Investete n oameni!12

Investete n oameni!Proiect cofinanat din Fondul Social European prin Programul Operaional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013Axa prioritar: 1 - Educaia i formarea profesional n sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoatereDomeniul major de intervenie: 1.3 - Dezvoltarea resurselor umane din educaie i formare Titlul proiectului: FLEXFORM - Program de formare profesional flexibil pe platforme mecatroniceContract POSDRU/87/1.3/S/64069Beneficiar: Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca

Mecatronic IIDezvoltare tehnologic i tehnologii educaionale n societatea bazat pe cunoatere

PORTOFOLIU

Titlul lucrrii: BIO-INGINERIA

Cursant: prof. ing. POP Silvia Florina

Cluj Napoca2012

CuprinsIntroducere . 3Principiul senzorial n lumea vie ...4

2.Biodispozitiv53.Biosenzor - definiii, clasificri6Structura i funciile traductorilor73.1.Traductori termici7Enzima receptor73.2.Traductori optoelectronici83.3.Traductori piezoelectrici83.4.Traductori electrochimici84.5. Traductori biologic intaci9Concluzii10Bibliografie11

Introducere

ntr-o prim etap doresc s subliniez importana domeniului bio-ingineresc, n contextul actual. Voi 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%, . 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, s-au lansat trei direcii principale de lucru n urmtorii zece ani: 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.creterea rolului geneticii n depistarea precoce, prevenirea i corectarea unor boli.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, :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.

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 . 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.

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.

Na+K+Protein - ReceptorMembran celularMediu intern celular Biolichid (purttor de ligani)Mediu extern celularLigant

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.

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. 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. n continuare ne vom focaliza atenia mai mult asupra biodispozitivelor ce au ca unic funcie recepionarea de substane biosenzorii.

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.

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 electric. Clasificarea biosenzorilor.1)Biosenzori de afinitate. Analitul nu se modific chimic n timpul msurtorii. El doar se leag de receptor. La sfrit el poate fi ndeprtat chimic sau prin splare.

2)Biosenzori de metabolism. Aici substratul biologic se consum printr-o reacie chimic cu analitul. Se formeaz un nou produs. Starea iniial se poate reface dup completa consumare a analitului. Exemplu: se dorete detectarea microorganismului Helycobacter Pylor n substana purttoare - suc gastric. n metabolismul su, acest microb produce NH3 (amoniac). Aadar, senzorul nu va detecta microbul n sine, ci concentraia de amoniac.

3)Imunosenzori. Detectarea substanelor de tip antigen (Ag) se face cu ajutorul anticorpilor (Ac), pe principiul "lact-cheie". Anticorpii sunt proteine cu molecule n form de Y (numite imunoglobuline). n vrfurile Y-ului sunt doar dou locuri, unde se poate leaga un singur tip de antigen. Aceti anticorpi sunt produi de organism ca rspuns la o anumit substan strin (antigen), pe care nu o poate elimina prin fagocitoz i creia, n ultim instan, i "ncurc planurile", legndu-se de ea: Ac+Ag AcAg.

4)Senzori biomimetici. Cu ajutorul acestor senzori se detecteaz semnale fizice (sunet, stres mecanic, lumin) pe baza interaciunii lor cu substratul biologic activ (receptorul).

Structura i funciile traductorilor

Traductorii trebuie s converteasc n mrimi electrice parametri generali ca: entalpia de reacie (termistorul), modificri ale masei depuse (cristal piezoelectric), grosimi ale unor straturi transparente (dispozitive optoelectronice), concentraii de substane sau ioni (traductoare ISE).

Traductori termici

La senzorii de metabolism exist reacii chimice ntre analii i anumii receptori enzimatici cu degajare / absorbie de cldur. n acest caz nu se msoar cantitatea analitului, ci variaia de temperatur, T. Tabelul 10.1 prezint entalpiile molare, H, a ctorva reacii catalizate de enzime.Tabelul 10.1. Entalpiile molare a ctorva reacii catalizate de enzime.

Enzima receptorAnalit-H (kJ/mol)CatalazH2O2100.4Cholesterol-oxidaz (COD)Cholesterol52.9Glucoz-oxidaz (GOD)Glucoz80UreazUree6.6

Enzima-receptor se imobilizeaz pe sticl poroas pe suprafaa unui termistor. Se imerseaz totul n soluia de msurat. Termistorul joac rolul traductorului i furnizeaz T. De aici rezult numrul de moli de analit, conform relaiei:

unde este numrul de moli de analit, C este cldura molar a dispozitivului (ce se determin anterior prin msurtori calorimetrice). Dezavantajul principal este schimbul de cldur ce apare ntre diversele componente ale experimentului, ceea ce va induce erori mari n evaluarea lui T. Optimizrile vizeaz izolarea calorimetric a biosenzorului ntr-un reactor.

Traductori optoelectronici

Cu ajutorul traductorilor optici se poate indica variaia unor parametri precum: coeficient de absorbie a luminii, lungime de und, indice de refracie, grosimi ale unor straturi transparente. Ca exemplu, n figura 10.3, este prezentat principiul de detectare a albuminei serice cu un senzor optoelectronic. Receptorul a fost imobilizat pe o membran de bromocresol transparent. Curgerea biolichidului purttor de albumin a determinat captarea ei pe receptori. Creterea grosimii stratului de analit se face ntre o surs de lumin (led) i un detector de lumin (fotodiod). Curentul prin fotodiod scade pe msur ce crete grosimea stratului de albumin depus pe receptor. Traductori piezoelectrici

Principiul pe care se lucreaz aici urmrete scderea frecvenei de rezonan a unui cristal piezoelectric cnd se absoarbe un material strin la suprafaa sa i-l comprim. Cristalul este acoperit cu un material receptor. Efectele zgomotului electric au putut fi nlturate prin utilizarea de cristale pereche. Aceti traductori au fost utilizai pentru detectarea: NOx, COx, H+, microorganisme.

Traductori electrochimici

Reaciile electrochimice se produc la interfaa electrod soluie, iar reaciile biologice cu transfer de electroni se produc la interfaa enzim soluie. Se utilizeaz poteniometria, cnd se determin variaia potenialului electric al unui electrod receptor n funcie de concentraia ionilor de analit dintr-o soluie. Metoda tradiional de detecie a unor ioni ntr-o substan purttoare folosete ISE (Ion Selective Electrodes). Din punct de vedere electronic ISE poate fi privit ca o surs de tensiune electromotoare (de sute de milivoli pentru biosenzori) i cu o impedan de ieire mare (pn la sute de M). Masa electric este soluia, iar ieirea sursei este electrodul de referin. Dac concentraia ionilor de analit din soluie se modific, atunci potenialul electrodului sensibil la aceti ioni (receptorul) se modific dup relaia lui Nerst. Spre exemplu, n cazul pH-ului (concentraia ionilor de H+), o scdere a acestuia cu o unitate, determin creterea tensiunii furnizate cu circa 55mV. Muli biosenzori electrochimici folosesc amperometria. n acest caz au loc reacii chimice de oxido-reducere cu transfer de electroni n medii electrolitice. n domeniul biosenzorilor, aceast tehnic a nsemnat detectarea unui analit prin msurarea concentraiei unui produs de metabolism, mult mai uor de determinat. Pentru aceasta se folosesc electrozi cu enzime receptor aezate n unul sau mai multe straturi. Pentru msurarea concentraiei de glucoz se folosete enzima GOD care accelereaz foarte mult procesul de oxidare al glucozei, n urma cruia rezult i H2O2. Este mult mai uor s se msoar concentraia de H2O2, dup care se calculeaz din reacie concentraia de glucoz. Curenii care se stabilesc n aceste straturi sunt de natura unor cureni de difuzie, [2].

3.5. Traductori biologic intaci

Pentru determinarea unui analit, aceste traductoare folosesc chemoreceptori direct din lumea vie. Spre exemplu, s-a realizat un receptor de acetilcolin, utiliznd organul electric al petelui Torpedo i un senzor capacitiv. Cnd biolichidul purttor coninea acetilcolin n concentraie mrit, cretea tensiunea electric furnizat de traductorul organic al petelui, ceea ce ncrca senzorul capacitiv. S-au putut face msurtori n domeniul 1....100mol/l concentraie de acetilcolin n biolichidul purttor prin tehnici de C-V-metrie.Alt direcie de lucru este cuplarea unor celule receptoare vii cu una sau mai multe fibre nervoase. Stimularea unor celule olfactive sau gustative cu un anumit analit conduce la generarea unui impuls nervos detectabil ctre neuronii din fibr. Ca exemplu, s-a realizat un senzor pentru determinarea concentraiei de aminoacizi, utiliznd drept traductor organul olfactiv din antenulele crabului Calinectes Sadipus. Antenulele, legate de o unic fibr nervoas, au fost conectate cu o sond de platin. Stimularea receptorilor olfactivi cu aminoacidul L-glutamat, n concentraia 0,01...1mmol/l, a creat impulsuri nervoase msurabile, cu valori cuprinse ntre 10-1000V. n plus, s-a obinut o linearitate bun n aceast gam de msur.Observaie: Au fost amintite i exemplificate o serie de substane ca: acetilcolina, dopamina, ioni de Na+, Ca+, K+. Ele particip ca neurotransmitori la propagarea impulsului nervos. De reinut, c transmiterea unui impuls nervos se face pur electric: prin deplasare de sarcin electric. Datorit acestei comportri "electronice" a sistemului nervos uman, s-a dezvoltat o ramur nou n tiinele biologice: neuroelectrofiziologia.

Concluzii

O direcie vizeaz continuarea combinaiei de succes dintre biotehnologie i microelectronic. Se urmrete integrarea pe acelai cip a biosenzorului i a sistemului digital de prelucrare a semnalului. Scopul ar fi obinerea unor actuatoare integrate complet i controlate de nivelul

analitului n snge. S-ar putea realiza actuatoare, care s furnizeze automat anumite medicamente n snge, sau micropompe de declanare a dializei.O alt direcie de cercetare se bazeaz pe observaia fcut de Scheller n legtur cu procesarea de semnal fcut la nivel enzimatic. Exist dou tipuri distincte de enzime ce pot realiza suma matematic a semnalelor generate de doi senzori distinci. De asemenea, s-a realizat diferena i produsul de convoluie a dou semnale cu ajutorul a dou enzime distincte. Dac acest lucru va fi fcut n viitor la o scal mic de integrare i cu o vitez de rspuns superioar circuitelor digitale, vom asista n viitor la dezvoltarea biocalculatoarelor.

Modelarea rspunsurilor biosenzorilor prezentat aici este doar o provocare. Dac un biosenzor are un comportament neliniar, cu att mai mult un organism viu are. Modelarea rspunsurilor n lumea biologic i n special n medicin este un teren neatins nc. Utilitatea lor ar fi imens. Un exemplu: medicul analizeaz rspunsul unui electrocardiograf doar calitativ. Acest rspuns s-ar putea modela cu parametri ce ar indica elasticitatea vaselor de snge, timpi de comutaie, amplitudini - parametri ce ar putea duce la un diagnostic optimizat. Aplicaii ale TCEN sunt interesante mai ales n analiza rspunsurilor lumii vii. Spre exemplu, dozarea medicamentelor ar putea fi fcut pe baza stabilirii concentraiei de prag. Organismul uman prezint o anumit reactivitate biologic la un medicament. Dac se administreaz n concentraii prea mici, organismul nu "simte" nimic. Peste o doz "prag" reactivitatea ncepe s se fac simit. n viitor s-ar putea dovedi o reactivitate chiar i sub prag. Parial s-a demonstrat acest lucru. Scznd concentraia medicamentului foarte mult, s-a ajuns la stabilirea unor diluii foarte nalte (homeopatice), la care reactivitatea organismului crete din nou. Aceste concentraii, sau n cellalt caz, diluii prag, ale unor medicamente, ar putea fi extrase cu TCEN. Dezvoltri n direcia electrofiziologiei. Proprietile fundamentale ale neuronilor constau n generarea i conducerea impulsurilor electrice nervoase. Un stimul cu intensitatea sub prag nu se propag. Asemnarea conduciei electrice intraneuronale cu dispozitivele MOS este frapant. ntre doi neuroni conducia se face prin intermediul mediatorilor chimici i a neurotransmitorilor (substane ca acetilcolina, dopamina etc). Iat de ce aceste substane sunt att de intens cercetate cu ajutorul biosenzorilor. Dar nu numai neuronii, ci toate celulele au comportamente electrice: conducia prin canalele ionofore, ncrctura electric a mediului micelar, electroforeza proteinelor sunt doar cteva exemple. De asemenea, deosebit de interesant ar fi modelarea n domeniul electronicii celulare i a transmiterii semnalelor biologice. Exist o transmisie la nivel intracelular (prin mesagerii secunzi spre receptorii nucleari), o transmisie intercelular (prin circulaia sangvin a analiilor) i apoi o transmisie global ntre organe. Electrofiziologii au avansat mult n ultimele decenii, reuind prin observaii directe s explice unele fenomene electrice ce apar n funcionarea celulelor. i instrumentele puse la dispoziie de nanotehnologii i-au ajutat. ns ceea ce lipsete n acest domeniu este modelarea. O stpnire cantitativ a fenomenului la nivel celular i apoi global, ar fi cheia unei medicini moderne. Este de ateptat ca aceast modelare s fie extrem de dificil, ntruct organismul are diverse metode de adaptare printr-un numr extrem de mare de feed-back-uri. De aceea ele trebuie s debuteze treptat: mai nti la nivel celular i n cele din urm la nivelul ansamblului organismului viu. Prerea personal a autorului acestei cri este c n viitor vom asista la o convergen a tiinelor ntr-un mod surprinztor. Dac n trecut, materia acestei lumi a fost studiat din unghiul chimistului, al fizicianului, al biologului, al electronistului, astzi asistm la o superspecializare pe domenii extrem de nguste: electroniti specializai doar pe tranzistoare SET, sau doar pe nanotuburi de carbon, ori biologi care studiaz doar un anumit organit celular. Ironia soartei este c electronistul care aprofundeaz mult nanotuburile le redescoper printre proteinele din canalele ionofore celulare, iar biologii sunt forai s dea explicaii despre fenomene electrice celulare. Probabil c doar conlucrarea acestor cercettori va asigura succesul n viitor.

Bibliografie

Florin Babarada, Cristian Ravariu, Tehnologii de fabricatie pentru microsenzori i biosenzori, Editura Printech, ISBN 973-718-119-0, Bucureti, pg. 15-17, 179-258, 2004.Cristian Ravariu, Dispozitive electronice, curs pentru uzul studentilor, Editura Printech, ISBN 973-718-133-6, Bucuresti, p.1-326, 2004.F. Ravariu, C. Ravariu, O. Nedelcu, F. Babarada, E. Manea, C. Podaru, Mechanical Performance of an Integrate Micropump. Application in Electrophoresiys, , Proceedings of the International Conference, Sinaia, Romnia, pg. 193-196, ISBN 1-4244-0109-7, 2006.Cristian Ravariu, Adrian Rusu, Florina Ravariu, Florin Babarada, Experimental studies of a molecular device with Bioliquid On Diamond - BOD , 17th European Conference on Diamond, Diamond- Like Materials, Carbon Nanotubes, and Nitrides, pp.15.5.2, Portugal, Estoril, Sept. 2006C. Ravariu, A. Rusu, O. Nedelcu, F. Ravariu, F. Babarada, L. Dobrescu, A MEMS Dedicated to the Biocomponents Detection, Inspired from The Son Architecture, Proceedings of the International Conference, Sinaia, Romnia, 2005.C. Ravariu, A. Rusu, M. Profirescu, F. Ravariu, A Nano-Transistor with a Cavity, IEEE 8-th International Conference Nanotech-MSM, 2005, Anaheim, SUA, vol.1, cap4, p.111.C. Ravariu, A. Popescu, F. Ravariu, A two-terminals biodevice with a neurotransmitter solution, IEEE, Int. Conf. Proceedings, Sinaia, Romania, CAS'04, pp.255-258, 2004.