تخصص الهندسة الحيوية Bioengineering

الهندسة الحيوية مجال كبير ويتطرق للعديد من المواضيع ، فبعض التخصصات ظهرت نتيجة للهندسة الحيوية أو انفصلت عنها كتخصص مستقل. نتيجة لوجود العديد من المواضيع وتنوعها فقد يتم الخلط بينها وبين تخصصات أخرى.

سنحاول في مقالنا الإجابة عن سؤال: ماهي الهندسة الحيوية وما هي تطبيقاتها ومجالاتها ؟ ستكون الإجابة طويلة فعلاً ، بسبب أن المجال يتألف من العديد من الأجزاء (المواضيع) التي تحتاج إلى تفسير. وإن كنا سنقوم بذلك بشكل مبسط ، ولكن نحن بحاجة لإيضاح تفاصيل هذا التخصص لمعرفة الغاية منه.

الهدف الذي نريد الوصول إليه ، معرفة الطالب بما ينتظره بعد تخرجه وماهي الصعوبات التي قد تواجهه. وما هي الفرص التي يمنحها هذا التخصص للطلاب.

 

ما هي الهندسة الحيوية؟

الهندسة الحيوية هي تخصص يطبق المبادئ الهندسية في التصميم والتحليل للأنظمة البيولوجية والتقنيات الطبية الحيوية. تشمل أمثلة أبحاث الهندسة الحيوية البكتيريا المنتجة للمواد الكيميائية ، وتقنيات التصوير الطبي الجديدة ، والأجهزة المحمولة لتشخيص الأمراض ، وهندسة الأنسجة والطب التجديدي. 

يمكن تعريف الهندسة الحيوية على أنها ممارسات الهندسة التطبيقية في علم الأحياء العام. إنه مجال واسع يغطي حتى الزراعة والأدوية والموضوعات المتعلقة بالغذاء والموارد الطبيعية وما إلى ذلك. 

تُعرف الهندسة الحيوية أيضًا باسم الهندسة البيولوجية وهندسة النظم البيولوجية و هندسة التقنية الحيوية. إنه تخصص يدرُس تطبيق مبادئ ونظريات الرياضيات والكيمياء والفيزياء وعلوم الحاسوب لتصميم وتحليل العمليات أو الأدوات الجديدة في علوم الحياة (الأنظمة البيولوجية). 

تمثل الهندسة الحيوية مجالًا واسعًا من الخبرة يشمل الهندسة الطبية الحيوية والهندسة والهندسة الوراثية والهندسة الكيميائية الحيوية. 

يتم تدريب طلاب الهندسة الحيوية في أساسيات كل من علم الأحياء والهندسة ، والتي قد تشمل عناصر الهندسة الكهربائية والميكانيكية ، وعلوم الكمبيوتر ، وعلوم المواد ، والكيمياء ، وعلم الأحياء. يسمح هذا الاتساع للطلاب وأعضاء هيئة التدريس بالتخصص في مجالات الاهتمام والتعاون على نطاق واسع مع الباحثين في العديد من المجالات.

 

ماذا يفعل خريجو الهندسة الحيوية؟

يطبق المهندس الحيوي مبادئ هندسية لحل مشاكل الأنظمة البيولوجية. يُطلق على هؤلاء المهنيين أحيانًا اسم المهندس البيولوجي. يعمل المهندسون الحيويون عن كثب مع المجال الطبي ، ويصممون الأجهزة الطبية المحسنة ، والمعدات ، والمواد الحيوية ، وأجهزة إعادة التأهيل. بالإضافة إلى الرياضيات والعلوم القياسية ، قد يحتاج هؤلاء المهندسون إلى مهارات في برمجة الكمبيوتر وتصميم الدوائر وميكانيكا السوائل والمواد الحيوية. كما يقومون بتصميم أنظمة مجهرية لإدارة النفايات ، ودراسة الآثار البيولوجية للتغيرات البيئية ، وإنشاء منتجات زراعية معدلة وراثيًا.

المهندسين الحيويين يعملون بعمق لحل المشكلات المتعلقة بالأنسجة الاصطناعية والعلاج الجيني والمستحضرات الصيدلانية. على سبيل المثال ، قد يعمل مهندس حيوي مع برامج مثل كريسبر لتعديل الجينات وتطوير تقنية mRNA (هذه هي نفس التقنية التي أعطتنا لقاحات COVID-19). يمكن أن يهتم المهندس الحيوي أيضًا بهندسة الأنسجة لاستبدال وزرع الأنسجة التالفة في البشر.

يقوم المهندسون الحيويون بإجراء البحوث في العديد من المجالات. في علم الوراثة ، على سبيل المثال ، يحاول المهندسون اكتشاف الأمراض الوراثية والوقاية منها وعلاجها. 

في مجال الطب الرياضي ، يطور المهندسون الحيويون أجهزة إعادة التأهيل والدعم الخارجي. يقوم أخصائيو الهندسة الحيوية للأبحاث الطبية بفحص تقنيات إعادة التأهيل والمعيشة. 

في الصناعة ، يقوم المهندسون الحيويون بإجراء البحوث وإنشاء تصميمات لفهم أكثر تعمقًا لأنظمة وتقنيات الحياة. 

غالبًا ما يعمل الباحثون الحكوميون في اختبار المنتج والسلامة ، حيث يضعون معايير أمان للأجهزة الطبية. 

يقوم المهندسون الحيويون بتصميم المفاصل والأنسجة والأعضاء الاصطناعية. إنهم يصنعون أجهزة اصطناعية تحل محل أجزاء الجسم المفقودة ، بما في ذلك أجهزة السمع ، وأجهزة تنظيم ضربات القلب ، والكلى والقلوب الاصطناعية ، وأجهزة الأكسجين في الدم ، والأوعية الدموية الاصطناعية ، والمفاصل ، والذراعين ، والساقين. 

الأجهزة المستخدمة لتشخيص الأمراض وعلاجها تم تصميمها عن طريق المهنيين في الهندسة الحيوية. بعض الأمثلة على هذه الأدوات المبتكرة هي أجهزة الكمبيوتر التي تحلل الدم وأنظمة الليزر المستخدمة أثناء جراحات العين التصحيحية وأجهزة التصوير الطبي مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وأجهزة التصوير المقطعي المحوسب.

يكتشف مجال الهندسة الحيوية ، الذي يبحث في التطورات الجديدة في الكيمياء الحيوية و استقلاب الخلايا ، أسس الأمراض ومسارات الخلايا ويمكن أن ينتج علاجات جديدة لهذه الأمراض.

 

موضوعات الهندسة الحيوية

تقدم الهندسة الحيوية اليوم حلولاً للمشاكل في القطاعات الصناعية والطبية. هذه الحلول وجدت من خلال الجمع بين المجالات الهندسية مثل: الديناميكا الحرارية وميكانيكا الموائع ونقل الحرارة والمفاعلات الحيوية والميكانيكا الحيوية مع مختلف المجالات البيولوجية مثل علم الأحياء الدقيقة وعلم الوراثة وهندسة البروتين والكيمياء الحيوية و البيولوجيا التركيبية وهندسة الانسجة والطب الجزيئي والمعلوماتية الحيوية وغيرها من المواضيع الهندسية والبيولوجية. سنتناول بعض هذه المواضيع بقليل من التفصيل في هذا المقال. تمثل المواضيع التالية جزءاً كبيراً من مواضيع جامعة أوسكودار التركية. 

1- الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية ، علم العلاقة بين الحرارة والعمل ودرجة الحرارة والطاقة. بعبارات عامة ، تتعامل الديناميكا الحرارية مع نقل الطاقة من مكان إلى آخر ومن شكل إلى آخر. المفهوم الرئيسي هو أن الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة المقابلة لكمية محددة من العمل الميكانيكي.

الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع الفيزياء التي تتعامل مع طاقة وعمل نظام ما. وُلدت في القرن التاسع عشر عندما كان العلماء يكتشفون لأول مرة كيفية بناء وتشغيل المحركات البخارية. تتعامل الديناميكا الحرارية فقط مع الاستجابة واسعة النطاق لنظام يمكننا ملاحظته وقياسه في التجارب. توصف النظرية الحركية للغازات تفاعلات الغاز الصغيرة.

مواضيع الديناميكا الحرارية الحيوية 

(قانون الديناميكا الحرارية ، مفاهيم العمل والحرارة ، الخصائص الديناميكية الحرارية للمواد النقية ومعادلات الحالة ، القانون الثاني للديناميكا الحرارية و الانتروبيا ، العمليات المطبقة على الغاز المثالي ، خصائص الحالة المعممة ، معيار الاستقرار ، مفاهيم الانفلات والنشاط ، المفاهيم الديناميكية الحرارية ، جيبس الطاقة الحرة ومعادلة جيبس ​​دوهيم ، أنظمة متعددة المكونات).

 

2- ميكانيكا الموائع 

ميكانيكا الموائع هي دراسة سلوك السوائل (السوائل والغازات والدم والبلازما) في حالة السكون والحركة. ميكانيكا الموائع لديها مجموعة واسعة من التطبيقات في الهندسة الميكانيكية والكيميائية ، في النظم البيولوجية ، وفي الفيزياء الفلكية. 

مواضيع ميكانيكا الموائع 

(تدفق الضغط. خسائر الطاقة المستمرة والمحلية. حل نظام الأنابيب. شبكات الأنابيب متعددة الخوادم. تدفقات السطح الحر. تدفق موحد. قسم النموذج الأنسب. التيارات المتغيرة المفاجئة والتدريجية. قفزة هيدروليكية. حساب التدفق المتغير تدريجياً. ضوابط القناة. الفتحات والسدود).

 

3- نقل الحرارة 

حركة الحرارة عبر حدود النظام بسبب اختلاف درجة الحرارة بين النظام ومحيطه.

يمكن أن تنتقل الحرارة من مكان إلى آخر بعدة طرق. تشمل الأوضاع المختلفة لنقل الحرارة ما يلي: (التوصيل ، الحمل ، الإشعاع).

تطبيقات نقل الحرارة في النظم البيولوجية 

ارتفاع الحرارة هو موضوع مثير للاهتمام للغاية في الطب. تم إجراء العديد من الدراسات حول استخدام انتقال الحرارة إلى الأنسجة الحية لعلاج السرطان وكذلك لتعزيز إجراءات العلاج وإنشاء تقنيات أكثر تطورًا ودقة للتنبؤ بدرجة الحرارة في الأنسجة البيولوجية. أدت هذه الدراسات إلى تطوير واستخدام علاج ارتفاع الحرارة ، المعروف أيضًا باسم “الطب الحراري” أو “العلاج الحراري” ، وهو نوع من العلاج يتم فيه تحفيز مناعة الجسم وقدرته على الشفاء الذاتي عن طريق تعريض الجسم لدرجات حرارة عالية. يمكن استخدام ارتفاع الحرارة لعلاج منطقة معينة من الجسم أو الجسم كله.

في السنوات الأخيرة ، درس العديد من الأطباء والمهندسين استخدام النماذج الحسابية والرياضية لنقل الحرارة في النظم البيولوجية.

مواضيع نقل الحرارة والكتلة

(القانون الأول للديناميكا الحرارية ، الديناميكا الحرارية ونقل الحرارة ، آليات نقل الحرارة (التوصيل والحمل الحراري والإشعاع) ، آليات نقل الحرارة المتزامنة وتقنيات حل المشاكل ، معادلة التوصيل الحراري أحادي البعد ، التوصيل الحراري العابر ، أساسيات الحمل الحراري ، أساسيات نقل الكتلة).

 

4- المفاعلات الحيوية 

التفاعل الكيميائي: هو عملية تحول بعض المواد الكيميائية إلى مواد أخرى. تسمى المادة التي تبدأ تفاعلًا كيميائيًا مادة متفاعلة ، وتسمى المادة التي تتكون نتيجة تفاعل كيميائي منتجًا. أثناء التفاعل الكيميائي ، يتم استخدام المواد المتفاعلة لإنشاء المنتجات. تسمى التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الكائنات الحية التفاعلات الكيميائية الحيوية.

المفاعل الحيوي: المفاعل الحيوي هو نوع من أوعية التخمير التي تستخدم لإنتاج مختلف المواد الكيميائية والتفاعلات البيولوجية. إنها حاوية مغلقة ذات ترتيب مناسب للتهوية ، والإثارة ، والتحكم في درجة الحرارة ودرجة الحموضة ، والتصريف أو الفائض للتنفيس لإزالة الكتلة الحيوية للنفايات من الكائنات الحية الدقيقة المستزرعة إلى جانب منتجاتها.

المفاعل الحيوي هو قلب أي عملية كيميائية حيوية لأنه يوفر بيئة للكائنات الحية الدقيقة للحصول على النمو الأمثل وإنتاج المستقلبات للتحول الحيوي والتحويل الحيوي للركائز إلى منتجات مرغوبة.

يمكن تصميم المفاعلات أو تصنيعها بناءً على متطلبات نمو الكائنات الحية المستخدمة.

المفاعلات هي آلات يمكن صنعها لتحويل المواد ذات الأساس البيولوجي إلى منتجات مرغوبة.

يمكن استخدامها لإنتاج العديد من الإنزيمات وعمليات التحفيز الحيوي الأخرى.

المفاعل الحيوي هو جزء لا غنى عنه في أي عملية حيوية بغض النظر عما إذا كانت العملية تؤدي إلى تدهور بالملوثات أو إنتاج مواد مثل الأطعمة والأعلاف والمواد الكيميائية والمستحضرات الصيدلانية والأنسجة والأعضاء لاستخدامها في الطب الحيوي. 

مواضيع المفاعلات الحيوية 

(التفاعلات الكيميائية الحيوية وتصنيف التفاعلات الكيميائية الحيوية ، خصائص المفاعلات الحيوية ، جهاز الخلط ، تقنيات التصنيع بالتقنيات الحيوية).

 

5- الميكانيكا الحيوية 

الميكانيكا الحيوية هي علم حركة الجسم الحي ، بما في ذلك كيفية عمل العضلات والعظام والأوتار والأربطة معًا لإنتاج الحركة. الميكانيكا الحيوية هي جزء من المجال الأكبر لعلم الحركة ، مع التركيز بشكل خاص على ميكانيكا الحركة . لا تشمل الميكانيكا الحيوية بنية العظام والعضلات والحركة التي يمكن أن تنتجها فحسب ، بل تشمل أيضًا آليات الدورة الدموية ووظيفة الكلى ووظائف الجسم الأخرى. 

لا تدرس الميكانيكا الحيوية جسم الإنسان فحسب ، بل تدرس أيضًا الحيوانات ، بل وتمتد أيضًا إلى النباتات والأعمال الميكانيكية للخلايا . 

من أجل تصميم قلب اصطناعي ، يجب أن يكون لدى المهندس معرفة واسعة بالهندسة الكهربائية والهندسة الميكانيكية وديناميكيات السوائل بالإضافة إلى فهم متعمق لأمراض القلب وعلم وظائف الأعضاء. يتطلب تصميم معمل على رقاقة معرفة بالإلكترونيات وتكنولوجيا النانو وعلوم المواد والكيمياء الحيوية. من أجل تصميم الأطراف الاصطناعية البديلة ، فإن الخبرة في الهندسة الميكانيكية وخصائص المواد بالإضافة إلى الميكانيكا الحيوية وعلم وظائف الأعضاء أمر ضروري.

مواضيع الميكانيكا الحيوية 

(الفيزياء الحيوية الجزيئية والخلوية ، ميكانيكا القلب والأوعية الدموية ، ميكانيكا العضلات والأغشية ، علم وظائف الأعضاء وميكانيكا الطيران الخافت ، الديناميكا الشكلية متعددة الخلايا ، التفاعلات بين الخلايا والمواد الحيوية).

 

6- علم الأحياء الدقيقة 

ما هو علم الأحياء الدقيقة؟

تعد الكائنات الحية الدقيقة وأنشطتها ذات أهمية حيوية لجميع العمليات على الأرض تقريبًا. الكائنات الدقيقة مهمة لأنها تؤثر على كل جانب من جوانب حياتنا.

علم الأحياء الدقيقة هو دراسة جميع الكائنات الحية الصغيرة جدًا التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. وهذا يشمل البكتيريا والفيروسات والفطريات والبريونات والأوليات والطحالب ، والمعروفة مجتمعة باسم “الميكروبات”. تلعب هذه الميكروبات أدوارًا رئيسية في دورة المغذيات ، والتحلل البيولوجي ، وتغير المناخ ، وتلف الطعام ، وسبب المرض والسيطرة عليه. بفضل تعدد استخداماتها ، يمكن تشغيل الميكروبات بعدة طرق: صنع الأدوية المنقذة للحياة ، وتصنيع الوقود الحيوي ، وتنظيف التلوث ، وإنتاج ومعالجة الطعام والشراب.

يدرس علماء الأحياء الدقيقة الميكروبات ، وقد نتجت بعض أهم الاكتشافات الحديثة من أبحاث علماء الأحياء الدقيقة. أمثلة لهذه الاكتشافات ، جينر ولقاحه ضد الجدري وفليمينغ واكتشاف البنسلين. وزور هاوزن ، الذي حدد الصلة بين فيروس الورم الحليمي البشري وسرطان عنق الرحم.

مواضيع علم الأحياء الدقيقة 

(يركز هذا المساق على السمات الرئيسية لتشريح الخلية الميكروبية ، وعلم وظائف الأعضاء ، والتغذية ونمو الكائنات الدقيقة المهمة لمختلف الصناعات ، والتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلية الميكروبية ، وتكاثر الكائنات الحية الدقيقة ، وتخليق المنتجات الحيوية ، وزراعة الكائنات الحية المهمة التي تمت مواجهتها. في الطب والصيدلة ، والتحكم في نمو الميكروبات في عملية الإنتاج الصناعي).

 

7- الهندسة الوراثية  

الهندسة الوراثية هي عملية استخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف (rDNA) لتغيير التركيب الجيني للكائن الحي. تتضمن الهندسة الوراثية التلاعب المباشر بجين واحد أو أكثر. في أغلب الأحيان ، يُضاف جين من نوع آخر إلى جينوم الكائن الحي لمحاولة منحه النمط الظاهري المطلوب.

مواضيع الهندسة الوراثية 

(مقدمة في الهندسة الوراثية ، تحليل التعبير الجيني ، تحليل المصفوفات الدقيقة ، وضع العلامات والتهجين ، رسم خرائط الجينات ، بصمات الحمض النووي ، استراتيجيات الاستنساخ ، مكتبات DNA و cDNA ، الحيوانات والنباتات المعدلة وراثيا ، العلاجات الجديدة للأمراض الوراثية ، العلاج الجيني).

 

8- هندسة البروتين 

تتضمن هندسة البروتين تخليق بروتينات جديدة ، أو تعديل تسلسل / هيكل البروتين الحالي لتحقيق الوظائف المطلوبة. نجح مهندسو البروتين في إنشاء مجموعة واسعة من البروتينات المصممة لتطبيقات صناعية وطبية وبحثية محددة.

اللقاحات الاصطناعية

هناك عدة أنواع مختلفة من اللقاحات. تم تصميم كل نوع لتعليم جهازك المناعي كيفية محاربة أنواع معينة من الجراثيم – والأمراض الخطيرة التي تسببها. أحد الأساليب البديلة الممكنة للتحصين هو تحديد تسلسلات الببتيد التي تؤدي إلى استجابة مناعية وقائية ، واستخدام نسخ تركيبية تمامًا منها كمادة لقاح.

مواضيع هندسة البروتين واللقاحات الاصطناعية 

(التوليف الكيميائي للببتيدات بطرق الحالة الصلبة (طريقة ميريفيلد) ، التخليق الحيوي للببتيدات والبروتينات ، تقنية الحمض النووي ، تقنية الورم الهجين ، اندماج المايلوما وخلايا الطحال ، الغلوبولين المناعي وحيدة النسيلة (الأجسام المضادة) ، تعديل الجزيئات الحيوية ، الببتيدات وتثبيت البروتين ، تقنيات الربط مع مذيلات اللاتكس الاصطناعية والجسيمات الشحمية ، الكبسلة الدقيقة والارتباط بالمصفوفة البوليمرية (المركبات الحيوية القابلة للذوبان في الماء ، مجمعات البروتينات البينوبوليمرية) طريقة تحضير مادة مساعدة ، وتعديل مناعة المستضدات ، واللقاحات الاصطناعية ، و اللقاحات الفيروسية ، والمناعة البوليمرية القائمة على نماذج أولية من الببتيد واللقاحات ، طرق تطوير لقاح ضد عدة أمراض). 

 

9- الكيمياء الحيوية 

نظرًا لأن الكيمياء الحيوية تسعى إلى كشف التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تحدث في مجموعة متنوعة من أشكال الحياة ، فإنها توفر الأساس للتقدم العملي في الطب والطب البيطري والزراعة والتقنية الحيوية.

الكيمياء الحيوية هي علم الحياة وعلم كيميائي في نفس الوقت – فهي تستكشف كيمياء الكائنات الحية و الأساس الجزيئي للتغييرات التي تحدث في الخلايا الحية. 

أصبحت الكيمياء الحيوية الأساس لفهم جميع العمليات البيولوجية. وقدمت تفسيرات لأسباب العديد من الأمراض لدى البشر والحيوانات والنباتات.

مواضيع الكيمياء الحيوية

(الأحماض الأمينية / الببتيدات / البروتينات ، الإنزيمات ، حركية الإنزيم ، تثبيط ، الأحماض النووية ، النسخ المتماثل والترجمة ، التمثيل الغذائي ، الكربوهيدرات ، تحلل السكر ، دورة حمض الستريك ، نقل الإلكترون والفسفرة التأكسدية ، التمثيل الغذائي للدهون ، التمثيل الغذائي للنيتروجين ، التمثيل الضوئي).

 

10- البيولوجيا التركيبية 

علم الأحياء التركيبي هو فرع متعدد التخصصات من علم الأحياء والهندسة. يجمع هذا الموضوع بين مختلف التخصصات من داخل هذه المجالات ، مثل التقنية الحيوية والهندسة الوراثية والبيولوجيا الجزيئية والهندسة الجزيئية وبيولوجيا الأنظمة والفيزياء الحيوية والهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر وهندسة التحكم وعلم الأحياء التطوري. تطبق البيولوجيا التركيبية هذه التخصصات لبناء أنظمة بيولوجية اصطناعية للبحث والهندسة والتطبيقات الطبية. أحد التعريفات الشائعة هو “تصميم وبناء وحدات بيولوجية وأنظمة بيولوجية وآلات بيولوجية لأغراض مفيدة”. 

مواضيع البيولوجيا التركيبية

(مبادئ تصميم الدوائر البيولوجية ، الدوائر الجينية ، هندسة البروتين ، الأحماض الأمينية غير الكنسية ، هندسة الأحماض النووية ، التصميم الفني ، التطور الموجه ، الهندسة الأيضية ، الوقود الحيوي ، المحفزات الحيوية ، توضيح مبادئ بيولوجيا الأنظمة باستخدام الأنظمة التركيبية).

 

11- هندسة الأنسجة 

هندسة الأنسجة هي مجموعة من التقنيات لإنتاج الأنسجة ، بشكل أساسي لإصلاح أو تحسين وظائف جسم الإنسان. هناك أيضًا بعض التطبيقات الإضافية ، مثل فحص الأدوية واللحوم الاصطناعية. تختلف التركيبات المُهندسة بالأنسجة عن الغرسات الطبية ، وهي أجهزة تقنية مصنوعة من مواد من صنع الإنسان ، بدون أجزاء من الأنسجة الحية.

يوجد اليوم العديد من الأمثلة على هندسة الأنسجة في الاستخدام السريري ، على سبيل المثال الجلد والغضاريف والعظام وصمامات القلب والمثانة. هناك العديد من الأمثلة التي لا تزال موجودة على مستوى الأبحاث والتجارب على الحيوانات ، مثل الكبد الاصطناعي والبنكرياس والأوعية الدموية. في معظم الأمثلة ، تُزرع الأنسجة خارج الجسم ثم تُزرع في المريض. ومع ذلك ، هناك أيضًا محاولات وأفكار موازية لهندسة الأنسجة داخل الجسم الحي ، حيث على سبيل المثال يتم زرع مزرعة خلوية وتتطور إلى نسيج مرغوب فيه داخل الجسم.

مواضيع هندسة الأنسجة 

(نظائر المصفوفة خارج الخلية ، والمصفوفة خارج الخلية ، والبوليمرات الاصطناعية والبوليمرات الطبيعية كمواد داعمة ، وتنظيم وظائف الخلية ، وبناء الخلية ، والتفاعلات بين المواد الحيوية والخلوية ، والحركة الخلوية والتمثيل الغذائي ، ونمذجة الأنسجة ، وتجديد الأنسجة ، وإطلاق الأدوية الخاضعة للرقابة ، وأساليب هندسة الأنسجة ، علاج أعضاء بايوهبريد ، منتجات هندسة الأنسجة: براءات الاختراع ، القواعد ، التطورات الأخيرة).

 

12- المعلوماتية الحيوية 

تم إنشاء ثروة غير مسبوقة من البيانات البيولوجية من خلال مشروع الجينوم البشري ومشاريع التسلسل في الكائنات الحية الأخرى. تتم إدارة الطلب الهائل على تحليل وتفسير هذه البيانات من خلال علم المعلوماتية الحيوية المتطور. يتم تعريف المعلوماتية الحيوية على أنها تطبيق أدوات الحساب والتحليل لالتقاط وتفسير البيانات البيولوجية. إنه مجال متعدد التخصصات ، يستخدم علوم الحاسوب والرياضيات والفيزياء وعلم الأحياء. المعلوماتية الحيوية ضرورية لإدارة البيانات في علم الأحياء والطب الحديث. 

مواضيع المعلوماتية الحيوية

(الرسوم البيانية والخوارزميات والتعقيد ؛ الحوسبة المتوازية والموزعة ؛ التسلسل البيولوجي: خوارزميات السلسلة ، محاذاة التسلسل ، تجميع التسلسلات البيولوجية ، تكرار التسلسل ، تحليل الجينوم: اكتشاف الجينات ، إعادة ترتيب الجينوم ، استدلال النمط الفرداني ؛ مقدمة في الشبكات البيولوجية: شبكات الاستقلاب ، وشبكات تنظيم الجينات ، وشبكات تفاعل البروتين).

 

13- توصيل الأدوية 

توصيل الأدوية هو مجال بحث لتطوير تقنيات وأساليب جديدة لنقل الأدوية عبر الجسم. تهدف استراتيجيات توصيل الدواء إلى زيادة الفعالية العلاجية ، وتخفيف الآثار الجانبية ، وتحسين امتثال المريض. لتحقيق هذا المستوى من التحكم ، يستخدم المهندسون الحيويون استراتيجيات متعددة بناءً على نوع المركب الذي يتم تسليمه (بروتين أو حمض نووي أو جزيء صغير) ونوع الخلية أو الأنسجة المستهدفة.

مواضيع توصيل الأدوية 

(الصيدلة الحيوية ، استقرار العقاقير الكيميائية والفيزيائية ، انتشار الدواء في / من الخزان ، المصفوفة ، أنظمة توصيل الأدوية القابلة للتحلل ، الجسيمات المستجيبة ، الجسيمات الشحمية ، الجسيمات النانوية ، البوليمرات لتوصيل الأدوية ، أنظمة توصيل الأدوية المستهدفة الخاصة بالموقع ، المستحضرات الصيدلانية المشعة ، أنظمة توصيل جديدة تستجيب للمحفزات).

 

14-علم الفيروسات 

تُظهر الدراسات الوبائية أن العدوى الفيروسية في البلدان المتقدمة هي السبب الأكثر شيوعًا للأمراض الحادة التي لا تتطلب دخول المستشفى. في البلدان النامية ، تؤدي الأمراض الفيروسية أيضًا إلى خسائر فادحة في الوفيات والعجز الدائم ، خاصة بين الرضع والأطفال.

علم الفيروسات هو النظام العلمي المعني بدراسة بيولوجيا الفيروسات والأمراض الفيروسية ، بما في ذلك التوزيع والكيمياء الحيوية وعلم وظائف الأعضاء والبيولوجيا الجزيئية والبيئة والتطور والجوانب السريرية للفيروسات.

مواضيع علم الفيروسات 

(علم التشكل الفيروسي ، الهيكل والتصنيف والتكاثر الفيروسي ، دورات الحياة والتنوع ، الفيروسات البدائية ، الفيروسات النباتية ، الفيروسات الحيوانية (بما في ذلك الفيروسات الحيوانية المصدر) ، البيئة الفيروسية المائية ، الفيروسات العلاجية ، التطبيقات الصناعية للفيروسات ، والبشر. – التفاعلات الفيروسية ، لقاحات الفيروسات ، الأدوية المضادة للفيروسات).

 

15- أجهزة الاستشعار 

أجهزة الاستشعار الحيوية 

جهاز الاستشعار البيولوجي هو جهاز يقيس التفاعلات البيولوجية أو الكيميائية عن طريق توليد إشارات تتناسب مع تركيز المادة التحليلية في التفاعل. يتم استخدام المستشعرات الحيوية في تطبيقات مثل مراقبة المرض واكتشاف العقاقير والكشف عن الملوثات والكائنات الدقيقة المسببة للأمراض والعلامات التي تعد مؤشرات على وجود مرض في سوائل الجسم (الدم والبول واللعاب والعرق).

مواضيع تقنيات القياس: أجهزة الاستشعار

(الهيكل العام للحساسات ، المستشعرات الحرارية ، مستشعرات الضغط ، مستشعرات الحركة والتسارع ، مستشعرات الصور وخصائصها الأساسية ، المستشعرات الحيوية الأساسية ، مستشعرات الغاز).

 

أهم اتجاهات البحث والتطوير في الهندسة الحيوية

 

1. هندسة الأنسجة

يمكن تصنيع الأنسجة الحية من خلايا نشطة بيولوجيًا ، والتي يتم ترسيبها على سقالات قابلة للتحلل في ظروف خاضعة للرقابة. طريقة الترسيب الشائعة هي الطباعة الحيوية – وهي عملية شبيهة جدًا بالطباعة ثلاثية الأبعاد ، ولكنها تستخدم “روابط حيوية” تتكون من خلايا بشرية بدلاً من البلاستيك.

تتم طباعة الخلايا في طبقات رقيقة تتراكم في الأنسجة الحية أو أجزاء الجسم التي يمكن زرعها. استخدم الباحثون في الطب التجديدي طابعة ثلاثية الأبعاد خاصة لإنشاء أنسجة تزدهر عند زرعها في القوارض.

 

2. بقع عبر الجلد

أثبت المهندسون الحيويون جدوى طباعة هياكل الأنسجة الحية على طابعة ثلاثية الأبعاد متخصصة. لقد قطعت البقع عبر الجلد شوطًا طويلاً منذ استخدامها كوسيلة لكسر إدمان النيكوتين.

على سبيل المثال ، ابتكر العلماء في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة بقع عبر الجلد مليئة بالأدوية التي تساعد في محاربة السمنة. بدلاً من تناول هذه المركبات عن طريق الفم أو الحقن ، يتم إطلاق هذه المركبات من خلال مئات من الإبر الدقيقة القابلة للتحلل في اللصقة التي بالكاد تخترق الجلد. عندما تذوب الإبر ، يتم إطلاق الأدوية ببطء في الجسم.

 

3. الأجهزة القابلة للارتداء

أصبحت التقنيات القابلة للارتداء متعددة الوظائف ويمكنها مراقبة العديد من المعايير الصحية ، مثل معدل النبض وضغط الدم ، والتي يمكن أيضًا نقلها في نفس الوقت الى المؤسسات الطبية.

تتحكم الملابس الذكية في درجة حرارة الجسم باستخدام بوليمرات خاصة وفتحات تهوية تستجيب للرطوبة والتي تفتح عند الحاجة. لقد تم اقتراح أن التحكم الفردي في درجة الحرارة من خلال الملابس يمكن أن يقلل من تكاليف التدفئة والتبريد للمبنى بنسبة تصل إلى 15 بالمائة.

 

4. الجراحة الروبوتية وإعادة التأهيل

يصنع مصنعو الروبوتات روبوتات متعددة الوظائف لمساعدة الجراحين في غرفة العمليات. بناءً على مدخلات الأطباء ، تساعدهم هذه الأجهزة الروبوتية في التعامل مع الأدوات بدقة عالية بطرق لا يمكنهم القيام بها بمفردهم. هذا ينطبق بشكل خاص على الجراحات طفيفة التوغل.

الروبوتات مفيدة للغاية أيضًا للأشخاص الذين عانوا من السكتات الدماغية أو إصابات الدماغ ، لإعادة تعلم المهام الحركية. على سبيل المثال ، Lokomat هو نظام تدريب على المشي يستخدم الهيكل الخارجي الآلي وجهاز المشي لمساعدة المرضى على استعادة وظائف المشي الأساسية. كما يسمح للمعالج بالتحكم في سرعة المشي ومقدار الدعم الذي تقدمه الأرجل الآلية للمريض.

 

5. النانو روبوت

يعمل الباحثون بجد لتصميم روبوتات بحجم النانو تكون صغيرة بما يكفي لدخول مجرى الدم وأداء مهام معينة ، مثل قتل الخلايا السرطانية.

تشتمل تصميمات النانو روبوت على هياكل قائمة على الحمض النووي تحتوي على عقاقير مقاومة للسرطان ترتبط فقط ببروتين معين موجود في أورام السرطان. بعد التعلق ، يطلق الروبوت دواءه في الورم.

 

6. الواقع الافتراضي

هي أداة قيّمة بشكل خاص في المجال الطبي نظرًا لكيفية تقديم البيانات التفصيلية المأخوذة من الصور الطبية ثلاثية الأبعاد. يمكن أن تنشئ البيانات عرضًا ثلاثي الأبعاد مفصلاً لجسم المريض ، أو المنطقة ذات الاهتمام الطبي – على سبيل المثال ، نظام القلب والأوعية الدموية.

يمكن فحص النموذج من جميع الزوايا ونقاط الاهتمام لتحديد أفضل طريقة لتنفيذ الإجراء. يمكن للجراحين ممارسة إجراء معقد عدة مرات قبل القيام به.

الواقع الافتراضي هو أيضًا أداة تعليمية مهمة – يمكن لطلاب الطب ، على سبيل المثال ، إجراء تشريح افتراضي بدلاً من استخدام الجثث.

 

7. الفقاعات الدقيقة

يواصل الباحثون البحث عن طرق جديدة لتوصيل الأدوية بشكل انتقائي إلى مناطق محددة في الجسم ، وبالتالي تجنب الإضرار بالخلايا والأنسجة السليمة. أحد الأساليب الفريدة هو الفقاعات الدقيقة ، وهي جزيئات صغيرة جدًا بحجم ميكرون ومملوءة بالغاز.

يمكن حقن فقاعات دقيقة محملة بالعقاقير في الجسم ، قال تشيرتوك ، الأستاذ المساعد في العلوم الصيدلانية والهندسة الطبية الحيوية بجامعة ميتشيغان ، إنني سأقوم بتوزيع الفقاعات الدقيقة في كل مكان ، ولكن يمكنني بعد ذلك تعطيل الفقاعات الدقيقة عن طريق حزمة الموجات فوق الصوتية وسيتم تسليم الدواء على وجه التحديد في المكان الذي يحتاج فيه الدواء. 

 

8. تحرير الجينات

يؤدي التحرير الأولي إلى إعادة كتابة الحمض النووي عن طريق قطع خيط واحد فقط لإضافة أزواج القاعدة أو إزالتها أو استبدالها. 

 

9. تقنيات العضو على شريحة 

العضو على شريحة  (OOC) عبارة عن جهاز زراعة خلايا قائم على الموائع الدقيقة يحتوي على غرف نقية بشكل مستمر تسكنها خلايا حية لمحاكاة علم وظائف الأعضاء على مستوى الأنسجة والأعضاء

تسمح تقنيات الشرائح او الرقائق ببناء نماذج ميكروسكوبية تحاكي فسيولوجيا الإنسان خارج الجسم. تُستخدم الأعضاء على الشرائح لدراسة سلوك الأنسجة والأعضاء بأحجام عينات صغيرة ، ولكنها تعمل بكامل طاقتها ، لفهم سلوك الأنسجة وتطور المرض والتفاعلات الصيدلانية بشكل أفضل.

على سبيل المثال ، يمكن دراسة عمليات الالتهاب لتحديد كيفية حدوث الالتهاب وقيمته كمؤشر تحذير مبكر للحالات الطبية الأساسية ، بما في ذلك استجابات المناعة الذاتية. تشمل العمليات الفسيولوجية الأخرى التي تمت دراستها على الرقائق الخثار ، والتحميل الميكانيكي على المفاصل ، والشيخوخة.

 

10. المفاعلات الحيوية الصغيرة

المفاعلات الحيوية هي أنظمة تدعم الكائنات الحية النشطة بيولوجيًا ومنتجاتها الثانوية. 

توفر هذه الأنظمة غربلة اقتصادية عالية الإنتاجية ، باستخدام كميات صغيرة فقط من الكواشف ، مقارنةً بالمفاعلات التقليدية ذات المقياس القياسي. نظرًا لأن الطباعة ثلاثية الأبعاد أصبحت أكثر دقة ، فمن الممكن تصنيع مفاعلات حيوية مصغرة بمسارات تدفق غير عادية أو غرف ثقافة مصممة خصيصًا.     

 

ما هي مجالات عمل خريجي الهندسة الحيوية؟

يمكنهم العمل كموظفين في البحث والتطوير في المختبرات وكذلك المشاركة في تصميم المواد وتطويرها وإنتاجها. هناك حاجة إلى الهندسة الحيوية في العديد من المجالات من الزراعة إلى قطاع الأدوية ، ومن الصحة إلى الصناعة. وهنا بعض مجالات عمل المهندسين الحيوية:

• شركات الأدوية
• مراكز التشخيص الجيني
• المستشفيات
• مرافق إنتاج الوقود الحيوي
• صناعة كيميائية
• بنوك الخلايا الجذعية
• شركات الأحياء الدقيقة والتكنولوجيا الحيوية
• مراكز أطفال الأنابيب
• شركات الطب الحيوي

 

الهندسة الحيوية والهندسة الطبية الحيوية

قد يتبادل النطق لتخصص الهندسة الحيوية والهندسة الطبية الحيوية على اللسان بشكل كبير ، ولكن من الناحية العملية ، هناك اختلافات بين المجالين. الهندسة الحيوية هي دراسة ممارسات الهندسة التطبيقية في علم الأحياء العام. إنه الموضوع الأكثر شمولاً عند مقارنته بالهندسة الطبية الحيوية ؛ تغطي الهندسة الحيوية موضوعات مثل الزراعة والأدوية والموارد الطبيعية والمواد الغذائية ، بالإضافة الى موضوعات اخرى. 

على الرغم من الخلط بين الهندسة الحيوية و الهندسة الطبية الحيوية في كثير من الأحيان ، إلا أنه لا يوجد فرق كبير بينهما. ينشأ الاختلاف من خلال المشاريع البحثية والمواد في الجامعات. في بعض الجامعات ، يتم استخدام الهندسة الحيوية والهندسة الطبية الحيوية بشكل مترادف.

 

الفرق بين الهندسة الحيوية والهندسة الطبية الحيوية

• الهندسة الحيوية والهندسة الطبية الحيوية هما تطوران مهمان في العلوم و التقنية. يستخدم كلا العلمين المبادئ الهندسية الأساسية ، والتي تشمل استخدام العمليات المنهجية والتحليلية في تصميم مواد جديدة للمساعدة في حل المشكلات الأساسية في علوم الحياة ، ومع ذلك ، هناك اختلافات في تركيز هذه التخصصات. 

 

• تركز الهندسة الحيوية على التطبيقات الهندسية في العمليات البيولوجية والأغذية والزراعة والعمليات البيئية. من ناحية أخرى ، تركز الهندسة الطبية الحيوية على تطبيق الهندسة على العلوم البيولوجية والطبية لتحسين أنظمة تقديم الرعاية الصحية. بالمقارنة مع الهندسة الحيوية ، فإن الهندسة الطبية الحيوية بها أقسام فرعية أكثر تعقيدًا تركز على مجال الجسيمات لتحسين صحة الإنسان.

 

• الفرق بين الاثنين هو أن الهندسة الحيوية مجال دراستها أوسع. تم تطوير الدراسات الطبية الحيوية في وقت لاحق ، وبالتالي فهي جزء من الهندسة الحيوية.

 

• يتضمن كلا مجالي الهندسة دراسة الكائنات الحية. عندما يتعلق الأمر بالهندسة الطبية الحيوية ، فإن أول ما يتبادر إلى الذهن هو الأجهزة الطبية و تقنيات النانو ، أي إنتاج الأجهزة في كل مجال من مجالات الطب. لإعطاء مثال بسيط ؛ يتعامل المهندس الحيوي مع الجزء البحثي من الكائنات الحية ، وليس الأجهزة الطبية ، بينما تتعامل الهندسة الطبية الحيوية مع تصنيع الأدوات والمعدات القريبة من الهندسة الإلكترونية.

 

• الهندسة الطبية الحيوية هي مجال مصمم لإنشاء إصدارات جديدة من الأدوات المستخدمة في القطاع الصحي أو لزيادة وظيفة تلك الأدوات والمعدات. بإختصار ، أولئك الذين يرغبون في إيجاد حل للسرطان يختارون الهندسة الحيوية ، بينما أولئك الذين يرغبون في تحقيق اختراع الأجهزة الطبية التي يمكن أن تهزم السرطان يفضلون الهندسة الطبية الحيوية.

 

نقاط التباين باختصار بين الهندسة الحيوية والهندسة الطبية الحيوية

الهندسة الحيوية هي دورة تتعامل نظريًا مع علوم الحياة والعلوم الفيزيائية والمبادئ الهندسية والرياضيات وحل المشكلات في علم الأحياء والصحة والأدوية وغيرها من المجالات ، في حين أن الهندسة الطبية الحيوية هي نسخة أكثر تخصصاً من الهندسة الحيوية.

 الهندسة الحيوية هي دورة علمية قائمة على النظرية ، من ناحية أخرى ، الهندسة الطبية الحيوية هي دورة أكثر عملية قائمة على المعرفة.

الهندسة الحيوية هي مجال واسع يغطي العديد من الدورات الأخرى متعددة التخصصات بما في ذلك الهندسة الطبية الحيوية من ناحية أخرى الهندسة الطبية الحيوية هي نفسها دورة متخصصة في الهندسة الحيوية.

لا تتعامل الهندسة الحيوية بالضرورة مع الصحة والرعاية ، من ناحية أخرى ، تتعامل الهندسة الطبية الحيوية مع الصحة والرعاية.

تعتبر الهندسة الطبية الحيوية من الدورات التدريبية المفضلة مقارنةً بالهندسة الحيوية. كونها اكثر تخصصاً من الهندسة الحيوية.

الهندسة الحيوية مجالها واسع تغطي العديد من المجالات الأخرى مثل الزراعة والموارد الطبيعية وما إلى ذلك ، ولكن الهندسة الطبية الحيوية تعمل صراحة ضمن حدود الصحة والرعاية.

خاتمة المقالة

تخصص الهندسة الحيوية له مكانة مميزة في المجالات ومهم جداً لفهم وتحليل الأنظمة الحيوية وفق المعايير الهندسية. يحتل المهندسون الحيويون صدارة الاكتشافات العلمية ، حيث يصنعون أجهزة طبية ولقاحات ومنتجات إدارة الأمراض والروبوتات التي تعمل على تحسين صحة الإنسان في جميع أنحاء العالم.

يمكن دراسة الهندسة الحيوية في تركيا وحيث أن الجامعات التركية بدأت بالاهتمام بهذا المجال بشكل كبير في الآونة الأخيرة ، وتوفير البنية التحتية المهمة لإتمام عملية التعليم والبحث والتطوير المطلوب لمجال الهندسة الحيوية.

نرجو أن نكون قد استطعنا تسليط الضوء على تخصص الهندسة الحيوية بشكل كافٍ يساعدكم في اتخاذ قرار صائب عند اختياركم للتخصص الجامعي.