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バイオエレクトロニクスは生物学と電子工学の融合に関する研究分野です。
定義
1991 年 11 月にブリュッセルで開催された第 1 回 CEC ワークショップでは、バイオエレクトロニクスは「情報処理システムや新しいデバイスのための生物学的材料と生物学的アーキテクチャの使用」と定義されました。バイオエレクトロニクス、特にバイオ分子エレクトロニクスは、「新しい情報処理システム、センサー、アクチュエータの実装、および原子スケールまでの分子製造のための、バイオにヒントを得た (つまり自己組織化) 無機および有機材料とバイオにヒントを得た (つまり大規模並列処理) ハードウェア アーキテクチャの研究開発」と説明されました。[1]米国商務省の機関である国立標準技術研究所 (NIST) は 、2009年のレポートでバイオエレクトロニクスを「生物学とエレクトロニクスの融合から生まれた分野」と定義しました。[2] : 5
この分野に関する情報源としては、 1990年から発行されている電気電子技術者協会（IEEE）のエルゼビア誌「バイオセンサーとバイオエレクトロニクス」が挙げられる。この雑誌ではバイオエレクトロニクスの範囲を次のように説明している。「... 生物学とエレクトロニクスを、例えば、情報処理、情報ストレージ、電子部品、アクチュエータのためのバイオ燃料電池、バイオニクス、生体材料など、より広い文脈で活用すること。重要な側面は、生物学的材料とマイクロエレクトロニクスおよびナノエレクトロニクスとのインターフェースである。」[3]
歴史
バイオエレクトロニクスに関する最初の研究は、18世紀に科学者ルイジ・ガルヴァーニがカエルの切り離した脚に電圧をかけた時に行われました。脚が動き、バイオエレクトロニクスの誕生のきっかけとなりました。[4]ペースメーカーが発明されて以来、電子工学技術は生物学や医学に応用され、医療用画像産業にも応用されています。2009年にタイトルや要約にこの用語を使用した出版物の調査では、活動の中心はヨーロッパ（43％）で、次いでアジア（23％）、米国（20％）となっています。[2] : 6
材料
有機バイオエレクトロニクスは、有機電子材料をバイオエレクトロニクスの分野に応用することです。有機材料（炭素を含む材料）は、生物系とのインターフェースとして大きな可能性を秘めています。[5]現在の応用分野は、神経科学[6] [7]と感染症[8] [9]に集中しています。
導電性ポリマーコーティングは、有機電子材料であり、材料技術の大幅な改善を示しています。これは、電気刺激の最も洗練された形態でした。電気刺激における電極のインピーダンスが改善され、記録が改善され、「有害な電気化学副反応」が減少しました。有機電気化学トランジスタ（OECT）は、イオンを輸送する機能を持つもので、1984年にマーク・ライトンと同僚によって発明されました。これにより、信号対雑音比が向上し、測定インピーダンスが低くなります。有機電子イオンポンプ（OEIP）は、特定の身体部位や臓器を標的にして薬を付着させるために使用できるデバイスで、マグナス・バーグレンによって作成されました。[4]
CMOS技術で確立された数少ない材料の一つである窒化チタン（TiN）は、非常に安定しており、医療用インプラントの電極用途に適していることが判明しました。[10] [11]
重要なアプリケーション
バイオエレクトロニクスは、障害や病気を抱える人々の生活を改善するために使用されています。たとえば、血糖値モニターは、糖尿病患者が血糖値を制御および測定できるポータブルデバイスです。[4]電気刺激は、てんかん、慢性疼痛、パーキンソン病、難聴、本態性振戦、失明の患者の治療に使用されます。[12] [13]マグナス・バーグレンとその同僚は、治療目的で生きた自由動物に使用された最初のバイオエレクトロニクスインプラントデバイスであるOEIPのバリエーションを作成しました。これは、電流を酸であるGABAに送信します。体内のGABAの不足は慢性疼痛の要因です。その後、GABAは損傷した神経に適切に分散され、鎮痛剤として機能します。[7] 迷走神経刺激（VNS）は、迷走神経のコリン作動性抗炎症経路（CAP）を活性化するために使用され、関節炎などの疾患の患者の炎症を軽減します。うつ病やてんかんの患者は閉鎖性CAPにかかりやすいため、VNSは彼らにも役立ちます。[14]同時に、人々の生活を改善するために使用される電子機器を備えたシステムのすべてが必ずしもバイオエレクトロニクスデバイスであるわけではなく、電子機器と生物学的システムの密接かつ直接的なインターフェースを伴うものだけです。[15]
未来
細胞の状態を細胞以下の解像度で監視するための基準とツールの改善には、資金と雇用が不足しています。これは、他の科学分野の進歩により、大規模な細胞集団が分析され始めており、そのようなレベルで細胞を監視できるデバイスの必要性が高まっているため、問題となっています。細胞は、有害物質の検出など、主な目的以外の多くの用途には使用できません。この科学をナノテクノロジーの形態と融合させることで、信じられないほど正確な検出方法が得られる可能性があります。バイオテロからの保護など、人命の保護は、バイオエレクトロニクスで行われている最大の研究分野です。政府は、化学的および生物学的脅威を検出するデバイスと材料を要求し始めています。デバイスのサイズが小さくなるほど、パフォーマンスと機能が向上します。[2]
参照
参考文献
- ^ Nicolini C (1995). 「ニューラルチップと人工生体分子からバイオエレクトロニクスデバイスまで: 概要」.バイオセンサー&バイオエレクトロニクス. 10 (1–2): 105–27. doi :10.1016/0956-5663(95)96799-5. PMID 7734117.
- ^ abc 「バイオエレクトロニクスのフレームワーク：発見と革新」（PDF）。米国国立標準技術研究所。2009年2月。42ページ。
- ^ 「バイオセンサーとバイオエレクトロニクス」。エルゼビア。
- ^ abc Rivnay J、 Owens RM、Malliaras GG（2014年1月14日）。「有機バイオエレクトロニクスの台頭」。材料化学。26（1）：679–685。doi ：10.1021/cm4022003。
- ^ オーエンズ R、キャール P、リヒターダールフォルス A、シコイラ F (2013 年 9 月)。 「有機バイオエレクトロニクス - 生物医学における新しい応用。序文」。Biochimica と Biophysica Acta。1830 (9): 4283–5。土井：10.1016/j.bbagen.2013.04.025。PMID 23623969。
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- ^ グロゲナー P、クラウゼ M、カッツァー J、シューベルト MA、ビルクホルツ M、ベルマン O、クレーガー コッホ C、ハモン HM、メッゲス CC、ウェルシュ C、ラフ R、ホフマン KP (2018)。 「生体内暴露中のマイクロチップセンサーインプラントの長期にわたる腐食安定性」。バイオセンサー。8 (1): 13.土井: 10.3390/bios8010013。PMC 5872061。PMID 29389853。
- ^ Simon DT、 Gabrielsson EO、Tybrandt K、 Berggren M (2016 年 11 月)。「有機バイオエレクトロニクス: 生物学とテクノロジー のシグナル伝達ギャップを埋める」。Chemical Reviews。116 ( 21): 13009–13041。doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00146。PMID 27367172。
- ^ 「CALA ONEのDE NOVO分類要求」(PDF) 。 2021年9月11日閲覧。
- ^ Koopman FA、Schuurman PR、Vervoordeldonk MJ 、 Tak PP (2014 年 8 月)。「迷走神経刺激: 関節リウマチを治療するための新しいバイオエレクトロニクスのアプローチ?」ベストプラクティスとリサーチ。臨床リウマチ学。28 (4): 625–35。doi : 10.1016/ j.berh.2014.10.015。PMID 25481554 。
- ^ Carrara S、Iniewski K (2015)。Carrara S、Iniewski K (編)。バイオエレクトロニクスハンドブック。ケンブリッジ大学出版局。pp. 1–569。doi : 10.1017 / CBO9781139629539。ISBN 9781139629539。
外部リンク
ウィクショナリーのバイオエレクトロニクスの辞書定義- Answers.com のバイオエレクトロニクス