniería en la
biología. Hoy en día la Bioingeniería se
orienta a dar respuestas al campo de la medicina, es una
ciencia que conforma las ingenierías y su
especialización es resolver problemas inherentes a los
seres humanos. [2]
La bioingeniería es una ciencia muy joven, pero
tiene un futuro prometedor. [6]
Ramas en las que se desarrolla la
bioingeniería
Las ramas en la que se desarrolla son:
biomecánica, bioinformática, órganos
artificiales, bioóptica, biosensores, imágenes
médicas, procesamiento de señales, telemedicina,
ingeniería clínica y la ingeniería de
rehabilitación, se debe tener en cuenta que cada cierto
tiempo aumenta un campo o se subdividen para ser estudiadas por
separado. A continuación se muestra las ramas de mayor
uso: [7]
1. Biomédica o
Biomedicina
Se utiliza técnicas de la ingeniería para
aplicarlas en el campo de la medicina de esta manera poder
diseñar y construir equipos médicos, dispositivos
de prevención y diagnóstico, imagenologia medica,
prótesis y de terapia. [8]
Fig. 2: Imagen de una mano
robótica, la cual se usa como prótesis en la
biomedicina
2. Biomecánica
La biomecánica es una derivación de los
conocimientos de la física cuyo objetivo es estudiar los
efectos de las fuerzas mecánicas en los seres vivos y las
estructuras de los mismos, de esta forma se previene cambio por
ciertas alteraciones y se puede mejorar con métodos de
intervención artificiales.[3] [10]
La Biomecánica es utilizada en las disciplinas
como: medicinales, deportivas, industriales,
ambientales.[11]
Fig. 3: Imagen que representa las
Funciones Musculo Esquelética (MEF) desde una
Perspectiva Biomecánica
3. Órganos Artificiales
Hoy en día las listas de espera para recibir un
órgano de un donante son largas, y hay casos en los que el
paciente fallecen por no recibir los órganos a tiempo,
además en caso de que se realiza el trasplante de un
órgano con éxito el paciente debe tener una dieta
adecuada e ingerir inmunodepresores durante el resto de su vida
para que su organismo no rechace el nuevo órgano.
[15]
Al analizar estos problemas se crea nuevas partes
corporales con células madres de los pacientes, siguiendo
el siguiente proceso de fabricación: [16]
Para Estructuras planas como la piel, que son las
más fáciles de fabricar, están hechas solo
por un tipo de célula. [16]
Para los tubos o como los vasos sanguíneos
y las uretras, se utiliza dos clases de células y
actúan como conductos. [16]
Para órganos huecos no tubulares, como la
vejiga y el estómago, que tienen estructuras y funciones
más complejas. [16]
Para órganos sólidos, como el
hígado, el corazón, los riñones y los
intestinos, son los más complicados de fabricar ya que
están compuestos de varias clases de células,
también presentas problemas con el suministro de sangre.
[16]
Fig. 5: Imagen en donde se muestra
órganos vitales (corazón, hígado,
pulmón, riñón) y su forma
artificial
Aplicaciones de la
Bioingeniería
La bioingeniería puede tener gran diversidad de
aplicaciones, entre las que se pueden destacar aquellas que han
tenido mayor impacto social.
1. Bioingeniería en la
Veterinaria
La Veterinaria también es un campo en el que ha
incursionado la Bioingeniería y, basándose en una
de sus ramas de desarrollo como es la Biomecánica, ha
logrado que un felino, al cual, sus patas traseras se unen a su
tobillo a partir de una técnica de bioingeniería
que imita la manera en la que crece la cornamenta de un reno, en
este caso se colocó una pieza de metal y una
pestaña sobre la cual crece la piel y así
convertirse en un hueso extremadamente duro. [4][5]
Fig. 6: Imagen que muestra un implante de
una pieza metálica en las patas traseras de un
felino
2. Bioingeniería en la
Otorrinolaringología
La Bioingeniería y la Telemedicina ha sido de
gran utilidad para un logro dentro del campo de la
Otorrinolaringología en donde se han creado orejas
artificiales gracias a las impresoras en 3D, estas orejas
artificiales se ven y actúan como orejas reales ya que han
sido fabricadas a base de un gel hecho de células vivas.
[6]
Las orejas artificiales han demostrado ser flexibles e
incluso se ha desarrollado su propio cartílago para
reemplazar el colágeno con el cual se moldean. El primer
implante humano en un oído se puede realizar en
aproximadamente 3 años. [7]
Fig. 7: Imagen en donde se muestra la oreja
artificial fabricada de un gel hecho de células
vivas
3. Bioingeniería en la
Oftalmología
Un prototipo de una retina artificial es el resultado de
fusión de la ingeniería, la biología y la
óptica, y estaría en capacidad de solucionar varios
problemas de ceguera, este dispositivo se lo podría
considerar como una implante bio-electrónico debido a que
transmite imágenes al cerebro por una conexión del
diámetro de un cabello humano, al colocarlos detrás
de la retina funciona como un el prototipo funciona como un
transmisor de luz, el dispositivo no devolver una visión
perfecta pero si se podrá diferenciar entre objetos y
obstáculos alrededor. [13]
Fig. 8: Imagen que muestra un prototipo de una retina
artificial
La desventaja de este prototipo es que no funciona con
personas que tengan las células del nervio óptico
dañadas, tampoco serviría para personas que son
afectadas por glaucoma o son ciegas de nacimiento, la forma de
este implante será muy pequeño y resistente al
medio ambiente su tiempo de vida útil luego de ser
implantado seria de 10 años aproximadamente.
[14]
BIOSENSORES Historia
En el año 1962 surgió el primer concepto
de biosensor (biosensor de glucosa, Clark, 1962). Desde entonces,
el campo de investigación sobre biosensores ha ido
creciendo de una forma exponencial hasta convertirse en un
área fundamental de trabajo. [19]
Definición:
Un biosensor se lo puede definir como un dispositivo al
cual se le incorpora sustancias biológicas y se puede
obtener mediciones de sustancias en ciertos medios, la
función específica de un biosensor es traducir el
cambio químico que se produce por la presencia de un
compuesto biológico en una señal eléctrica
que sea procesable dentro de un límite de tiempo
determinado. [17]
Fig. 9: Imagen de un biosensor, que
transforma procesos biológicos en señales
eléctricas
Composición de los
Biosensores
Por lo general un biosensor tiene tres
componentes las cuales son:
1. Detección Biológica: un elemento
de detección biológica sensible por ejemplo,
tejidos, microorganismos, organelas, receptores celulares,
enzimas, anticuerpos, ácidos nucleicos, etc.
[20]
2. Transconductor: un transductor o el elemento
de detección el cual funciona de un modo físico-
químico que transforma la señal resultante de la
interacción del analito con el elemento biológico
en otra señal que puede ser más fácil de
medir y cuantificar. [20]
3. Señal Eléctrica: procesadores de
señal que es la que presenta los resultados en un impulso
eléctrico [21]
Características de los
Biosensores
Una de las características de los biosensores es
que puede analizar sustancias biológicas en tiempo real y
sin necesidad de un marcador, a diferencia de cualquier
análisis clínico o biológico en el cual un
marcador es indispensable. [19]
Son sensibles, tienen gran precisión
y selectividad gracias a que el receptor y el transconductor
están integrados. Algunos biosensores tienen la capacidad
de detectar y cuantificar células cancerígenas en
cuestión de unos minutos. [21]
Fig. 10: Células cancerígenas
que puede detectar un biosensor
Otra característica de algunos biosensores es que
emiten una fluorescencia al detectar el parámetro
biológico o químico buscado. [18]
Fig. 11: Imagen de un biosensor que emite
fluorescencia al detectar parámetros bilógicos
buscados
También se caracterizan por ser de reducido
tamaño y tener gran portabilidad. Dependiendo del medio en
el que se empleen, los biosensores se necesitara un receptor
específico a continuación su clasificación:
[19]
· Receptor
Electroquímico: el cual determina
corrientes eléctricas asociadas con los electrones
involucrados en procesos redox, usan electrodos selectivos para
ciertos iones o determinan cambios en la conductancia asociados
con cambios en el ambiente iónico de las soluciones.
[19]
· Receptor Termométrico: utiliza
dispositivos termistores que registraran las pequeñas
diferencias de temperatura producidas por las reacciones
bioquímicas.[19]
· Receptor Piezoeléctrico: en donde
la variación de la frecuencia de resonancia de un cristal
piezoeléctrico se comporta linealmente con la densidad de
masa superficial depositada sobre él. [20]
· Receptor Óptico: en
donde el componente biológico inmovilizado es
una enzima ligada a un cromóforo que al absorber
energía se excita para así emitir diversos colores.
[19]
Biosensores que detectan moléculas asociadas
al cáncer
En la Universidad de California se ha diseñado
un transistor pequeño con el fin de observar
moléculas individuales que se encuentran en la sangre, el
agua y los alimentos, el transistor está
fabricado con un nanotubo de carbono y vinculado a una enzima de
nombre lisozima.
Esto ha llevado pueda detectar otras moléculas
que estén relacionadas de forma temprana con el
cáncer. [17]
Además el sistemas de monitoreo que se usa para
detectar moléculas o células cancerígenas,
también se lo puede utilizar para detectar otros tipos de
enfermedades. [21]
Fig.12: Una molécula de lisozima
en contacto con el nanotubo de carbono en una recreación
del transistor diseñado por los investigadores de la
UCI.
Aplicaciones de los Biosensores
Existen varias aplicaciones de los biosensores ya que es
una ciencia nueva y en desarrollo, a continuación se
detallan algunas aplicaciones: [19] [20] [21] [22]
· Monitorización de la glucosa en
pacientes con diabetes.
· En condiciones ambientales de aplicación
como la detección de pesticidas y contaminantes del agua
de un rio, lago o el mar.
· Se utilizan para el control de calidad de
materias primas, productos finales y
proceso.
· También son usados para determinar las
características organolépticas de los
alimentos.
· La teledetección de bacterias que se
propagan en el aire.
· La determinación de los niveles de
sustancias tóxicas antes y después de la
biorremediación.
· La detección y la determinación
de los organofosforados.
· Determinación de residuos de
medicamentos en los alimentos, como los antibióticos y
promotores del crecimiento.
· Detección de tóxicos metabolitos
tales como las microtoxinas.
Aplicaciones de los Biosensores en el
futuro
En el futuro se espera que los biosensores tengan mayor
uso en la medicina y puedan implantarse en el ser
humano, con lo cual se lograría realizar controles
en tiempo real y diagnóstico de enfermedades, de esta
manera se alcanzaría la longevidad en los seres
humanos. Se deberá tener en cuenta que los
biosensores deben ser fabricados de materiales que no alteren
el funcionamiento del organismo y que cumplan sus
funciones dentro del mismo. [20]
Uno de los materiales que se analizan para estos
biosensores es el grafeno, el cual tiene capacidad para
conducir electricidad, y su posible biocompatibilidad, al
ser un material basado en el carbono. [19]
III.
CONCLUSIONES:
La bioingeniería es una ciencia que sigue en
desarrollo, tiene un futuro muy prometedor debido a que su
fusión con varias campos como la mecánica,
veterinaria, oftalmología, veterinaria, han hecho avances
beneficiosos para los seres humanos, una de las fusiones
más prometedoras es con la medicina en donde se crea
prótesis, se crea órganos artificiales, se crean
implantes, etc. En cuanto a los biosensores son dispositivos que
en un futuro se espera nos permitan gozar de una buena salud, las
aplicaciones que se les da son en el medio ambiente, la medicina,
fármacos, etc.
IV. REFERENCIAS
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Autor:
César Andrés Inga
Chalco
Universidad Politécnica
Salesiana