Market Utfordringer akademisk forskning kommersialisere Nano-Enabled implanterbare enheter for in-Vivo Biomedical Analysis

av professor Esteve Juanola-Feliu

Emner som dekkes

Nanoteknologi og økonomi
Konvergens av Technologies i Nanomedisin
Den Biomedical Device for in-Vivo Analysis
State-of-the-Art Innovative Biomedical Device
Arkitektur av den implanterbare Device
Valget av Nanobiosensor
Nanobiotechnology og Nanomedisin
Nano-Related Papers and Patents
Vitenskapelig Politikk og Global Investment
Forskning Utfordringer for Nanobiotechnologies
Konklusjoner og endelige anbefalingene

Nanoteknologi og økonomi

Det er allment anerkjent at velferden av de mest avanserte økonomiene er i fare, og at den eneste måten å takle denne situasjonen er ved å kontrollere kunnskapen økonomier. For å nå dette ambisiøse målet, må vi forbedre ytelsen til hver dimensjon i "kunnskapen triangel": utdanning, forskning og innovasjon. Faktisk nyere funn peker på viktigheten av strategier for å legge til verdi og markedsføring under R + D prosesser, slik som å bygge bro mellom laboratoriet og markedet og slik sikre en vellykket kommersialisering av ny teknologi-baserte produkter. Videre, i en global økonomi der konvensjonell produksjon er dominert av utviklingsland, må fremtiden for industrien i de mest avanserte økonomier er avhengige av sin evne til å innovere i de høyteknologiske aktiviteter som kan tilby en differensial merverdi, snarere enn på forbedre eksisterende teknologier og produkter. Det synes ganske klart, derfor, at kombinasjonen av helse (medisin) og nanoteknologi i en ny biomedisinsk enheten er svært stand til å møte disse forutsetninger.

Nanoteknologi gir gjennombrudd som støtter endeløse kilder til innovasjon og kreativitet i skjæringspunktet mellom medisin, bioteknologi, ingeniørfag, naturvitenskap og informasjonsteknologi, og faget er å åpne opp nye retninger i R + D, knowledge management og teknologioverføring. En rekke av nanoteknologi produkter er allerede i bruk og analytikere forventer at markedet vil vokse med hundrevis av milliarder av euro i løpet av dette tiåret. Etter en lang R + D inkubasjonstiden, flere industrielle segmentene er allerede dukker opp så tidlig adopters av nanoteknologi-aktiverte produkter ¹ (Fuji-Keizai, 2007), i denne sammenheng, er overraskende rask markedsvekst forventet og høy masse markedsmuligheter er planlagt for målrettet forskning sub-segmenter. Funn tyder på at Bio og Helse markedet vil gi noen av de største fremskritt i løpet av de neste årene og at som et resultat vil anvendelser av nanovitenskap og teknologi til medisin fordel pasienter ved å tilby nye forebygging analyser, tidlig diagnose, nanoskala overvåking og effektiv behandling via mimetiske strukturer. Utvilsomt er det betydelige utfordringer i utformingen av nanostrukturer som kan operere pålitelig over lengre tidsrammer i kroppen.

Skalaen lengde reduksjon som er oppnådd gjennom nanosynthesis (bottom-up teknologi) og nanomachining (top-down-teknologi) har potensial til å samhandle med den biologiske verden som aldri før. Den bio-nanoteknologi operere i skjæringspunktet mellom organiserte nanostrukturer og biomolekyler, som er sentrale kontroll ruter for å oppnå nye gjennombrudd innen medisin, odontologi og legemiddelselskap, i næringsmidler av animalsk og vegetabilsk opprinnelse, og i daglig omsorg produkter som kosmetikk. Ifølge GENNESYS White Paper (2009), vil dette nye forskningsfeltet gi betydelig gjennombrudd i nær fremtid i rikene av bioreaktorer, biokompatible materialer og lab-on-chip teknologi.

Konvergens av Technologies i Nanomedisin

nanomedisin er definert som bruken av nanoteknologi til helse. Det utnytter forbedret og ofte roman fysiske, kjemiske og biologiske egenskaper av materialer på nanometric skala. Nanomedisin har en potensiell innvirkning på forebygging, tidlig og pålitelig diagnose, og behandling av sykdommer. I nanomedisin tilfellet, er det et bredt spekter av teknologier som kan brukes til medisinsk utstyr, materiell, prosedyrer og behandlingsmetoder. En nærmere titt på nanomedisin introduserer nye nanomedical teknikker som nanosurgery, tissue engineering, nanopartikkel-aktivert diagnostikk, og målrettet levering av legemidler. Fortsatt i sin barndom, innebærer mye av arbeidet i faget R + D og det er derfor avgjørende at helseinstitusjoner, forskningsinstitutter og produsenter samarbeider effektivt.

Spesielt er tverrfaglige forskergrupper og teknologioverføring kontorer spiller en nøkkelrolle i utviklingen av nye nano-aktiverte implanterbare biomedisinske enheter gjennom en avansert forståelse av mikrostrukturen / eiendommen forhold for biokompatible materialer og deres effekt på strukturen / ytelse av disse enheter. Å fortsette videre, er et generelt rammeverk som kreves som kan lette en forståelse av de tekniske og medisinske krav slik at nye verktøy og metoder kan bli utviklet. Videre, i medisin er det et presserende behov for å sikre et nært samarbeid mellom University-Hospital-Industri-administrasjon mens konkrete verktøy og prosedyrer er utviklet for bruk av klinikere. Tegning på opplevelsen av forfatterne, i dette tilfellet studerer vi søke å demonstrere viktigheten av samarbeid og samarbeid mellom disse fire interessenter og borgere er involvert i innovasjonsprosessen som fører til utvikling av nye biomedisinske produkter klare for markedet.

Samspillet mellom medisin og teknologi gjør det mulig utvikling av diagnostiske enheter for å påvise eller overvåke patogener, ioner, sykdommer, etc. I dag tillater integrering av raske fremskritt innen områder som mikroelektronikk, MicroFluidics, microsensors og biokompatible materialer utviklingen av implanterbare biodevices slike som Lab-on-Chip og Point-of-Care enheter ^{to , tre} . Som et resultat av kontinuerlig overvåking systemer er tilgjengelige for å utvikle raskere og billigere kliniske oppgaver - spesielt sammenlignet med standard metoder. Det er i denne sammenheng at vi presenterer en integrert front-end arkitektur for in-vivo deteksjon.

Den Biomedical Device for in-Vivo Analysis

Systemet ble introdusert i dette papiret er designet for å bli implantert under huden. Til drift og kommunikasjon mellom denne enheten og en ekstern primære senderen er basert på en induktiv kobling. Arkitekturen som presenteres er designet for to ulike tilnærminger: å definere en sann / falsk alarm system basert på enten amperometric eller impedans nano-biosensorer. Blant de sykdommer som kan overvåkes av in vivo-analyse, er det målet for denne artikkelen å fokusere på diabetes gitt at insidens og prevalens øker på verdensbasis, noe som gjenspeiler livsstil endringer og aldrende befolkning. Spesielt er dette voksende utbredelsen nært knyttet til at av fedme, skape betydelige markedsmuligheter som rapportert i World Diabetes Market Analysis 2010-2025 ⁴ , og spesielt fordi Verdens helseorganisasjon anslår at antall diabetikere vil overstige 350 millioner ved 2030.

For dette in vivo implanterbare biomedisinske enhet, vi også undersøke en ambisiøs tilnærming som dekker hele verdikjeden (fra grunnforskning, via engineering og teknologi til industri), den infrastrukturen som kreves og hvilke konsekvenser for samfunnet av disse og lignende dagens marked utfordringer . I dette tilfellet, er hele verdikjeden i regi av universitetet system, som fremhever det sosiale omsetningen av offentlige forskningsinnsatsen. Vi har også vurdere i hvilken grad de siste teknologiske nyvinninger i biomedisinsk industri har vært basert på akademisk forskning, og tidsforsinkelser mellom investering i slike akademiske forskningsprosjekter og industriell anvendelse av sine funn - det vil si, slik som å beregne sosiale frekvensen av tilbake fra akademisk forskning. Fordi resultatene av akademisk forskning er så vidt spredt og deres effekter så grunnleggende, subtile og utbredt, er det ofte vanskelig å identifisere og måle sammenhengen mellom akademisk forskning og industriell innovasjon. Likevel er det overbevisende bevis, spesielt fra bransjer som narkotika, instrumenter og informasjonsbehandling, at bidraget av akademisk forskning for industriell innovasjon har vært betydelig ⁵ .

State-of-the-Art Innovative Biomedical Device

Mange ulike problemstillinger må løses i å skaffe den ideelle implanterbare enhet ⁶ . Først og fremst må enheten være biokompatible å unngå ugunstige reaksjoner i kroppen. Dernest må det medisinske utstyret gi langsiktig stabilitet, selektivitet, kalibrering, miniatyrisering og repetisjon, samt strøm i en nedskalert, og bærbar enhet. Når det gjelder sensorer, label-fri elektrisk biosensorer er ideelle kandidater på grunn av deres lave pris, lavt strømforbruk og enkel miniatyrisering. Den siste utviklingen i nanobiosensors tilby egnede teknologiske løsninger innen glukosemåling ⁷ , svangerskap og DNA-testing ⁸ . Elektrisk måling, når målet analytten er tatt av sonden, kan utnytte enten voltmetric, amperometric eller impedans teknikker. Ideally da enheten skal kunne oppdage ikke bare ett mål agent eller patologi, men heller forskjellige stoffer og det bør være i stand til å arbeide i et lukket feedback, som beskrevet av Wang ⁹ i tilfelle av glukose overvåking.

Flere biomedisinsk utstyr for in-vivo overvåking er under utvikling. Dermed har meget stabile og nøyaktige intramuskulær implanterbare biosensorer for samtidig kontinuerlig overvåkning av vev laktat og glukose nylig blitt produsert, inkludert en komplett elektrokjemisk celle-on-a-chip. Dessuten, med den parallelle utviklingen av on-chip potentiostat og signalbehandling, har betydelige fremskritt er gjort mot en trådløs implanterbare glukose / laktat sensing biochip ¹⁰ . Elsewhere, implanterbare bio-mikro-elektromekaniske systemer (bio-MEMS) for in situ overvåkning av blodstrøm har blitt utformet. Her var målet å utvikle en smart trådløs sensing enhet for non-invasiv tidlig stenose oppdagelse i hjertet bypass grafts ¹¹ . Interessant, undersøker denne studien bruk av overflatebelegg i forhold til avlastning og ikke-vedheft av blodplater og bestanddeler. I dette tilfellet presenterer nanoteknologi seg som et nyttig verktøy for å forbedre biokompatibilitet av silisium bio-MEMS strukturer når nanoskala metallisk titan lag er brukt, siden det forbedrer biokompatibilitet.

Det neste trinnet innebærer å utvikle et konfigurerbart program-spesifikke integrert krets (ASIC) arbeider med en multiplekset rekke nanosensorer designet for å være reaktive for et sett med mål agenter (enzymer, virus, molekyler, grunnstoffer, molekyler, etc.). Flere sensorer av tabellen kan deretter brukes til ett bestemt mål, mens andre arrayer kan være forberedt for de andre målene, samtidig søker en redundant respons. Dermed trenger et panel av biomarkører som skal utvikles. På denne måten kan reproduserbarhet og nøyaktighet bli bedre for hvert mål, og ulike mål kan analyseres samtidig. Konfigurasjonen kapasitet ASIC bør også være definert i forhold til type måling som skal gjennomføres, som i undersøkelser foretatt av Hassibi og Lee ¹² og Strand et al. ¹³ : det kunne være amperometric, måle strøm variasjoner og avdekke terskelverdier ¹⁴ , eller det kan være elektrokjemisk impedans spektroskopisk, for en fast frekvens, oppdager både impedans variasjoner krysset terskelverdier og anomalier. Kombinasjonen av begge teknikker for måling kunne brukes til å oppnå en mer pålitelig metode for påvisning. Makt og kommunikasjon er også viktige funksjoner i utformingen av implanterbare enheter. Den tidligere er opptatt med metoder for å overføre nok energi til enhetene, mens sistnevnte innebærer integrering av instrumentering og kommunikasjon elektronikk for å kontrollere sensorer og å sende informasjon fra sensorene gjennom menneskelig hud. Men hvis påvisning av vitale tegn eller terskelen deteksjoner er tilstrekkelig for overvåking formål, er det ikke nødvendig å måle og sende raw data med en høy grad av nøyaktighet fra brukeren til en ekstern databehandling enhet. Faktisk ville lokal foredling innenfor samme sensor redusere strømforbruket og kommunikasjon krav.

RF power høsting gjennom induktiv kopling er et stadig mer brukt alternativ for overføring av energi til den implanterte enheten, i motsetning til bruk av batterier eller ledninger ^{15 , 16} . Videre tillater dette alternativet en toveis kommunikasjon skal etableres mellom den implanterte enheten og en ekstern base eller leseren. En rekke implanterbar telemetri kretser basert på induktiv kopling kan finnes i litteraturen ^{17 , 18 , 19} . Derimot har flere studier utviklet integratable elektronikk for in-vivo overvåking. Eksempler på dette er gitt i studier av Gore et al. ²⁰ , der femtoampere følsomhet applikasjoner for conductometric biosensor er brukt, og av Haider et al. ²¹ , der et signal processing unit basert på en strøm-til-frekvensomformer og en kommunikasjonsprotokollen er presentert.

Arkitektur av den implanterbare Device

På dette tidspunktet representerer arkitekturen presenteres en første tilnærming for utvikling av applikasjoner basert på biosensorer som tar sikte på å påvise tilstedeværelse eller fravær av visse nivåer av proteiner, antistoffer, ioner, oksygen, glukose, osv. Disse in-vivo deteksjon kretser, eller true / false applikasjoner ²⁰ , fungere som en alarm. Når konsentrasjonen nivået under analyse faller utenfor en rekke aksepterte verdier, aktiverer en terskelverdi alarmen. For eksempel, i tilfelle av glukosemåling, vil påvisning av en terskel reduksjon i blodsukkeret være obligatorisk for å unngå kritiske situasjoner som hypoglykemi ^{21 , 22} . Slike deteksjon ville oppnås når amplituden av de målte signalet faller under en bestemt terskelverdi.

Ulike tilnærminger har blitt utviklet for kontinuerlig overvåking av glukose ²³ . Disse spenner fra kommersielle løsninger som blodsukker testeren markedsført av Cygnus Inc. til subkutan Minimed Medtronic og Abbott Inc. løsninger som kontrollerer glukose nivå hver 3-5 minutter. Disse enhetene, plassert like under huden, ha en lukket-sløyfe-regulering for å levere insulin og nyte en autonomi på 3-5 dager. Løsninger som søker minimum biologisk påvirkning, slik som å motstå biofouling inkludere en inhibitor (nitrogenoksid) ²⁴ i tillegg til belagt nål-type elektrokjemiske sensorer ^{25 , 26 , 27} .

Det generiske implanterbare, front-end arkitektur er basert på induktiv kopling for in-vivo overvåking av forekomst eller fravær av patogener, ioner, oksygen konsentrasjon nivåer, etc.

Fig.1. Conception av implanterbare enheter

Systemet i Fig.1 viser en plattform med en sann / falsk alarm for overvåking av forskjellige mål. Dataene overføres til en sentral database hvor alle innganger kan være personlig for hver pasient. Dataene som samles inn kan måles på ulike scenarier: når pasienten er i ro, gjennomføre en viss type fysisk aktivitet, osv., avhengig av den bestemte medisinske interesse, og dermed en nøyaktig prognose og diagnose kan oppnås ²⁸ . Systemet har et forsknings-søknad i konstant overvåking av pasienter som de utfører sine daglige aktiviteter i normale forhold (utendørs) og på denne måten sekundære effekter som den psykologiske endringer forårsaket av stress av å være på et sykehus, med ukjente mennesker, etc. kan unngås. Den foreslåtte arkitekturen (se figur 2) er på dette stadiet analysert som en terskel detektor for en sensor, jobber amperometrically, og inkluderer on-chip administratorinnstilling, den potentiostast å drive biosensor, en conditioning modul, og modulasjon og data-prosessering blokk. Den conditioning modulen er designet for å tilpasse nivået på signaler målt. Påvisning av målene ved å bruke terskelen metodikken må garantere tilstrekkelig signal nivå, slik som å sikre et tilstrekkelig høyt signal-til-støy-forhold (SNR).

Denne modulasjon og databehandling blokkere er utformet for å analysere og sende til den eksterne leseren nivåene det oppdager. To ulike tilnærminger er definert: et generisk amperometric biosensor søknad og en impedans biosensor, for label-frie systemer, basert på en integrert analog lock-forsterker, som vil fortsette med analog prosessering på sensor for deteksjon og overføring. For fremtidig implementering, vil denne modulen være utformet slik at den kan re-konfigureres.

For å validere det første forslaget (amperometric), har en full tilpasset IC blitt designet med flere moduler av arkitektur og et PCB-transponder antenne (30mm x 15mm), innstilt til 13.56MHz, for å gi strøm og kommunikasjon link. Utformingen har også en integrert analog lock-forsterker i tilfelle impedans deteksjon.

Forslaget til det generiske implanterbare arkitekturen er presentert i fig. 2. Det består av en nanobiosensor, en antenne og den elektroniske moduler.

Fig.2. Forslag generisk implanterbare front-end arkitektur.

nanobiosensor eller nanosensor er generelt definert som en nanometer størrelse skala målesystem som består av en sonde med et følsomt biologisk anerkjennelse element, eller bioreceptor, en fysisk detektor komponent, og en svinger i mellom. To typer nanosensorer med potensielle medisinske anvendelser er cantilever rekke sensorer og nanorør / nanowire sensorer og nanobiosensors, som kan brukes til å teste nanolitres eller mindre blod for et bredt spekter av biomarkører. I vårt arbeid har en nanobiosensor med tre elektroder blitt valgt til å forklare og utvikle systemet. Dens topologi kan lett tilpasses for alle typer sensor. De tre elektroder gjøre opp sensoren er: a) arbeids elektroden (W), som fungerer som en overflate på med elektrokjemiske reaksjonen finner sted, b) referanseelektrode (R), som måler potensialet på W elektroden, og c) hjelpemotor eller mot elektroden (A / C), som leverer strøm som kreves for den elektrokjemiske reaksjonen på W elektroden.

Systemet er utformet som en trådløs drevet aktiv RFID Tag ^{29 , 30} hvor induktivt koplet link, generert av implanterbare og den eksterne antennen, er i stand til å levere nok energi til å drive hele systemet og for å gi trådløs toveis kommunikasjon gjennom den menneskelige huden . Dermed kan overføre de opplysninger innhentet av nanobiosensor og motta data fra den eksterne leseren som igjen kan konfigurere implantert elektronikk og lese data innhentet.

Valget av Nanobiosensor

Den mest lovende løsningen for et effektivt nanobiosensor innebærer å bruke den elektrokjemiske impedans spektroskopi (EIS) teknikk. EIS representerer en mer effektiv metode for undersøkelser av grenseflatespenning egenskapene til den modifiserte elektrode ved å måle endring i elektron overføring motstand ved elektroden overflaten på grunn av adsorpsjon og desorpsjon av kjemiske eller biologiske molekyler. Flere studier har blitt publisert på dette temaet. Den klassiske tilnærmingen er ELISA test ³¹ , basert på bruk av halvledende polymerer og bruk av EIS teknikken, mens polystyren (PS) er den typiske isolerende polymer som brukes i biomedisinsk forskning.

En utbredt rapporterte søknad er glukose biosensor ^{32 , 33 , 34} , som er basert på elektron overføring som oppstår under den enzymatiske reduksjonen av glukose. I de senere år har flere studier blitt publisert på dette feltet, inkludert Patel et al. ³⁵ som presenterer en elektro-enzymatisk glukose sensor. Andre interessante studier er gitt av Huang et al. (2009), som innføre et kapasitivt basert MEMS affinitet sensor for kontinuerlig glukosemåling programmer; Teymoori, Mir Majid et al, som beskriver en MEMS for glukose og andre generiske sensorer med medisinske anvendelser;. Og Rodrigues et al. ³⁶ , som utviklet en ny celle-baserte biochip dedikert til sanntids overvåking av forbigående effluxes av glukose og oksygen, ved hjelp av matriser med amperometric microsensors integrert i innløp og utløp av en PDMS celle kammer. En komplett design er levert av Rahman et al. ³⁷ , som presenterer design, microfabrication, emballasje, overflate funksjonalisering og in vitro testing av en komplett elektrokjemisk celle-on-a-chip (ECC) for kontinuerlig amperometric overvåking av glukose, utføre syklisk voltammetry, elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og mikroskopisk undersøkelse.

Ulike eksempler på utvikling av nanosensorer for anvendelse i dette feltet er rapportert av Usman Ali et al. ³⁸ . Her ZnO Nanotråder brukes til en GCM søknad direkte koblet til porten til en standard lavterskeltilbud MOSFET. Lee et al. ³⁹ utforme en fleksibel enzym-free glukose mikro-sensor med en nanoporøse platina arbeider elektrode på en bio-kompatible PET film. Goud et al. ⁴⁰ innføre et nanobioelectronic system-on-pakken (SOP) med en integrert glukose sensor basert på karbon-nanorør som arbeider elektroder. . Jining Xie et al ⁴¹ foreslår platina nanopartikkel-belagt karbon nanorør for amperometric glukose biosensing, og Ekanayake et al. ⁴² beskriver produksjon og karakterisering av en roman nano-porøse polypyrrole (PpY) elektrode og dens anvendelse i amperometric biosensorer, med forbedrede egenskaper for glukose sensing.

Nanobiotechnology og Nanomedisin

Vitenskapelig Politikk og Global Investment

Tilgjengeligheten av in-vivo biomedisinsk enheter, slik som den er beskrevet ovenfor, er nært knyttet til fremskritt i nanobiotechnology. Nanoteknologi forventes å ha en rask effekt på samfunnet ⁴³ : skape fremtidige økonomiske scenarier, stimulerende produktivitet og konkurranseevne, konvergerende teknologier og fremme ny utdanning og menneskelig utvikling. Bevis på denne raske virkningen av nanoteknologi kan sees i offentlige investeringer tall for nanoteknologi R + D aktiviteter, fasiliteter og arbeidsstyrke opplæring. 2008 US National Nanoteknologi Initiativ budsjett anmodning om nanoteknologi R + D over den føderale regjeringen var over US $ 1440 millioner (NNI, 2007). I Europa vil VIIth rammeprogram (FP) bidra med ca € 600 millioner per år til nanoteknologi til 2013, med en ekstra, tilsvarende beløpet som blir gitt av enkelte land. Dette gir Europa en større årlige utgifter på nanoteknologi enn USA eller Japan ⁴⁴ .

I sammenheng med europeisk politikk, er N & N et sentralt område for EU-kommisjonen: den VIIth FP (2007-2013) gir et bestemt program for nanosciences, nanoteknologi, materialer og nye produksjonsteknologier med et budsjett på € 3.475 millioner (10.72% av VIIth FP totale budsjettet). Videre er flere konkrete programmer involvert i nanoskala forskning, og dermed totalbudsjettet investert i nanoactivities økes med flere tusen € millioner (MEUR) kommer fra følgende programmer: Helse (6 100 MEUR), Mat, landbruk og bioteknologi ( 1 935 MEUR), IKT (9 050 MEUR) og energidirektorat (2 350 MEUR)

Nano-Related Papers and Patents

Flere oversikter og komparative studier av den verdensomspennende utvidelsen av nanopublications og nanopatents er tilgjengelig ^{45 , 46 , 47} . Vitenskapelige artikler og patenter i nanoteknologi sektoren har vokst eksponentielt de siste to tiårene. Den relative veksten i antall "nano-title-papers" i ulike bibliografiske databaser, dvs. økningen i antall "nano-title-papirer" som en andel av alle papirer har vært dramatisk: Hvis vi tar Science Citation Index som å være representative for alle vitenskaper (riktignok at kjemien er noe underrepresentert), andelen av "nano-title-papers" vokste fra 1985 til midten av 2003 med ca 1,2% med en gjennomsnittlig årlig vekst på ca 34%, noe som betyr at den har doblet seg hvert 2,35 år. Siden midten av 1990-tallet farten har avtatt noe til en årlig vekst på ca 25% (dobling hvert 3,1 år) ⁴⁸ .

I 2007 ble over 15.000 nanovitenskap og nanoteknologi-relaterte artikler ble publisert, og det er nå intens aktivitet med hensyn til intellektuell eiendom (IP) - eierskap til innovasjoner, oppfinnelser, ideer og kreativitet - i nanoskala feltet. Nanoteknologi er å øke dreining mot en kunnskapsbasert orientert økonomi og så intellektuell eiendom er i en posisjon til å øke verdiskaping, vekst og utvikling over hele verden ⁴⁹ . Flere rapporter har forsøkt å kartlegge nano-relaterte patenter ⁵⁰ , og tall for nanoteknologi-relaterte IP er oppsiktsvekkende. I den europeiske patentverket en nanoteknologi arbeidsgruppe (NTWG) ble opprettet i 2003 og 90.000 patenter ble merket til klassen Y01N. Andelen nanoteknologi patenter mer enn doblet mellom midten av 1990-tallet og midten av 2000-tallet (USA 40%, Japan 19%, og Tyskland 10%). The Compendium of Patent Statistikk 2007 ⁵¹ p rovides internasjonalt sammenlignbare data om patenter.

Før 1980 var 250 nanoteknologi-relaterte patenter årlig til universiteter over hele verden, men i 2003 dette tallet hadde økt 16 ganger til 3993 patenter, som har blitt arkivert for de grunnleggende byggesteinene, materialer og verktøy som kreves for å utvikle denne teknologien. Den amerikanske patent-kontoret har mottatt søknader om sammensetningen av saken, utstyr, apparater, systemer og kontroll av nanomaterial og enheter, og metoder. Cross-industrien patentkrav blir gjort for enkelt nanoskala innovasjoner som kan ha forskjellige bruksområder. Dermed har søknader blitt identifisert i store patent klasser som strøm, menneskelige nødvendigheter, kjemi og metallurgi, utføre drift og transport, maskinteknikk, fysikk, fast konstruksjon, tekstiler og papir. For å analysere effekten på den industrielle sektoren, har OECD kategorisert nanoteknologi patenter i seks bruksområder: Elektronikk, Optoelectronics, medisin og bioteknologi, målinger og produksjon, miljø og energi, og nanomaterialer.

Som forskning av Miyazakia ⁵² avslørt, universiteter står for en spesielt stor andel av forskningen i nanoteknologi (som representerer 70,45% av nanoteknologi-forskning på verdensbasis). I dette de er supplert med offentlige forskningsinstitusjoner (som utgjør 22,22% av artikler). Dermed er det anslått at universitetene nå holder 70% av viktige nanoteknologi patenter. Den private sektor spiller en mer begrenset rolle (7.33% av alle artikler globalt), men det er en mer fremtredende aktør i USA (12,41%). I Asia har Japan en sterk andel (12,30%) i privat sektor, mens Sør-Korea (8,25%) og i mindre grad India (3,52%) konkurrerer med Japan. I fremtiden er nanoteknologi utvikling sannsynlig å skifte fra store offentlig finansierte organisasjoner og universiteter til små start-up selskaper som søker å utnytte den tidligere offentlig finansiert forskning innsats for å generere den første kommersielle programmer, på en lignende måte til hva vi har sett i bioteknologisk industri.

Forskning Utfordringer for Nanobiotechnologies

Nanobiotechnology er en raskt voksende delen av vitenskapelige og teknologiske muligheter som gir fremskritt i næringsmiddelindustrien, energi, miljø og medisin. I nanomedisin, er det et bredt spekter av teknologier som kan brukes til medisinsk utstyr, materiell, prosedyrer og behandlingsmetoder. En nærmere titt på nanomedisin identifiserer slike dukker nanomedical teknikker som nanosurgery, tissue engineering, nanopartikkel-aktivert diagnostikk, og målrettet levering av legemidler. Ifølge en ekspertgruppe bestående av European Medicines Evaluation Agency (EMEA), de fleste av dagens kommersielle anvendelser av nanoteknologi til medisin er viet til levering av legemidler. Mer roman anvendelser av nanoteknologi omfatter vev erstatning, transport på tvers av biologiske barrierer, fjernstyring av nanoprobes, integrerte implanterbare sensoriske nanoelectronic systemer og multifunksjonell kjemiske strukturer for målretting av sykdom. Dermed kan nanobiotechnology gir ikke bare miniatyrisering av implanterbare biomedisinske enheter (MicroFluidics, mikroelektronikk, etc), men også pålitelig multifunksjons arrays for sykdom deteksjon. Det er trolig ikke noe bedre eksempel på den teknologiske konvergens av top-down (miniatyrisering) og bottom-up (design og etablering av nye funksjonelle strukturer) strategier, som søker det punktet av likevekt der teknologiske fremskritt og markedets krav kan møtes.

Endelig har det vært argumentert for at dagens nanoskala forskning viser ingen spesielle mønstre og grader av tverrfaglighet og at dens tilsynelatende tverrfaglighet består av ulike, hovedsakelig mono-disiplinær felt som er ganske relatert til hverandre og som har litt mer til felles enn forstavelsen " nano " ⁴⁸ . På dette punktet, kan diskusjonen om usammenhengende eller inkrementell art av nanoteknologi oppstå i innovasjon og teknologioverføring prosess. Basert på empiriske funn i undersøkelsen utført av Nikulainen og Palmberg ⁵³ , virker det som, i øyeblikket, er det ikke behov for nano-spesifikke teknologioverføring relaterte tiltak. Denne konklusjonen kan likevel må revisited om nanoteknologi blir mer radikal og usammenhengende. I dag er kjemikere utvikle medikamenter, reaktorer og katalysatorer jobber på nanoskala, som de har i mange år, selv om de bare henviser til sitt arbeid som kjemien. Gjerne, politikere må ta hensyn til relevante helse-, miljø og sikkerhet ved å sette standarder og gjennomføring av regelverk for å lette spredningen av nanoteknologi.

Konklusjoner og endelige anbefalingene

I dette papiret, har utformingen av en generisk in-vivo implanterbare biomedisinske enhet stand til å oppdage terskelverdier for målrettet konsentrasjoner (dvs påvisning av glukose) vært presentert. Gitt den hastigheten som diabetes kan spre seg og de forbedringer som er mulig i sin diagnose og kontroll hvis nål-frie systemer er tilgjengelig, er det medisinske utstyret introdusert i denne papir som er beregnet å nå et stort marked i løpet av de neste årene. Dessuten, når hele verdikjeden er offentlig finansiert, betyr dette at målene for teknologioverføring fra universitetet til industrien og de sosiale avkastning på offentlige investeringer har vært fullt ut realisert. Dermed kan en vellykket modell for forskning, innovasjon og teknologioverføring bli introdusert til et bestemt scenario preget av konvergens av teknologier og disipliner, samt av konvergens av ulike interessenter kombinere representanter fra forskning, sykehus, marked, politikk sentre og borgere også.

Den fullstendige oversikten følger her av verdikjeden av forskning og teknologioverføring prosesser fremhever betydningen av et felles rammeverk der tverrfaglige team og organisasjoner kan arbeide sammen regissert av bestemt faglig ledelse. I denne konkrete saken, har Institutt for elektronikk ved universitetet i Barcelona hadde overordnede ansvaret for forskning og kommersialisering aktiviteter. Den resulterende biomedisinsk enheten er nano-aktivert i en dobbel forstand: når miniaturizing systemet (lufthåndtering, elektronisk, energi autonomi), og når nye funksjonelle strukturer er inkludert (nanobiosensors utviklet av IBEC). Den CIBER-DEM tiltrer verdikjeden når klinisk forskning og kommersialisering blir vurdert. Fortsatt en ny teknologi, vil fremtiden ASIC arbeidet med en rekke nanobiosensors med ulike mål, og det vil definere konfigurasjonen av målemetode. Hver array vil bli brukt til å oppdage en bestemt type mål, og multiplex-systemet vil bli brukt til å analysere hver matrise med fokus på et bestemt mål. Deretter kan toppen og ned tilnærminger bruker nanoengineering og nanofabrication og bottom up tilnærminger bruker supramolecular kjemi produsere roman diagnostikk som vil i økende grad fokuserer på å levere en tilpasset løsning basert på analyse av array-data i sanntid, og eventuelt bruke denne beslutningen om å levere en automatisert behandling (theranostics).

I konklusjonen, til tross for den noe begrensede tilgjengeligheten av informasjon diskutere sikkerheten til medisinske nanomaterialer, er tilfellet historien presenteres i denne artikkelen en klar demonstrasjon av hvordan å styrke båndene mellom vitenskapen samfunnet, sykehus og industri. Prosessen beskrives tilbyr en effektiv metode for å utføre eksperimenter på store test og kliniske fasiliteter innenfor en innovativ rammeverk som tar nytte av nye vitenskapelige verktøy og oppdagelser. Biomedisinsk enheter representerer en strategisk gamble for fremtiden til Spanias vitenskapelige og teknologiske politikkområder som de søker akselerert økonomisk vekst innenfor kunnskapsbaserte samfunnet. På denne måten kan landets regioner styrke nettverket koblinger mellom sine FoU-midler - vitenskap og teknologi parker, institutter og forskningssentre, sykehus, teknologiplattformer og inkubatorer - som de utforske og konfrontere den nye faglige og markedsmessige utfordringene som nanoteknologi liv vitenskaper.

Referanser

1. Fuji-Keizai USA, 2007. Worldwide Market Forskning: Nanoteknologi-baserte produktmarked og Business Opportunities-Current & Future Outlook.
2. E.Ghafar-Zadeh, E., M. Sawan, M. 2008. Mot Helintegrert CMOS Basert kapasitiv sensor for Lab-on-Chip Applications. International Workshop på Medical Målinger og Applications. 9 (10), 77-80.
3. Barretino, D., 2006. Design hensyn og siste fremskritt i CMOS-baserte mikrosystemer for point-of-care klinisk diagnostikk. Proceedings av IEEE International Symposium på kretser og systemer, 4362-4365.
4. Visiongain Ltd, 2010. http://www.visiongain.com/Report/453/World-Diabetes-Market-Analysis-2010-2025 (tiltrådt: 4-14-2010)
5. Mansfield, E. 1991. Akademisk forskning og industriell innovasjon. Forskning 20 Policy, 1-12.
6. Sadik, OA, Aluoch, AO, Zhou, A. 2009. Status for biomolekylære anerkjennelse bruke elektrokjemiske teknikker. Biosensorer og 24 Bioelectronics, 2749-2765.
7. Nim Choi, H., Hoon Han, J., Park, A., Mi Lee, J., Won-Yong, L., 2007. Amperometric Glukose Biosensor Basert på glukose oksidase Encapsulated i karbon nanorør-Titania-Nafion Composite Film på Platinized Glassy Carbon elektrode. Electroanalysis 19 (17), 1757-1763.
8. Erdem, A., Karadeniz, H., Caliskan, A. 2009. Single-vegger karbon nanorør Forandringer Graphite Elektroder for Elektrokjemisk Overvåking av Nucleis Syrer og biomolekylære interaksjoner. Electroanalysis 21 (3-5), 461-471.
9. Wang, J. 2008. In vivo glukosemåling: Mot "Sense and Act" feedback-loop individualisert medisinske systemer ", 75 Talanta, 636-641.
10. Rub, A., Rahman, A., Justin, G., Guiseppi-Elie, A. 2009. Mot en implanterbar biochip for glukose og laktat overvåking ved hjelp microdisc elektrode arrays (MDEAs). Biomed 11 Microdevices, 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. Membrantykkelse design av implanterbare bio-MEMS-sensorer for in-situ overvåkning av blod flor. The Journal of Materials Science: Materialer i 18 Medicine, 25-37. DOI 10.1007/s10856-006-0659-8
12. Hassibi, A., Lee, TH, 2006. En Programmerbar 0.18-mikrometer CMOS elektrokjemisk sensor Microarray for biomolekylære Detection. IEEE Sensorer Journal 6 (6), 1380-1388.
13. Beach, RD, Conlan, RW, Godwin, MC, Moussy, F., 2005. Mot en Miniatyr Implanterbar In Vivo Telemetri Monitoring System dynamisk Konfigurerbar som Potentiostat eller Galvanostat for to-og tre-elektrode biosensorer. IEEE Tran. På Instrumentering og måling 54 (1), 61-72.
14. Gosselin, B., Sawan, M. 2008. En ultra lav-effekt CMOS handling potensial detektoren. Proceedings av IEEE International Symposium på kretser og systemer, 2733-2736.
15. Zierhofer, CM, Hachmair, ES 1996. Geometriske tilnærming for kobling forbedring av magnetisk koblede spoler. IEEE Tran. På Biomedical 43 Engineering, 708-714.
16. Sawan, M., Yamu, H., Coulombe, J., 2005. Trådløst smart implantater dedikert til flerkanals overvåking og microstimulation. IEEE kretser og systemer Magazine 5, 21-39.
17. Sauer, C., Stanacevic, M., Cauwenberhs, G., Thakor, N., 2005. Strøm høsting og telemetri i CMOS for implantert enheter. IEEE Transl. på kretser og systemer 52 (12), 2605-2613.
18. Li, Y., Liu, J., 2005. En 13.56MHz RFID transponder front-end med fusjonerte last modulasjon og spenning dobleren-klemmer likeretter kretser. IEEE International Symposium på kretser og systemer, 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. Et induktivt-coupled 64b organisk RFID tag Operating på 13,56 MHz med en datahastighet på 787b / s. IEEE International Solid-State Circuits Conference, 290-614.
20. Gore, A., Chakrabartty, S., Pål, S., Alocilja, E., 2006. En multi-kanals femtoampere-følsomhet conductometric array for biosensing applikasjoner. Tjueåttende IEEE Engineering i medisin og biologi Science Conference, 6489-6492.
21. Haider, MR, islam, SK, Zhang, M., 2007. Et lavt strømforbruk processing unit for in vivo overvåking og overføring av sensor signaler. Sensors & Transducers 84 Journal (10), 1625-1632.
22. Wolpert, HA, 2007. Bruk av kontinuerlig glukosemåling i avdekking og forebygging av hypoglykemi. Journal of Diabetes Science and Technology 11 (1), 146-150.
23. Newman, JD, Turner, APF, 2005. Hjem blodsukker biosensorer: et kommersielt perspektiv. Biosensorer og Bioelectronic 20, 2435-2453.
24. Frost, M., Meyerhoff, ME, 2006. In Vivo kjemiske sensorer: Tackling Biokompatibilitet. Analytisk kjemi 78 (21), 7370-7377.
25. Jung, MW, Kim, DW, Jeong, RA, Kim, HC 2004. Needle-type Multi-elektrode Array fabrikkert av MEMS-teknologi for Hypodermic kontinuerlig glukosemåling. Proceedings of the International Conference of EMBS, 1987-1989.
26. Zimmermann, S., Fienbork, D., Stoeber, B., flyndre, AW, Liepmann, D., 2003. En microneedle-basert glukose monitor: fabrikasjon på en wafer-nivå bruker i-enhet enzym immobilisering. Proc.Internatioal konferanse om Solid-state sensorer, aktuatorer og Microsystems, 99-102.
27. Kim, YT, Kim, Y.-Y., Jun, C.-H. 1999. Needle-formet glukose sensor med multi-celle elektrode fabrikkert av overflate mikromaskinering. Proc. SPICE, Design, test, og microfabrication av MEMS og 3680 MOEMS, 924-930.
28. Lin Tan, E., Pereles, BD, Horton, B., Shao, R., Zourob, M., Ghee Ong, K. 2008. Implanterbare Biosensorer for Real-time Sil og Pressure Monitoring. Sensorer 8, ,6396-6406.
29. Lin, Y., Su, M., Chen, S., Wang, S., Lin, C., Chen, H., 2007. En studie av allestedsnærværende skjerm med RFID i en eldre sykehjem. IEEE International Conference on Multimedia og allestedsnærværende Engineering.
30. Tesoriero, R., Gallus, JA, Lozano, M., Penichet, VMR, 2008. Ved hjelp av aktive og passive RFID-teknologi for å støtte innendørs lokasjonsbevisst system. IEEE Transl. på Consumer Electronics 54 (2), 578-583.
31. Cantarero, LA, Butler, JE, Osborne, JW, 1980. Den adsorberende egenskapene til proteiner for polystyren og deres betydning i solid-fase immunologiske. Anal. Biochem. 105, 375-382.
32. Hiller, M., Kranz, C., Huber, J., Bauerle, P., Schuhmann, W. 1996. Amperometric biosensorer produsert av immobilisering av redoks enzymer ved polythiophene-modifisert elektrode overflater. Adv.. Mater. 8, 219-222.
33. Kros, A., Van Hovell, WFM, Sommerdijk, NAJM, Nolte, RJM, 2001. Poly (3, 4-thylenedioxythiophene)-baserte glukose biosensorer. Adv.. Mater. 13, 1555-1557.
34. Fiorito, PA, De Torresi, SIC, 2001. Glukose amperometric biosensor basert på co-immobilisering av glukose oksidase (Gox) og ferrocene i poly (pyrrol) genereres fra etanol / vann blandinger. J. Braz. Chem. Soc. 12, 729-733.
35. Patel, JN, Kaminska, B., Gray, B., Gates, BD 2007. Electro-Enzymatisk glukosesensor Bruk Hybrid Polymer fabrikasjon prosessen. Electronics, kretser og systemer, ICECS 2007-14nde IEEE International Conference, 403-406.
36. Rodrigues, NP, Kimura, H., Sakai, Y., Fujii, T., 2007. Cell-Based Microfluidic biochip for Elektrokjemisk sanntidsovervåkning av glukose og oksygen, Solid-State sensorer, aktuatorer og Microsystems Conference, 843-846.
37. Rahman, ARA, Justin, G., Guiseppi-Wilson, A., Guiseppi-Elie, A. 2009. Fabrikasjon og Pakking av en Dual Sensing Elektrokjemisk Biotransducer for glukose og laktat Nyttig Intramuskulær fysiologiske Status Monitoring. Sensorer Journal, IEEE Volume 9 (12), 1856-1863.
38. Usman Ali, SM, Nur, O., Willander, M., Danielsson, B. 2009. Glukose Detection med en kommersiell MOSFET hjelp av en ZnO Nanotråder Extended Gate. IEEE Transactions på nanoteknologi 8 (6), 678-683.
39. Lee, yj, Kim, JD, Park, JY, 2009. Fleksibel enzym gratis glukose mikro-sensor for kontinuerlig overvåking av applikasjoner. Solid-State sensorer, aktuatorer og Microsystems Conference-SVINGERE 2009, 1806 til 1809.
40. Goud, JD, Raj, PM, Jin Liu, Narayan, R., Iyer, M., Tummala, R., 2007. Elektrokjemisk Biosensorer og MicroFluidics i økologisk System-on-Package Technology. Proceedings of the Electronic Components and Technology Conference-ECTC2007, 1550-1555.
41. Jining Xie, Shouyan Wang, Aryasomayajula, L., Varadan, VK, 2007. Materiale og elektrokjemiske studier av platina nanopartikkel-belagt karbon nanorør for biosensing. Nanoteknologi 2007. IEEE-NANO2007, 1077-1080.
42. Ekanayake, EMI, Preethichandra, DMG, Kaneto, K., 2007. Fabrikasjon og karakterisering av nanostrukturerte ledende polymer elektroder for glukose biosensor applikasjoner. Industrial and Information Systems-ICIIS2007, 63-66.
43. Roco MC, Bainbridge WS, 2005. Sosiale implikasjoner av nanovitenskap og nanoteknologi: Maksimere menneskelig nytte. Journal av nanopartikler Forskning 7, 1-13.
44. Swarup A. 2007. Hvordan vil Nanotech Fare i Europa?. http://sciencecareers. sciencemag.org/career_development/previous_issues/articles/2007_09_21/caredit_a0700136
45. Heinze, T., 2004. Nanovitenskap og nanoteknologi i Europa: Analyse av Publikasjoner og patentsøknader inkludert Sammenligninger med USA. Nanoteknologi Law & Business 1 (4), 10 artikkel.
46. Braun, T. Schubert, A., Zsindely, S., 1997. Nanovitenskap og nanoteknologi på balansen. Scientometrics 38 (2), 321.
47. Hullmann, A., Meyer, M. 2003. Publikasjoner og Patenter i Nanoteknologi: En oversikt over tidligere studier og State of the Art. 58 Scientometrics, 507.
48. Schummer, J., 2004. Flerfaglighet, tverrfaglighet, og mønstre av forskningssamarbeid i nanovitenskap og nanoteknologi. Scientometrics 59 (3), 425-465.
49. Aditeya, Singh K., 2007. Intellectual Property i Nanoteknologi Economy: trender, patent landskapet og utfordringer. Institute of nanoteknologi, Storbritannia
50. Scheu, M. Veefkind, V., Verbandt, Y., Molina Galan, E., Absaloma, R., Förster, W. 2006. Kartlegging nanoteknologi patenter: EPO tilnærming. Verden Patentinformasjon 28 (3), 204-211, doi: 10.1016/j.wpi.2006.03.005
51. Dernis, H., 2007. Compendium of Patent Statistics 2007. STI OECD Paris, www.oecd.org / STI / IPR-statistikk
52. Miyazaki, K., islam, N., 2007. Nanoteknologi systemer for innovasjon-En analyse av industri og akademia forskningsaktiviteter. Technovation 27 (11), 661-675.
53. Nikulainen T., Palmberg C., 2010. Overføre science-baserte teknologier til industri-Har nanoteknologi gjøre en forskjell?. 30 Technovation, 3-11.

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org