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Bioelectrónica

Agosto 10, 2021

La bioelectrónica es un campo de investigación que converge la biología y la electrónica. En el campo de la medicina, implica la estimulación electrónica del sistema nervioso como medio para curar enfermedades.[1]​

Definiciones

 
Un ribosoma es una máquina molecular que utiliza la dinámica de las proteínas.

En el primer seminario de la C.E.C., celebrado en Bruselas en noviembre de 1991, se definió a la bioelectrónica como "el uso de materiales biológicos y arquitecturas biológicas para sistemas de procesamiento de información y nuevos dispositivos". La bioelectrónica, específicamente la electrónica biomolecular, se describió como "la investigación y el desarrollo de materiales orgánicos e inorgánicos de inspiración biológica y de arquitecturas de hardware de inspiración biológica para la aplicación de nuevos sistemas de procesamiento de información, sensores y actuadores, y para la fabricación molecular hasta la escala atómica"[2]​. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), una agencia del Departamento de Comercio de los Estados Unidos, definió la bioelectrónica en un informe de 2009 como "la disciplina resultante de la convergencia de la biología y la electrónica".[3]​

Entre las fuentes de información sobre este campo se encuentran el Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IEEE) con su revista científica Biosensors and Bioelectronics publicada desde 1990 por la editorial Elsevier. La revista describe el alcance de la bioelectrónica como buscando: "[...] explotar la biología en conjunción con la electrónica en un contexto más amplio que abarque, por ejemplo, las células de combustible biológico, la biónica y los biomateriales para el procesamiento de información, el almacenamiento de información, los componentes electrónicos y los actuadores. Un aspecto clave es la conexión entre los materiales biológicos y la micro y nanoelectrónica".[4]​

Historia

El primer estudio conocido de la bioelectrónica tuvo lugar en el siglo XVIII, cuando el científico Luigi Galvani aplicó un voltaje a un par de ancas de rana desprendidas. Las patas se movieron, desencadenando el inicio de la bioelectrónica.[5]​ La tecnología electrónica se ha aplicado a la biología y la medicina desde que se inventó el marcapasos y con la industria de sistemas de diagnóstico por imagen. En 2009, una investigación sobre las publicaciones que utilizaban el término en el título o en el resumen sugería que el centro de actividad estaba en Europa (43%), seguido por Asia (23%) y los Estados Unidos (20%).[3]​

Materiales

La bioelectrónica orgánica es la aplicación de material orgánico electrónico al campo de la bioelectrónica. Los materiales orgánicos (es decir, que contienen carbono) son muy prometedores cuando se trata de interactuar con los sistemas biológicos.[6]​ Las aplicaciones actuales se centran en la neurociencia[7]​[8]​ y las infecciones.[9]​[10]​

Los recubrimientos con polímeros conductores, un material electrónico orgánico, muestran una mejora masiva en la tecnología de los materiales. Era la forma más sofisticada de estimulación eléctrica. Mejoró la impedancia de los electrodos en la estimulación eléctrica, resultando en mejores resultados y reduciendo las "reacciones electroquímicas secundarias dañinas". Los Transistores Electroquímicos Orgánicos (OECT, siglas en inglés), inventados en 1984 por Mark Wrighton junto a sus colegas, tenían la capacidad de transportar iones. Esto mejoró la relación señal-ruido y da una baja medida de la impedancia. La Bomba Electrónica de Iones Orgánicos (OEIP), un dispositivo que podría ser usado para apuntar a partes específicas del cuerpo y órganos para aplicar la medicina, fue creado por Magnuss Berggren.[5]​

Como uno de los pocos materiales bien establecidos en la tecnología CMOS, el nitruro de titanio (TiN) resultó ser excepcionalmente estable y muy adecuado para aplicaciones de electrodos en implantes médicos.[11]​[12]​

Aplicaciones significativas

La bioelectrónica se utiliza para ayudar a mejorar la vida de las personas con discapacidades y enfermedades. Por ejemplo, el glucómetro es un dispositivo portátil que permite a los pacientes diabéticos controlar y medir sus niveles de azúcar en la sangre.[5]​ La estimulación eléctrica se utiliza para tratar a los pacientes con epilepsia, dolor crónico, Parkinson, sordera y ceguera.[13]​ Magnuss Berggren y sus colegas crearon una variación de su OEIP (siglas en inglés de "Bomba Electrónica de Iones Orgánicos"), el primer dispositivo de implante bioelectrónico que se utilizó en un animal vivo y libre por razones terapéuticas. Transmitió corrientes eléctricas al ácido γ-aminobutírico (GABA). La falta de ácido γ-aminobutírico en el cuerpo es un factor de dolor crónico. El GABA se dispersaría entonces adecuadamente a los nervios dañados, actuando como un analgésico.[14]​ La estimulación del nervio vago (VNS, siglas en inglés) se utiliza para activar la vía antiinflamatoria colinérgica (CAP, siglas en inglés) en el nervio vago, terminando en la reducción de la inflamación en pacientes con enfermedades como la artritis. Dado que los pacientes con depresión y epilepsia son más vulnerables a tener una CAP (siglas en inglés de vía antiinflamatoria colinérgica) cerrada, la ENV (siglas en inglés de "estimulación del nervio vago") también puede ayudarlos en su tratamiento.[15]​ Al mismo tiempo, no todos los sistemas eléctricos usados para ayudar a mejorar la vida de las personas son necesariamente dispositivos bioelectrónicos, sino sólo aquellos que implican una conexión íntima y directa de la electrónica y los sistemas biológicos.[16]​

Futuro

La mejora de las medidas y herramientas para vigilar el estado de las células a nivel subcelular carece de financiación y de empleo. Esto es un problema porque los avances en otros campos de la ciencia están empezando a analizar grandes poblaciones de células, aumentando la necesidad de un dispositivo que pueda monitorizar las células a tal escala. Las células no pueden ser utilizadas de muchas maneras más que para su propósito principal, como la detección de sustancias nocivas. Fusionar esta ciencia con formas de nanotecnología podría resultar en métodos de detección increíblemente precisos. La preservación de vidas humanas, por ejemplo protegiéndolas contra el bioterrorismo, es la mayor área de trabajo que se está realizando en la bioelectrónica. Los gobiernos están empezando a exigir dispositivos y materiales que detecten las amenazas químicas y biológicas. Cuanto más disminuya el tamaño de los dispositivos, más será el rendimiento y las capacidades de estos.[3]​

Referencias

  •   Datos: Q174502
  1. «Medicina bioelectrónica». Investigación y Ciencia. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  2. Nicolini, C. (1 de enero de 1995). «From neural chip and engineered biomolecules to bioelectronic devices: An overview». Biosensors and Bioelectronics (en inglés) 10 (1): 105-127. ISSN 0956-5663. doi:10.1016/0956-5663(95)96799-5. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  3. ↑ «Bioelectronics: The Convergence of Biology and Electronics». A Framework for Bioelectronics: Discovery and Innovation: 42. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  4. Elsevier. «Guide for authors - Biosensors and Bioelectronics - ISSN 0956-5663». www.elsevier.com (en inglés). Consultado el 29 de enero de 2020. 
  5. ↑ Rivnay, Jonathan; Owens, Róisín M.; Malliaras, George G. (14 de enero de 2014). «The Rise of Organic Bioelectronics». Chemistry of Materials 26 (1): 679-685. ISSN 0897-4756. doi:10.1021/cm4022003. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  6. Owens, Róisín; Kjall, Peter; Richter-Dahlfors, Agneta; Cicoira, Fabio (1 de septiembre de 2013). «Organic bioelectronics — Novel applications in biomedicine». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. Organic Bioelectronics - Novel Applications in Biomedicine (en inglés) 1830 (9): 4283-4285. ISSN 0304-4165. doi:10.1016/j.bbagen.2013.04.025. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  7. Simon, Daniel; Larsson, Karin C.; Nilsson, David; Burstrom, Gustav; Galter, Dagmar; Berggren, Magnus; Richter-Dahlfors, Agneta (2015). «An organic electronic biomimetic neuron enables auto-regulated neuromodulation». Biosensors & bioelectronics 71: 359-364. doi:10.1016/j.bios.2015.04.058. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  8. Jonsson, Amanda; Song, Zhiyang; Nilsson, David; Meyerson, Björn A.; Simon, Daniel T.; Linderoth, Bengt; Berggren, Magnus (8 de mayo de 2015). «Therapy using implanted organic bioelectronics». Science Advances 1 (4). ISSN 2375-2548. PMC 4640645. PMID 26601181. doi:10.1126/sciadv.1500039. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  9. Löffler, Susanne; Libberton, Ben; Richter-Dahlfors, Agneta (17 de junio de 2015). «Organic bioelectronics in infection». Journal of Materials Chemistry B (en inglés) 3 (25): 4979-4992. ISSN 2050-7518. doi:10.1039/C5TB00382B. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  10. Löffler, Susanne; Libberton, Ben; Richter-Dahlfors, Agneta (2015/12). «Organic Bioelectronic Tools for Biomedical Applications». Electronics (en inglés) 4 (4): 879-908. doi:10.3390/electronics4040879. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  11. Hämmerle, Hugo; Kobuch, Karin; Kohler, Konrad; Nisch, Wilfried; Sachs, Helmut; Stelzle, Martin (1 de febrero de 2002). «Biostability of micro-photodiode arrays for subretinal implantation». Biomaterials (en inglés) 23 (3): 797-804. ISSN 0142-9612. doi:10.1016/S0142-9612(01)00185-5. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  12. Birkholz, M.; Ehwald, K. -E.; Wolansky, D.; Costina, I.; Baristiran-Kaynak, C.; Fröhlich, M.; Beyer, H.; Kapp, A. et al. (15 de marzo de 2010). «Corrosion-resistant metal layers from a CMOS process for bioelectronic applications». Surface and Coatings Technology. Proceedings of the European Materials Research Socierty (E-MRS)Spring Meeting 2009 (en inglés) 204 (12): 2055-2059. ISSN 0257-8972. doi:10.1016/j.surfcoat.2009.09.075. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  13. Simon, Daniel T.; Gabrielsson, Erik O.; Tybrandt, Klas; Berggren, Magnus (9 de noviembre de 2016). «Organic Bioelectronics: Bridging the Signaling Gap between Biology and Technology». Chemical Reviews (en inglés) 116 (21): 13009-13041. ISSN 0009-2665. doi:10.1021/acs.chemrev.6b00146. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  14. Jonsson, Amanda; Song, Zhiyang; Nilsson, David; Meyerson, Björn A.; Simon, Daniel T.; Linderoth, Bengt; Berggren, Magnus (8 de mayo de 2015). «Therapy using implanted organic bioelectronics». Science Advances 1 (4). ISSN 2375-2548. PMC 4640645. PMID 26601181. doi:10.1126/sciadv.1500039. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  15. Koopman, F.A.; Schuurman, P.R.; Vervoordeldonk, M.J.; Tak, P.P. (2014-08). «Vagus nerve stimulation: A new bioelectronics approach to treat rheumatoid arthritis?». Best Practice & Research Clinical Rheumatology (en inglés) 28 (4): 625-635. doi:10.1016/j.berh.2014.10.015. Consultado el 29 de enero de 2020. 
  16. Carrara, Sandro, ed. (2015). Handbook of Bioelectronics: Directly Interfacing Electronics and Biological Systems. Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-62953-9. doi:10.1017/cbo9781139629539. Consultado el 29 de enero de 2020. 

Agosto 10, 2021
bioelectrónica, bioelectrónica, campo, investigación, converge, biología, electrónica, campo, medicina, implica, estimulación, electrónica, sistema, nervioso, como, medio, para, curar, enfermedades, Índice, definiciones, historia, materiales, aplicaciones, sig. La bioelectronica es un campo de investigacion que converge la biologia y la electronica En el campo de la medicina implica la estimulacion electronica del sistema nervioso como medio para curar enfermedades 1 Indice 1 Definiciones 2 Historia 3 Materiales 4 Aplicaciones significativas 5 Futuro 6 ReferenciasDefiniciones Editar Un ribosoma es una maquina molecular que utiliza la dinamica de las proteinas En el primer seminario de la C E C celebrado en Bruselas en noviembre de 1991 se definio a la bioelectronica como el uso de materiales biologicos y arquitecturas biologicas para sistemas de procesamiento de informacion y nuevos dispositivos La bioelectronica especificamente la electronica biomolecular se describio como la investigacion y el desarrollo de materiales organicos e inorganicos de inspiracion biologica y de arquitecturas de hardware de inspiracion biologica para la aplicacion de nuevos sistemas de procesamiento de informacion sensores y actuadores y para la fabricacion molecular hasta la escala atomica 2 El Instituto Nacional de Estandares y Tecnologia NIST una agencia del Departamento de Comercio de los Estados Unidos definio la bioelectronica en un informe de 2009 como la disciplina resultante de la convergencia de la biologia y la electronica 3 Entre las fuentes de informacion sobre este campo se encuentran el Instituto de Ingenieria Electrica y Electronica IEEE con su revista cientifica Biosensors and Bioelectronics publicada desde 1990 por la editorial Elsevier La revista describe el alcance de la bioelectronica como buscando explotar la biologia en conjuncion con la electronica en un contexto mas amplio que abarque por ejemplo las celulas de combustible biologico la bionica y los biomateriales para el procesamiento de informacion el almacenamiento de informacion los componentes electronicos y los actuadores Un aspecto clave es la conexion entre los materiales biologicos y la micro y nanoelectronica 4 Historia EditarEl primer estudio conocido de la bioelectronica tuvo lugar en el siglo XVIII cuando el cientifico Luigi Galvani aplico un voltaje a un par de ancas de rana desprendidas Las patas se movieron desencadenando el inicio de la bioelectronica 5 La tecnologia electronica se ha aplicado a la biologia y la medicina desde que se invento el marcapasos y con la industria de sistemas de diagnostico por imagen En 2009 una investigacion sobre las publicaciones que utilizaban el termino en el titulo o en el resumen sugeria que el centro de actividad estaba en Europa 43 seguido por Asia 23 y los Estados Unidos 20 3 Materiales EditarLa bioelectronica organica es la aplicacion de material organico electronico al campo de la bioelectronica Los materiales organicos es decir que contienen carbono son muy prometedores cuando se trata de interactuar con los sistemas biologicos 6 Las aplicaciones actuales se centran en la neurociencia 7 8 y las infecciones 9 10 Los recubrimientos con polimeros conductores un material electronico organico muestran una mejora masiva en la tecnologia de los materiales Era la forma mas sofisticada de estimulacion electrica Mejoro la impedancia de los electrodos en la estimulacion electrica resultando en mejores resultados y reduciendo las reacciones electroquimicas secundarias daninas Los Transistores Electroquimicos Organicos OECT siglas en ingles inventados en 1984 por Mark Wrighton junto a sus colegas tenian la capacidad de transportar iones Esto mejoro la relacion senal ruido y da una baja medida de la impedancia La Bomba Electronica de Iones Organicos OEIP un dispositivo que podria ser usado para apuntar a partes especificas del cuerpo y organos para aplicar la medicina fue creado por Magnuss Berggren 5 Como uno de los pocos materiales bien establecidos en la tecnologia CMOS el nitruro de titanio TiN resulto ser excepcionalmente estable y muy adecuado para aplicaciones de electrodos en implantes medicos 11 12 Aplicaciones significativas EditarLa bioelectronica se utiliza para ayudar a mejorar la vida de las personas con discapacidades y enfermedades Por ejemplo el glucometro es un dispositivo portatil que permite a los pacientes diabeticos controlar y medir sus niveles de azucar en la sangre 5 La estimulacion electrica se utiliza para tratar a los pacientes con epilepsia dolor cronico Parkinson sordera y ceguera 13 Magnuss Berggren y sus colegas crearon una variacion de su OEIP siglas en ingles de Bomba Electronica de Iones Organicos el primer dispositivo de implante bioelectronico que se utilizo en un animal vivo y libre por razones terapeuticas Transmitio corrientes electricas al acido g aminobutirico GABA La falta de acido g aminobutirico en el cuerpo es un factor de dolor cronico El GABA se dispersaria entonces adecuadamente a los nervios danados actuando como un analgesico 14 La estimulacion del nervio vago VNS siglas en ingles se utiliza para activar la via antiinflamatoria colinergica CAP siglas en ingles en el nervio vago terminando en la reduccion de la inflamacion en pacientes con enfermedades como la artritis Dado que los pacientes con depresion y epilepsia son mas vulnerables a tener una CAP siglas en ingles de via antiinflamatoria colinergica cerrada la ENV siglas en ingles de estimulacion del nervio vago tambien puede ayudarlos en su tratamiento 15 Al mismo tiempo no todos los sistemas electricos usados para ayudar a mejorar la vida de las personas son necesariamente dispositivos bioelectronicos sino solo aquellos que implican una conexion intima y directa de la electronica y los sistemas biologicos 16 Futuro EditarLa mejora de las medidas y herramientas para vigilar el estado de las celulas a nivel subcelular carece de financiacion y de empleo Esto es un problema porque los avances en otros campos de la ciencia estan empezando a analizar grandes poblaciones de celulas aumentando la necesidad de un dispositivo que pueda monitorizar las celulas a tal escala Las celulas no pueden ser utilizadas de muchas maneras mas que para su proposito principal como la deteccion de sustancias nocivas Fusionar esta ciencia con formas de nanotecnologia podria resultar en metodos de deteccion increiblemente precisos La preservacion de vidas humanas por ejemplo protegiendolas contra el bioterrorismo es la mayor area de trabajo que se esta realizando en la bioelectronica Los gobiernos estan empezando a exigir dispositivos y materiales que detecten las amenazas quimicas y biologicas Cuanto mas disminuya el tamano de los dispositivos mas sera el rendimiento y las capacidades de estos 3 Referencias Editar Datos Q174502 Medicina bioelectronica Investigacion y Ciencia Consultado el 29 de enero de 2020 Nicolini C 1 de enero de 1995 From neural chip and engineered biomolecules to bioelectronic devices An overview Biosensors and Bioelectronics en ingles 10 1 105 127 ISSN 0956 5663 doi 10 1016 0956 5663 95 96799 5 Consultado el 29 de enero de 2020 a b c Bioelectronics The Convergence of Biology and Electronics A Framework for 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