Market Challenges Facing Academic Research in Commercializing Nano-Enabled implantierbare Vorrichtungen zur in-vivo Biomedical Analysis

von Professor Esteve Juanola-Feliu

Behandelte Themen

Nanotechnologie und Wirtschaft
Konvergenz der Technologien in Nanomedizin
Das Biomedizinische Geräte für in-vivo-Analyse
State-of-the-Art Innovative biomedizinische Geräte
Architektur der implantierbare
Die Wahl der Nanobiosensor
Nanobiotechnologie und Nanomedizin
Nano-Related Papers und Patente
Wissenschaftliche Politik und Global Investment
Herausforderungen für die Forschung für Nanobiotechnologie
Schlussfolgerungen und Empfehlungen Finale

Nanotechnologie und Wirtschaft

Es ist allgemein anerkannt, dass das Wohl der meisten fortgeschrittenen Volkswirtschaften in Gefahr ist und dass der einzige Weg, diese Situation zu bewältigen ist durch die Steuerung der Wissensgesellschaften. Um dieses ehrgeizige Ziel erreichen, müssen wir die Leistung der einzelnen Dimension in das "Wissensdreieck" zu verbessern: Bildung, Forschung und Innovation. In der Tat, die jüngsten Ergebnisse deuten auf die Bedeutung der Strategien der Zugabe-Wert und Marketing bei der R + D-Prozesse, um so die Lücke zwischen Labor und Markt und damit für die erfolgreiche Vermarktung der neuen Technologie-basierten Produkten. Darüber hinaus in einer globalen Wirtschaft, in der konventionellen Herstellung von Entwicklungsländern dominiert wird, muss die Zukunft der Industrie in den meisten fortgeschrittenen Volkswirtschaften auf seiner Fähigkeit, in denen High-Tech-Aktivitäten innovativ, dass ein Differential Mehrwert, anstatt im Angebot verlassen Verbesserung bestehender Technologien und Produkte. Es scheint ganz klar also, dass die Kombination von Gesundheit (Medizin) und der Nanotechnologie in einem neuen biomedizinischen Gerät durchaus in der Lage, die diesen Voraussetzungen ist.

Die Nanotechnologie bietet Durchbrüche, die endlose Quelle von Innovation und Kreativität zu fördern an der Schnittstelle zwischen Medizin, Biotechnologie, Maschinenbau, Physik und Informatik, und die Disziplin eröffnet neue Wege in der R + D, Wissensmanagement und Technologietransfer. Eine Reihe von Nanotech-Produkte sind bereits in Gebrauch und Analysten erwarten ein Marktwachstum um Hunderte von Milliarden Euro in diesem Jahrzehnt wachsen. Nach einem langen R + D Inkubationszeit mehreren industriellen Segmenten zeichnen sich bereits ab, als Early Adopters von Nanotech-fähigen Produkten ^ein (Fuji-Keizai, 2007); in diesem Zusammenhang überraschend schnellen Marktwachstum erwartet wird und hohe Masse Marktchancen für die vorgesehenen gezielte Forschungs-Sub-Segmenten. Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bio & Gesundheit Markt werden einige der größten Fortschritte in den nächsten Jahren zu erhalten, und dass als Folge der Anwendung von Nanowissenschaft und-technologie in der Medizin werden die Patienten durch die Bereitstellung neuer Präventions-Assays, Früherkennung, nanoskaligen Überwachung und effektiven Nutzen Behandlung über mimetische Strukturen. Zweifellos gibt es große Herausforderungen in der Konstruktion von Nanostrukturen, die zuverlässig arbeiten über längere Zeiträume im Körper.

Die Skala-Länge Reduktion, die durch Nanosynthese (bottom-up-Technik) und nanomachining erreicht worden ist (top-down-Technologie) hat das Potenzial, mit der biologischen Welt wie nie zuvor zu interagieren. Die Bio-Nanotechnologie arbeiten an der Schnittstelle zwischen der organisierten Nanostrukturen und Biomoleküle, die Tasten-Routen sind für das Erreichen neuer Durchbrüche in der Medizin; Zahnmedizin und Therapeutika, in Lebensmitteln tierischen und pflanzlichen Ursprungs, und in der täglichen Pflege-Produkte wie Kosmetik. Nach Angaben der GENNESYS Weißbuch (2009), wird dieses neue Forschungsfeld bedeutende Durchbrüche in der nahen Zukunft in den Bereichen der Bioreaktoren, biokompatiblen Materialien und Lab-on-Chip-Technologien bieten.

Konvergenz der Technologien in Nanomedizin

Nanomedizin ist die Anwendung der Nanotechnologie für die Gesundheit definiert. Es nutzt die verbesserten und oft neuartigen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von Materialien auf der Nanometerskala. Nanomedizin hat einen möglichen Auswirkungen auf die Prävention, frühzeitige und zuverlässige Diagnose und Behandlung von Krankheiten. In der Nanomedizin Fall gibt es eine breite Palette von Technologien, die für medizinische Geräte, Materialien, Verfahren und Behandlungsmethoden angewandt werden können. Ein genauerer Blick auf die Nanomedizin stellt neue nanomedizinische Techniken wie Nanochirurgie, Tissue Engineering, Nanopartikel-fähigen Diagnose und gezielten Verabreichung von Medikamenten. Noch in den Kinderschuhen steckt, geht ein Großteil der Arbeit in der Disziplin R + D und es ist daher wichtig, dass Institutionen des Gesundheitswesens, Forschungseinrichtungen und Hersteller arbeiten effizient zusammen.

Insbesondere sind multidisziplinäre Arbeitsgruppen und Büros für Technologietransfer spielen eine Schlüsselrolle in der Entwicklung neuer nano-enabled implantierbaren biomedizinischen Geräten durch ein verbessertes Verständnis der Mikrostruktur / Eigenschafts-Beziehungen für biokompatible Werkstoffe und ihrer Wirkung auf die Struktur / Leistung dieser Geräte. Um weiterzumachen, weiter, ist ein allgemeiner Rahmen erforderlich, die ein Verständnis der technischen und medizinischen Anforderungen zu erleichtern, so dass neue Instrumente und Methoden entwickelt werden können. Darüber hinaus in der Medizin gibt es eine dringende Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen der Universität-Hospital-Industry-Administration zu gewährleisten und gleichzeitig spezifische Instrumente und Verfahren für den Einsatz von Ärzten entwickelt. Aufbauend auf den Erfahrungen der Autoren, in diesem Fall untersuchen wir versuchen, die Bedeutung der Kooperation und Zusammenarbeit zwischen diesen vier Akteuren und den Bürgern in den Innovationsprozess, die zur Entwicklung neuer biomedizinischer Produkte zur Marktreife beteiligt zu demonstrieren.

Die Wechselwirkung zwischen Medizin und Technik ermöglicht die Entwicklung von diagnostischen Geräten zu erfassen oder zu überwachen Krankheitserreger, Ionen, Krankheiten, etc. Heute ermöglicht die Integration von schnellen Fortschritten in Bereichen wie Mikroelektronik, Mikrofluidik, Mikrosensorik und biokompatible Materialien der Entwicklung von implantierbaren Biodevices wie wie die Lab-on-Chip und die Point-of-Care-Geräten ^{2 , 3} . Als Ergebnis sind kontinuierliche Monitoring-Systeme zur Verfügung schneller und billiger klinische Aufgaben zu entwickeln - vor allem, wenn es mit Standard-Methoden verglichen. Es ist in diesem Zusammenhang, dass wir ein integriertes Front-End-Architektur derzeit zur in-vivo-Erkennung.

Das Biomedizinische Geräte für in-vivo-Analyse

Das System in diesem Papier vorgestellt wurde entwickelt, um unter die menschliche Haut implantiert werden. Die Stromversorgung und die Kommunikation zwischen diesem Gerät und einem externen primären Sender auf eine induktive Verbindung basiert. Definition eines true / false-Alarmsystem auf beiden amperometrischen oder Impedanz Nano-Biosensoren basieren: Die Architektur präsentiert wird für zwei verschiedene Ansätze entwickelt. Unter den Krankheiten, die durch in-vivo-Analyse überwacht werden könnte, ist es das Ziel dieses Papiers auf Diabetes gegeben, dass Inzidenz und Prävalenz nimmt weltweit zu, was Änderungen des Lebensstils und einer alternden Bevölkerung zu konzentrieren. Insbesondere ist diese wachsende Prävalenz eng mit der Fettleibigkeit verbunden, wodurch erhebliche Marktchancen wie in der World Diabetes Market Analysis 2010-2025 berichtet ⁴ , und, vor allem, weil die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass die Zahl der Diabetiker wird 350 Millionen überschreiten 2030.

Aus diesem in-vivo implantierbare biomedizinische Geräte, untersuchen wir auch ein ehrgeiziges Konzept, dass die gesamte Wertschöpfungskette abdeckt (von der Grundlagenforschung über die Technik und Technologie, für die Industrie), benötigt die Infrastruktur und die Folgen für die Gesellschaft von diesen und ähnlichen aktuellen Herausforderungen des Marktes . In diesem Fall wird die gesamte Wertschöpfungskette von der Universität, das die sozialen Umsatz von öffentlichen Forschungsinvestitionen Highlights statt. Wir haben auch zu prüfen, inwieweit die jüngsten technologischen Innovationen in der biomedizinischen Industrie haben auf die akademische Forschung basiert, und die Zeitverzögerungen zwischen Investitionen in solche akademischen Forschungsprojekten und der industriellen Anwendung ihrer Ergebnisse - also, so wie die sozialen Rate der Schätzung Rückkehr aus der akademischen Forschung. Da die Ergebnisse der akademischen Forschung so weit verbreitet sind und deren Auswirkungen so fundamental, subtil und weit verbreitet, ist es oft schwierig zu identifizieren und messen die Verbindungen zwischen akademischer Forschung und industrieller Innovation. Dennoch gibt es überzeugende Beweise, vor allem aus Branchen wie Medikamente, Instrumente und Informationsverarbeitung, dass der Beitrag der akademischen Forschung in die industrielle Innovation ist beträchtlich ⁵ .

State-of-the-Art Innovative biomedizinische Geräte

Viele verschiedene Probleme müssen bei der Beschaffung der ideale implantierbare Gerät überwunden werden ⁶ . In erster Linie muss das Gerät biokompatibel sein, um ungünstige Reaktionen im Körper zu vermeiden. Zweitens muss das medizinische Gerät bieten langfristige Stabilität, Selektivität, Kalibrierung, Miniaturisierung und Wiederholung, sowie Macht in einer verkleinerten und tragbaren Gerät. In Bezug auf die Sensoren sind label-free elektrischen Biosensoren idealen Kandidaten wegen ihrer geringen Kosten, geringer Stromverbrauch und einfache Miniaturisierung. Jüngste Entwicklungen in nanobiosensors bieten Ihnen die geeigneten technischen Lösungen im Bereich der Blutzuckermessung ⁷ , Schwangerschaft und DNA-Tests ⁸ . Elektrische Mess-, wenn der Analyt von der Sonde erfasst wird, nutzen können entweder voltmetric, amperometrische oder Impedanz-Techniken. Im Idealfall dann sollte das Gerät in der Lage sein, nicht nur ein Ziel Agenten oder Pathologie, sondern verschiedene Agenten erkennen und es sollte in der Lage sein, die in einem Closed-Loop-Feedback, wie von Wang beschrieben ⁹ im Fall von Glukose-Monitoring.

Mehrere biomedizinische Geräte für in-vivo-Überwachung werden derzeit entwickelt. So haben sehr stabile und genaue intramuskuläre implantierbaren Biosensoren für die gleichzeitige kontinuierliche Überwachung von Gewebe Laktat und Glukose kurzem produziert worden, darunter eine komplette elektrochemische Zelle-on-a-Chip. Darüber hinaus mit der parallelen Entwicklung der On-Chip-Potentiostat-und Signalverarbeitung, hat erhebliche Fortschritte in Richtung einer drahtlosen implantierbaren Glukose / Laktat-sensing Biochip gemacht worden ¹⁰ . Anderswo, implantierbare bio-mikro-elektromechanischen Systemen (Bio-MEMS) für die in-situ-Überwachung des Blutflusses wurden entwickelt. Hier war es das Ziel, eine Smart-Wireless-Sensoreinheit zur nicht-invasiven frühen Erkennung Stenose in Herz-Bypass-Transplantate entwickeln ¹¹ . Interessanterweise Die vorliegende Arbeit untersucht die Verwendung von Beschichtungen in Bezug auf Biokompatibilität und die Nicht-Adhäsion von Blutplättchen und Bestandteile. In diesem Fall stellt die Nanotechnologie selbst als ein nützliches Instrument zur Verbesserung der Biokompatibilität von Silizium Bio-MEMS-Strukturen bei nanoskaligen metallischen Titan-Schichten verwendet werden, da es Biokompatibilität erhöht.

Der nächste Schritt beinhaltet die Entwicklung eines konfigurierbaren anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) die Zusammenarbeit mit einem Multiplex-Array von Nanosensoren entwickelt, um reaktiv sein für eine Reihe von Ziel-Agenten (Enzyme, Viren, Moleküle, chemische Elemente, Moleküle, etc.). Mehrere Sensoren des Arrays können dann für ein bestimmtes Ziel verwendet werden, während andere Arrays für die anderen Ziele hergestellt werden können, aber auch der Suche nach einem redundanten Antwort. So braucht ein Biomarker-Panel zu entwickeln. Auf diese Weise kann die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit für jedes Ziel verbessert werden, und verschiedene Ziele können gleichzeitig getestet werden. Die Konfiguration Kapazität der ASIC sollte auch im Hinblick auf die Art der Messung, die durchgeführt, wie in den Studien von Hassibi und Lee durchgeführt werden soll definiert werden ¹² . and Beach et al ¹³ : es könnte sein, amperometrische, Messstrom Variationen und Erkennen Schwellwerte ¹⁴ , oder es könnte elektrochemische Impedanz Spektroskopie werden, für eine feste Frequenz, Erkennung sowohl Impedanzvariationen Kreuzung Schwellenwerte und Anomalien. Die Kombination beider Techniken der Messung verwendet werden, um eine zuverlässigere Methode zum Nachweis erhalten. Strom und Kommunikation sind ebenfalls wichtige Funktionen bei der Gestaltung von implantierbaren Geräten. Das erstere ist mit Methoden zur Übertragung von ausreichend Energie, um die betroffenen Geräte, während die letzteren betrifft die Integration von Mess-und Kommunikationselektronik, die Sensoren zu steuern und die Informationen von den Sensoren durch die menschliche Haut zur Verfügung gestellt zu senden. Allerdings, wenn der Nachweis der Vitalparameter oder der Schwelle Erkennungen ausreichend für die Überwachung der Zweck sind, ist es nicht notwendig, zu messen und zu senden Rohdaten mit einem hohen Grad an Genauigkeit des Benutzers an eine externe Datenverarbeitungseinheit. Tatsächlich würde die lokale Verarbeitung innerhalb des gleichen Sensors reduzieren Energie-und Kommunikations-Anforderungen.

RF Energiegewinnung durch induktive Kopplung ist eine zunehmend genutzte Alternative für die Übertragung von Energie, um das implantierte Gerät, wie die Verwendung von Batterien oder Drähte gegen ^{15 , 16} . Darüber hinaus ermöglicht diese Alternative eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem implantierten Gerät und einem externen Basis-oder Lesegerät aufgebaut werden. Eine Reihe von implantierbaren Telemetrie-Schaltungen auf induktive Kopplung basieren, können in der Literatur gefunden werden ^{17 , 18 , 19} . Im Gegensatz dazu haben mehrere Studien integrierbare Elektronik für In-vivo-Überwachung entwickelt. Beispiele hierfür sind in den Studien von Gore et al. ²⁰ , wo femtoampere-Empfindlichkeit Anwendungen für konduktometrische Biosensor verwendet werden, und von Haider et al. ²¹ , wo eine Signalverarbeitungseinheit auf eine Strom-Frequenz-Wandler und eine Basis Kommunikationsprotokoll vorgestellt.

Architektur der implantierbare

An dieser Stelle stellt die Architektur präsentiert einen ersten Ansatz für die Entwicklung von Anwendungen auf Basis von Biosensoren auf den Nachweis der Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Mengen an Proteinen, Antikörpern, Ionen, Sauerstoff, Glukose, etc. Diese In-vivo-Nachweis Schaltungen sollen, oder true / false-Anwendungen ²⁰ , Arbeit als einen Alarm aus. Wenn die Konzentration in der Analyse außerhalb einer Bandbreite von akzeptierten Werten fällt, aktiviert einen Schwellenwert der Alarm. Zum Beispiel im Fall der Glukose-Monitoring, wäre der Nachweis eines Schwellenwertes Rückgang der Blutzuckerspiegel zwingend zur Vermeidung von kritischen Situationen wie Hypoglykämie ^{21 , 22} . Ein solcher Nachweis wäre erreicht, wenn die Amplitude des gemessenen Signals unter einen bestimmten Schwellenwert werden.

Verschiedene Ansätze wurden für die kontinuierliche Überwachung des Blutzuckerspiegels entwickelt ²³ . Diese reichen von kommerziellen Lösungen wie die Blutzucker-Tester von Cygnus Inc. zur subkutanen Minimed Medtronic und Abbott Inc. Lösungen, die den Blutzuckerspiegel kontrollieren alle 3-5 Minuten vermarktet. Diese Geräte, direkt unter der Haut platziert, eine Regelung auf Insulin liefern und genießen eine Autonomie von 3-5 Tagen. Lösungen, die mindestens biologische Wirkung zu suchen, um Biofouling widerstehen gehören ein Inhibitor (Stickstoffmonoxid) ²⁴ neben beschichtete Nadel-Typ elektrochemischen Sensoren ^{25 , 26 , 27} .

Die generische implantierbaren, Front-End-Architektur basiert auf induktive Kopplung für die in-vivo-Überwachung der An-oder Abwesenheit von Krankheitserregern, Ionen-, Sauerstoff-Konzentration, etc. basieren

Abb.1. Konzeption des implantierbaren Gerät

Das System in Abb. 1 zeigt eine Plattform mit einem true / false-Alarm für die Überwachung der verschiedenen Ziele. Die Daten werden an eine zentrale Datenbank, wo alle Eingänge für jeden Patienten individuell übertragen werden kann. Die gesammelten Daten können in unterschiedlichen Szenarien gemessen werden: wenn der Patient in Ruhe ist, ein Unternehmen eine bestimmte Art von körperlicher Aktivität, etc., je nach besonderem medizinischen Interesse und damit eine genaue Prognose und Diagnose erzielt werden kann ²⁸ . Das System verfügt über ein Forschungs-Anwendung in die ständige Überwachung der Patienten, wie sie aus ihrer täglichen Arbeit tragen unter normalen Bedingungen (im Freien) und auf diese Weise sekundäre Effekte wie die psychologischen Veränderungen, die durch den Stress des Seins in einem Krankenhaus verursacht wurden, mit unbekannten Menschen, etc. vermieden werden können. Die vorgeschlagene Architektur (siehe Abb. 2) ist in diesem Stadium als Schwellwertdetektor für einen Sensor analysiert, arbeitet amperometrisch und umfasst on-Chip-Vorspannung, die potentiostast auf den Biosensor, eine Klimaanlage Modul und die Modulations-und Datenverarbeitungs-Laufwerk zu blockieren. Die Konditionierung Modul wurde entwickelt, um auf das Niveau der gemessenen Signale anzupassen. Die Erfassung von Zielen mit der Schwelle Methodik braucht, um eine ausreichende Signalstärke zu gewährleisten, so daß ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu gewährleisten.

Diese Modulation und Datenverarbeitung Block ist so konzipiert, zu analysieren und an die externe Leser die Ebenen es erkennt. Zwei verschiedene Ansätze sind definiert: eine generische amperometrischen Biosensor-Anwendung und einer Impedanz Biosensor für label-free-Systeme, auf einer integrierten analogen Lock-In Verstärker, der mit analogen Verarbeitung auf dem Sensor zur Erfassung und Übertragung vorgehen wird Basis. Für die künftige Umsetzung, wird dieses Modul so konzipiert, dass es neu konfiguriert werden.

Zur Validierung der ersten Vorschlag (amperometrische), hat eine Full-Custom-IC, darunter mehrere Module der Architektur und eine PCB-Transponder-Antenne (30mm x 15mm), abgestimmt auf 13,56 MHz, die Macht und Kommunikationsverbindung bieten konzipiert. Das Design enthält auch einen integrierten Analog-lock-in-Verstärker bei der Impedanz-Erkennung.

Der Vorschlag für die generische implantierbare Architektur ist in Abb.. 2. Es besteht aus einem nanobiosensor, eine Antenne und die Elektronik-Module.

Abb.2. Vorgeschlagene generischen implantierbare Front-End-Architektur.

nanobiosensor oder Nanosensor wird allgemein als ein Nanometer Größe zu skalieren Messsystem bestehend aus einer Sonde mit einem empfindlichen biologischen Erkennungselement oder Biorezeptor, ein physikalisch-Detektor-Komponente und ein Wandler zwischen definiert. Zwei Arten von Nanosensoren mit möglichen medizinischen Anwendungen sind Cantilever-Array-Sensoren und-Nanoröhrchen / Nanodraht-Sensoren und nanobiosensors, die zur Nanoliter oder weniger Blut für ein breites Spektrum von Biomarkern zu testen. In unserer Arbeit hat eine nanobiosensor mit drei Elektroden ausgewählt worden zu erklären und zu entwickeln, das System. Seine Topologie kann ohne weiteres für jede Art von Sensor angepasst werden. Die drei Elektroden, aus denen der Sensor sind: a) die Arbeitselektrode (W), die als Oberfläche dient auf der elektrochemischen Reaktion erfolgt, b) die Referenzelektrode (R), die die möglichen Maßnahmen an der W-Elektrode und c) die Hilfs-oder Gegenelektrode (A / C), die den Strom für die elektrochemische Reaktion an der W-Elektrode erforderlich liefert.

Das System ist als eine drahtlose Stromversorgung aktiven RFID-Tag entwickelt ^{29 , 30} , wo der induktiv gekoppelten Link, durch den implantierbaren und externen Antenne erzeugt wird, ist in der Lage, genügend Energie, um das gesamte System zu liefern und drahtlose bidirektionale Kommunikation über die menschliche Haut bieten . So kann es übertragen die Information durch die nanobiosensor erhalten und Empfangen von Daten aus dem externen Leser, der wiederum die implantierten Elektronik konfigurieren und die Daten lesen erworben werden können.

Die Wahl der Nanobiosensor

Die erfolgversprechendste Lösung für eine effektive nanobiosensor beinhaltet die Verwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS)-Technik. EIS steht für eine effektivere Methode zur Untersuchung der Grenzflächen-Eigenschaften der modifizierten Elektrode durch Messung der Veränderung der Elektronen-Transfer Widerstand an der Elektrodenoberfläche durch die Adsorption und Desorption von chemischen oder biologischen Molekülen. Mehrere Studien haben zu diesem Thema veröffentlicht worden. Der klassische Ansatz ist die ELISA-Test ³¹ , basierend auf der Verwendung von halbleitenden Polymeren und die Nutzung des EIS-Technik, während Polystyrol (PS) ist der typische isolierenden Polymer in der biomedizinischen Forschung eingesetzt.

Ein weithin berichtet Anwendung ist die Glukose-Biosensor ^{32 , 33 , 34} , die auf das Elektron übertragen, die während der enzymatischen Reduktion von Glukose tritt basiert. In den letzten Jahren haben mehrere Studien in diesem Bereich veröffentlicht worden, darunter Patel et al. ³⁵ , die eine elektro-enzymatische Glucose-Sensor vor. Weitere interessante Studien von Huang et al. (2009), einführen, die eine kapazitiv MEMS Affinität Sensor zur kontinuierlichen Glukose-Monitoring-Anwendungen; Teymoori, Mir Majid et al, der MEMS für Glukose und anderen generischen Sensoren mit medizinischen Anwendungen zu beschreiben;. Und Rodrigues et al. ³⁶ , die eine entwickelte neuen zellbasierten Biochip zur Echtzeit-Überwachung von transienten Ausflüsse von Glukose und Sauerstoff gewidmet, mit Arrays von amperometrischen Mikrosensoren in der Einlass und der Auslass eines PDMS Zellkammer integriert. Eine komplette Design wird durch Rahman et al. ³⁷ , die das Design, die Mikrofabrikation, Verpackung, Funktionalisierung von Oberflächen und in vitro Tests der elektrochemischen Zelle-on-a-Chip-(ECC) für die kontinuierliche amperometrische Überwachung des Blutzuckerspiegels, der Durchführung Cyclovoltammetrie, elektrische Impedanz-Spektroskopie (EIS) und mikroskopische Untersuchung.

Verschiedene Beispiele für die Entwicklung von Nanosensoren für die Anwendung in diesem Bereich werden von Usman Ali et al. ³⁸ . Hier ZnO Nanodrähte sind für eine GCM Bewerbung direkt an das Gate eines Standard niedrigschwelligen MOSFET verbunden werden. Lee et al. ³⁹ Design ein flexibles Enzym-freie Glukose Mikro-Sensor mit einer nanoporösen Platin-Arbeitselektrode auf einem bio-kompatiblen PET-Folie. Goud et al. ⁴⁰ Einführung eines nanobioelectronic System-on-Package (SOP) mit einem integrierten Glukosesensor auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen arbeitet Elektroden. . Jining Xie et al ⁴¹ deuten Platin-Nanopartikeln beschichteten Kohlenstoff-Nanoröhren für amperometrische Glukose Biosensorik und Ekanayake et al. ⁴² beschreiben die Herstellung und Charakterisierung eines neuartigen nano-porösen Polypyrrol (PPy) Elektrode und ihre Anwendung in amperometrischen Biosensoren, mit verbesserten Eigenschaften für Glucose Sensing.

Nanobiotechnologie und Nanomedizin

Wissenschaftliche Politik und Global Investment

Die Verfügbarkeit von in-vivo biomedizinische Geräte, wie das oben beschriebene, ist eng mit Fortschritten in der Nanobiotechnologie verbunden. Die Nanotechnologie wird erwartet, dass eine rasche Auswirkungen auf die Gesellschaft haben ⁴³ : Erstellen von zukünftigen wirtschaftlichen Szenarien, anregend Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit, konvergierende Technologien und die Förderung neuer Bildung und menschliche Entwicklung. Ein Beweis dafür raschen Auswirkungen von Nanotechnologie in der öffentlichen Investitionen Zahlen für Nanotechnologie sehen R + D-Aktivitäten, Einrichtungen und die Ausbildung von Arbeitskräften. Die 2008 US National Nanotechnology Initiative Budget Anfrage für die Nanotechnologie R + D in der Bundesregierung war über US $ 1440000000 (NNI, 2007). In Europa wird der VII. Rahmenprogramm (FP) zu 600.000.000 € pro Jahr auf Nanotechnologie-Forschung bis 2013 beitragen, mit einer zusätzlichen, ähnlich Betrag wird von den einzelnen Ländern zur Verfügung gestellt. Das gibt Europa einen größeren jährlichen Ausgaben für die Nanotechnologie als die USA oder Japan ⁴⁴ .

Im Rahmen der europäischen Politik ist N & N eine Schlüsselrolle für die Europäische Kommission: Die VII. FP (2007-2013) bietet ein spezielles Programm für die Nanowissenschaften, Nanotechnologien, Werkstoffe und neue Produktionstechnologien mit einem Budget von € 3.475 Mio. (10,72% der VII. FP Gesamtbudgets). Darüber hinaus sind mehrere spezifische Programme in Nano-Forschung beteiligt, und damit das Gesamtbudget in nanoactivities investiert wird von mehreren tausend € Millionen (MEUR), die aus den folgenden Programmen erhöht werden: Gesundheit (6 100 Mio. EUR); Ernährung, Landwirtschaft und Biotechnologie ( 1 935 Mio. EUR); ICT (9 050 MEUR) und Energie (2 350 Mio. EUR)

Nano-Related Papers und Patente

Mehrere Übersichten und vergleichende Studien zu den weltweiten Ausbau der nanopublications und nanopatents sind ^{45 , 46 , 47} . Wissenschaftliche Veröffentlichungen und Patenten im Bereich der Nanotechnologie haben exponentiell in den letzten zwei Jahrzehnten gewachsen. Die relative Zuwachs bei der Zahl der "Nano-title-Papiere" in verschiedenen bibliographischen Datenbanken, dh die Zunahme der Zahl der "Nano-title-papers" als Anteil an allen Papieren ist dramatisch: wenn wir die Science Citation Index als repräsentativ für alle Wissenschaften (wenn auch, dass die Chemie ist etwas unterrepräsentiert), der Anteil der "Nano-title-Papiere" wuchs von 1985 bis Mitte 2003 um etwa 1,2% bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 34%, was es bedeutet, hat sich verdoppelt jede 2,35 Jahre. Seit Mitte der 1990er Jahre die Geschwindigkeit hat sich etwas zu einer jährlichen Wachstumsrate von ca. 25% (verdoppelt sich alle 3,1 Jahre) verlangsamt ⁴⁸ .

Im Jahr 2007 mehr als 15.000 Nanowissenschaft und Nanotechnologie-Papiere veröffentlicht wurden, und es gibt jetzt intensiver Aktivität in Bezug auf geistiges Eigentum (IP) - das Eigentum an Innovationen, Erfindungen, Ideen und Kreativität - im nanoskaligen Bereich. Die Nanotechnologie ist eine Erhöhung der Übergang zu einer wissensbasierten Volkswirtschaft und so geistige Eigentum ist in der Lage ist, die Schaffung von Wohlstand, Wachstum und Entwicklung in der ganzen Welt zu erhöhen ⁴⁹ . Mehrere Berichte haben zur Karte Nano-Patente beantragt ⁵⁰ , und die Zahlen für Nanotechnologie-IP sind verblüffend. In das Europäische Patentamt ein Nanotechnologie-Arbeitsgruppe (NTWG) wurde 2003 gegründet und 90.000 Patente wurden in die Klasse Y01N getaggt. Der Anteil der Nanotechnologie-Patente mehr als zwischen Mitte der 1990er Jahre verdoppelt und die Mitte der 2000er Jahre (USA 40%, Japan 19% und Deutschland 10%). Das Kompendium der Patent Statistik 2007 ⁵¹ p rovides international vergleichbare Daten über Patente.

Vor 1980 wurden 250 Nanotechnologie-Patente jährlich an Universitäten weltweit gewährt, aber bis zum Jahr 2003 war diese Zahl 16-fache auf 3.993 Patente, die für die fundamentalen Bausteine, Materialien und Werkzeuge benötigt, um diese Technologie zu entwickeln eingereicht worden sind, erhöht. Das US-Patentamt hat Anwendungen in Bezug auf die Zusammensetzung der Materie, Geräte, Apparate, Anlagen und Kontrolle von Nanomaterialien und Geräten und Methoden erhalten. Cross-Industrie Patentansprüche werden für einzelne nanoskaligen Innovationen, die vielfältige Anwendungen haben kann gemacht. So haben Anwendungen in wichtigen Patent-Klassen wie Strom, menschliche Bedürfnisse, Chemie und Metallurgie, Durchführung von Operationen und Transport, Maschinenbau, Physik, feste Konstruktion, Stoffen und Papier identifiziert worden. Elektronik, Optoelektronik, Medizin-und Biotechnologie-, Meß-und Fertigungs-, Umwelt und Energie, und Nanomaterialien: Um die Auswirkungen auf den industriellen Sektor zu analysieren, hat die OECD Nanotechnologie-Patente in sechs Bereichen Anwendung kategorisiert.

Wie die Forschung der Miyazakia ⁵² offenbart, Konto-Universitäten für eine besonders großen Anteil an der Forschung im Bereich der Nanotechnologien (entspricht 70.45% der Nanotechnologie-Forschung weltweit). In diesem werden sie durch öffentliche Forschungseinrichtungen (die Rechnung für die 22,22% der Artikel) ergänzt. So wird geschätzt, dass die Universitäten halten nun 70% der wichtigsten Patente zur Nanotechnologie. Der private Sektor spielt eine geringere Rolle (7,33% der Artikel weltweit), aber es ist ein prominenter Spieler in den USA (12,41%). In Asien hält Japan einen starken Anteil (12,30%) in der Privatwirtschaft, während Südkorea (8,25%) und in geringerem Maße Indien (3,52%) mit Japan zu konkurrieren. In Zukunft wird die Entwicklung der Nanotechnologie dürfte von großen öffentlich finanzierten Organisationen und Universitäten zu kleinen Start-up Unternehmen, die früher öffentlich finanzierte Forschung Bemühungen, die ersten kommerziellen Anwendungen erzeugen auszunutzen suchen verlagern, in ähnlicher Weise zu dem, was wir in miterlebt der Biotechnologie-Industrie.

Herausforderungen für die Forschung für Nanobiotechnologie

Nanobiotechnologie ist ein sich schnell entwickelndes Gebiet der wissenschaftlichen und technologischen Möglichkeiten, die Fortschritte in der Lebensmittel-Industrie, Energie, Umwelt und Medizin zur Verfügung stellt. In der Nanomedizin, gibt es eine breite Palette von Technologien, die für medizinische Geräte, Materialien, Verfahren und Behandlungsmethoden angewandt werden können. Ein genauerer Blick auf die Nanomedizin identifiziert wie Emerging nanomedizinische Techniken wie Nanochirurgie, Tissue Engineering, Nanopartikel-fähigen Diagnose und gezielten Verabreichung von Medikamenten. Nach einer Expertengruppe der European Medicines Evaluation Agency (EMEA), die Mehrzahl der aktuellen kommerziellen Anwendungen der Nanotechnologie in der Medizin sind Drug-Delivery gewidmet. Weitere neue Anwendungen der Nanotechnologie sind Gewebeersatz, Transport über biologische Barrieren, die Fernsteuerung von Nanosonden, integrierte implantierbare sensorischen nanoelektronische Systeme und multifunktionale chemischen Strukturen für die Ausrichtung der Krankheit. So können Nanobiotechnologie bieten nicht nur die Miniaturisierung von implantierbaren biomedizinischen Geräten (Mikrofluidik, Mikroelektronik, etc), sondern auch zuverlässige multifunktionale Arrays für Krankheit Erkennung. Es gibt wohl kein besseres Beispiel für die technologische Konvergenz der top-down (Miniaturisierung) und bottom-up (Gestaltung und Erstellung von neuen funktionellen Strukturen) Strategien, die den Punkt des Gleichgewichts, wo technologische Fortschritte und Anforderungen des Marktes erfüllen unter Umständen zu suchen.

Schließlich wurde argumentiert, dass die aktuellen Nano-Forschung kein besonderes Muster und Grad der Interdisziplinarität zeigt und dass seine scheinbare Interdisziplinarität besteht aus verschiedenen, weitgehend mono-disziplinär Felder, die in keiner Beziehung zueinander stehen und die kaum mehr gemeinsam haben als die Vorsilbe " nano " ⁴⁸ . An dieser Stelle könnte die Diskussion über die diskontinuierliche oder inkrementellen Natur der Nanotechnologie in der Innovations-und Technologietransfer-Prozess ergeben. Basierend auf den empirischen Ergebnissen der Umfrage von Nikulainen und Palmberg durchgeführt ⁵³ scheint es, dass im Moment gibt es keine Notwendigkeit für nano-spezifische Technologie-Transfer Initiativen. Diese Schlussfolgerung kann dennoch müssen revisited, wenn die Nanotechnologie wird immer radikaler und diskontinuierlichen werden. Heute sind Chemiker die Entwicklung von Medikamenten, Reaktoren und Katalysatoren auf der Nanometerskala arbeiten, wie sie seit vielen Jahren, obwohl sie beziehen sich einfach auf ihre Arbeit als Chemie. Sicherlich müssen die Entscheidungsträger Berücksichtigung der einschlägigen Umwelt-, Gesundheits-und Sicherheitsfragen durch Festlegung von Standards und Ausführungsbestimmungen für die Verbreitung der Nanotechnologie zu erleichtern nehmen.

Schlussfolgerungen und Empfehlungen Finale

In diesem Papier wurde das Design eines generischen in-vivo implantierbaren biomedizinischen Geräte zum Aufspüren von Schwellenwerten für die gezielte Konzentrationen (dh Detektion von Glukose) vorgestellt worden. Angesichts der Geschwindigkeit, mit der Diabetes können sich ausbreiten und die Verbesserungen, die möglich sind, in ihre Diagnose und Kontrolle, ob Nadel-freie Systeme verfügbar sind, ist das Medizinprodukt in diesem Papier vorgestellt entworfen, um einen riesigen Markt in den nächsten Jahren zu erreichen. Wenn darüber hinaus die gesamte Wertschöpfungskette öffentlich finanziert wird, bedeutet dies, dass die Ziele des Technologietransfers von der Hochschule in die Wirtschaft und die sozialen Renditen der öffentlichen Investitionen wurden vollständig umgesetzt. So kann ein erfolgreiches Modell für Forschung, Innovation und Technologietransfer für ein bestimmtes Szenario verkörpert durch die Konvergenz von Technologien und Disziplinen eingeführt werden, sowie durch die Konvergenz der verschiedenen Stakeholder Kombination Vertreter aus Forschungseinrichtungen, Kliniken, Markt-, Politik Zentren und Bürger.

Die komplette Übersicht hier der Wertschöpfungskette von Forschung und Technologietransfer-Prozesse zur Verfügung gestellt unterstreicht die Bedeutung eines gemeinsamen Rahmens, in dem multidisziplinären Teams und Organisationen zusammenarbeiten, gerichtet werden bestimmt durch wissenschaftliche Leitung. In diesem speziellen Fall hat die Abteilung Elektronik an der Universität von Barcelona Federführung des Forschungs-und Vermarktungsaktivitäten hatte. Die daraus resultierende biomedizinischen Gerät ist in einem doppelten Sinne nano-enabled: Wenn die Miniaturisierung des Systems (Fluidik, Elektronik, Energie-Autonomie) und, wenn neue funktionale Strukturen enthalten sind (nanobiosensors durch die IBEC entwickelt). Die CIBER-DEM tritt in die Wertschöpfungskette bei der klinischen Forschung und Vermarktung berücksichtigt werden. Noch eine neue Technologie, wird die Zukunft ASIC mit einer Reihe von nanobiosensors mit unterschiedlichen Zielen arbeiten, und es wird die Konfiguration des Messverfahrens zu definieren. Jedes Array wird verwendet, um eine bestimmte Art von Ziel zu erfassen, und das Multiplex-System wird verwendet, um jedes Array Fokussierung auf ein bestimmtes Ziel zu analysieren. Dann kann top down-Ansätze mit Nanotechnik und Nanotechnologie und Bottom-up Ansätze mit supramolekularen Chemie zu produzieren neuartige Diagnostik, die zunehmend auf die Bereitstellung einer personalisierten Lösung auf der Analyse von Array-Daten in Echtzeit auf und gegebenenfalls konzentrieren wird, die Anwendung dieser Entscheidung eine Stellungnahme abgeben automatisierte Therapie (Theranostik).

Im Ergebnis trotz der etwas eingeschränkte Verfügbarkeit von Informationen der Diskussion der Sicherheit von medizinischen Nanomaterialien, ist die Anamnese in diesem Papier vorgestellten eine klare Demonstration, wie man die Bindungen zwischen der Wissenschaft, Klinik und Industrie zu stärken. Das beschriebene Verfahren bietet eine effiziente Methode zur Durchführung von Experimenten in großen Test-und klinischen Einrichtungen, in einem innovativen Rahmen, nutzt neue wissenschaftliche Instrumente und Entdeckungen. Biomedizinische Geräte stellen eine strategische spielen für die Zukunft des Wissenschafts-und Technologiepolitik der spanischen Gebiete, wie sie beschleunigte sich das Wirtschaftswachstum in der wissensbasierten Gesellschaft zu suchen. Auf diese Weise können die Regionen des Landes zu stärken das Netzwerk Verbindungen zwischen ihren R & D Agenten - Wissenschafts-und Technologieparks, Institute und Forschungszentren, Krankenhäusern, Technologie-Plattformen und Gründerzentren - wie sie und erkunden Sie konfrontieren den neuen wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Herausforderungen durch die Nanotechnologie Leben vorgestellt Wissenschaften.

Referenzen

1. Fuji-Keizai USA, 2007. Worldwide Market Research: Nanotechnologie-basierte Produkt-Markt-und Business Opportunities-Current & Future Outlook.
2. E.Ghafar-Zadeh, E., M. Sawan, M., 2008. Zu vollständig integrierten CMOS Basierend kapazitiver Sensor für Lab-on-Chip-Anwendungen. International Workshop on Medical Messungen und Anwendungen. 9 (10), 77-80.
3. Barretino, D., 2006. Überlegungen zum Design und die jüngsten Fortschritte in der CMOS-basierenden Mikrosystemen für die Point-of-Care-klinischen Diagnostik. Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 4362-4365.
4. Visiongain Ltd, 2010. http://www.visiongain.com/Report/453/World-Diabetes-Market-Analysis-2010-2025 (beigetreten: 2010.04.14)
5. Mansfield, E., 1991. Akademischer Forschung und industrieller Innovation. Research Policy 20, 1-12.
6. Sadik, OA, Aluoch, AO, Zhou, A., 2009. Status der biomolekularen Erkennung mit elektrochemischen Techniken. Biosensoren und Bioelektronik 24, 2749-2765.
7. Nim Choi, H., Hoon Han, J., Park, A., Mi Lee, J., Won-Yong, L., 2007. Amperometrische Glukose-Biosensor auf Glucose-Oxidase in Carbon Nanotube-Titania-Nafion Composite-Film auf Platinierte Glaskohlenstoffelektrode Encapsulated Basierend. Electroanalysis 19 (17), 1757-1763.
8. Erdem, A., Karadeniz, H., Caliskan, A., 2009. Single-Walled Carbon Nanotubes Geändert Graphitelektroden für Elektrochemische Überwachung von Nucleis Säuren und Biomolekulare Interaktionen. Electroanalysis 21 (3-5), 461-471.
9. Wang, J., 2008. In vivo Glucose-Monitoring: Auf dem Weg "Sense and Act" feedback-loop individualisierte medizinische Systeme ", Talanta 75, 636-641.
10. Rub, A., Rahman, A., Justin, G., Guiseppi-Elie, A., 2009. Gegen einen implantierbaren Biochip für Glukose und Laktat-Überwachung mit microdisc Elektroden-Arrays (MDEAs). Biomed Microdevices 11, 75-85. DOI 10.1007/s10544-008-9211-6
11. Steeves, CA, Young, YL, Liu, Z., Bapat, A., Bhalerao, K., Soboyejo, ABO, Soboyejo, WO, 2007. Membrandicke Gestaltung von implantierbaren Bio-MEMS-Sensoren für die in-situ Überwachung von Blut flor. The Journal of Materials Science: Materials in Medicine 18, 25-37. DOI 10.1007/s10856-006-0659-8
12. Hassibi, A., Lee, TH, 2006. Ein Programmable 0,18-um-CMOS-Sensor Elektrochemische Microarray für Biomolekulare Erkennung. IEEE Sensors Journal 6 (6), 1380-1388.
13. Beach, RD, Conlan, RW, Godwin, MC, Moussy, F., 2005. Gegen eine implantierbare Miniatur-In-vivo-Telemetrie Monitoring System dynamisch als Potentiostat oder Galvanostat für Zwei-und Drei-Elektroden-Biosensors konfigurierbar. IEEE Tran. Auf Instrumentation and Measurement 54 (1), 61-72.
14. Gosselin, B., Sawan, M., 2008. Ein Ultra-Low-Power CMOS Aktionspotential Detektor. Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2733-2736.
15. Zierhofer, CM, Hachmair, ES, 1996. Geometrische Ansatz zur Kopplung Verbesserung der magnetisch gekoppelte Spulen. IEEE Tran. Auf Biomedical Engineering 43, 708-714.
16. Sawan, M., Yamu, H., Coulombe, J., 2005. Wireless Smart Implantate Mehrkanal-Monitoring und Mikrostimulation gewidmet. IEEE Circuits and Systems Magazine 5, 21-39.
17. Sauer, C., Stanacevic, M., Cauwenberhs, G., Thakor, N., 2005. Power-Ernte-und Telemetrie in CMOS für implantierten Geräten. IEEE Transl. auf Schaltungen und Systeme 52 (12), 2605-2613.
18. Li, Y., Liu, J., 2005. Ein 13,56 MHz RFID Transponder Front-End mit zusammengeführten Lastmodulation und Spannung Verdoppler-Klemm-Gleichrichter-Schaltungen. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 5095-5098.
19. Myny, K., Van Winckel, S., Steudel, S., Vicca, P., De Jonge, S., Beenhakkers, MJ, Sele, CW, van Aerle, NAJM, Gelink, GH, Genoe, J., Heremans , P., 2008. Ein induktiv gekoppelter 64b organischen RFID-Tags Betrieb bei 13,56 MHz mit einer Datenrate von 787B / s. IEEE International Solid-State Circuits Conference, 290-614.
20. Gore, A., Chakrabartty, S., Pal, S., Alocilja, E., 2006. Ein Multi-Channel-femtoampere-Empfindlichkeit konduktometrische Array für Biosensorik Anwendungen. 28. IEEE Engineering in Medicine and Biology Science Conference, 6489-6492.