Marknad Utmaningar för akademisk forskning i kommersialisera Nano-Enabled implantat för in vivo biomedicinsk analys

av professor Esteve Juanola-Feliu

Ämnen som tas upp

Nanoteknik och ekonomi
Konvergens av teknik inom nanomedicin
Biomedicinskt Anordning för in vivo-analys
State-of-the-art Innovativa Biomedicinsk enhet
Arkitektur implantation avsedda produkten
Valet av Nanobiosensor
Nanobioteknik och nanomedicin
Nano-relaterade artiklar och patent
Vetenskapliga riktlinjer och Global Investment
Forskning Utmaningar för Nanobiotechnologies
Slutsatser och slutliga rekommendationer som

Nanoteknik och ekonomi

Det är allmänt erkänt att välfärden för de mest avancerade ekonomier är i riskzonen, och att det enda sättet att hantera denna situation genom att kontrollera kunskap ekonomier. För att nå detta ambitiösa mål måste vi förbättra prestanda för varje dimension i "kunskapstriangeln": utbildning, forskning och innovation. Faktum senaste resultaten pekar på vikten av strategier för att lägga till värde och marknadsföring under FoU-processer så att överbrygga klyftan mellan laboratoriet och marknad och därmed säkerställa en framgångsrik kommersialisering av ny teknik-baserade produkter. Dessutom, i en global ekonomi där traditionella tillverkningsindustrin domineras av utvecklingsländer, måste framtiden för industrin i de mest utvecklade ekonomierna är beroende av dess förmåga till innovation i de högteknologiska verksamheter som kan erbjuda ett differentierat mervärde, snarare än på förbättra befintlig teknik och produkter. Det verkar ganska uppenbart, därför att kombinationen av hälsa (medicin) och nanoteknik i en ny biomedicinsk enheten är mycket uppfyller dessa förutsättningar.

Nanoteknik ger genombrott som stöder oändliga källor till innovation och kreativitet i skärningspunkten mellan medicin, bioteknik, teknik, naturvetenskap och informationsteknik, och disciplin öppnar nya riktningar i FoU, kunskapshantering och tekniköverföring. Ett antal av nanoteknik produkter är redan i bruk och analytiker förväntar sig marknaden att växa med hundratals miljarder euro under detta årtionde. Efter en lång FoU inkubationstiden, flera industriella segment är redan på väg att bli tidiga användare av nanoteknik-aktiverade produkter ¹ (Fuji-Keizai, 2007), i detta sammanhang är förvånansvärt snabb marknadstillväxt förväntas och högmässa marknadsmöjligheter planeras för målinriktad forskning delsegment. Resultaten tyder på att Bio & Hälsa marknaden kommer att ge några av de största framstegen under de närmaste åren och att, som en följd kommer tillämpningar av nanovetenskap och teknologi till medicin nytta för patienterna genom att erbjuda nya förebyggande analyser, tidig diagnos, nanoskala övervakning och effektiva behandling via mimetiska strukturer. Utan tvekan finns det stora utmaningar i utformningen av nanostrukturer som kan fungera tillförlitligt under längre tidsskalor i kroppen.

Skalan längd minskning som har uppnåtts genom nanosynthesis (bottom-up-teknik) och nanomachining (top-down teknik) har potential att interagera med den biologiska världen som aldrig förr. Den bio-nanoteknik verkar i gränssnittet mellan organiserad nanostrukturer och biomolekyler, som är viktiga kontroll vägar för att nå nya genombrott inom medicin, tandvård och läkemedel, i livsmedel av animaliskt och vegetabiliskt ursprung, och i den dagliga vården produkter som kosmetika. Enligt GENNESYS vitbok (2009), kommer detta nya forskningsfält ge betydande genombrott inom en snar framtid i sfärer av bioreaktorer, biokompatibla material och lab-on-chip teknik.

Konvergens av teknik inom nanomedicin

nanomedicin definieras som tillämpningen av nanoteknik för hälsan. Det utnyttjar de förbättrade och ofta nya fysikaliska, kemiska och biologiska egenskaper hos material på nanonivå. Nanomedicin har en potentiell effekt på förebyggande, tidig och pålitlig diagnos, och behandling av sjukdomar. I nanomedicin fallet finns det ett brett spektrum av tekniker som kan tillämpas på medicintekniska produkter, material, rutiner och metoder behandling. En närmare titt på nanomedicin introducerar ny nanomedical tekniker såsom nanosurgery, vävnadsteknik, nanopartiklar-aktiverade diagnostik och målstyrning av läkemedel. Fortfarande i sin linda handlar mycket av arbetet inom det ämne FoU och det är därför viktigt att hälso-institutioner, forskningsinstitut och tillverkare samarbetar effektivt.

I synnerhet tvärvetenskapliga forskargrupper och teknik kontor transfer spelar en nyckelroll i utvecklingen av nya nano-aktiverade implanterbara biomedicinska enheter genom en fördjupad förståelse av mikrostruktur / egendomen relation för biokompatibla material och deras effekt på strukturen / prestanda av dessa enheter. Att gå vidare, är en allmän ram som behövs som kan underlätta en förståelse av de tekniska och medicinska kraven så att nya verktyg och metoder kan utvecklas. Dessutom i medicin finns det ett akut behov av att säkerställa ett nära samarbete mellan universitet och sjukhus, näringsliv och administration medan specifika verktyg och rutiner är utvecklade för att användas av kliniker. Med utgångspunkt från erfarenheterna av författarna, i detta fall studie försöker vi visa på vikten av samarbete och samverkan mellan dessa fyra aktörer och medborgare delaktiga i innovationsprocessen som leder till utveckling av nya biomedicinska produkter färdiga för marknaden.

Samspelet mellan medicin och teknik möjliggör en utveckling av diagnostik för att upptäcka eller övervaka patogener, joner, sjukdomar etc. Idag tillåter integration av snabba framsteg inom områden som mikroelektronik, mikrofluidik, mikrosensorer och biokompatibla material för utvecklingen av implanterbara biodevices sådan som Lab-on-Chip och Point-of-Care enheter ^{2 , 3} . Som ett resultat av kontinuerlig övervakning system finns tillgängliga för att utveckla snabbare och billigare kliniska uppgifter - särskilt jämfört med vanliga metoder. Det är i detta sammanhang som vi presenterar en integrerad front-end-arkitektur för in vivo-detektion.

Biomedicinskt Anordning för in vivo-analys

Det system som infördes i denna uppsats är avsedd att implanteras under huden. De driver och kommunikationen mellan enheten och en extern primary sändaren är baserade på en induktiv länk. Arkitekturen som presenteras är utformad för två olika metoder: att definiera ett sant / falskt larm baserade på antingen amperometriska eller impedans nano-biosensorer. Bland de sjukdomar som kan övervakas av in vivo-analys, det är syftet med denna uppsats att fokusera på diabetes eftersom dess förekomst och utbredning i världen ökar, vilket återspeglar en förändrad livsstil och åldrande befolkningar. Närmare bestämt är detta växande förekomsten är nära förknippad med frågan om fetma, vilket skapar betydande möjligheter som redovisas i World Diabetes marknadsanalys 2010-2025 ⁴ , och i synnerhet eftersom Världshälsoorganisationen uppskattar att antalet diabetiker kommer att överstiga 350 miljoner 2030.

För detta in-vivo implanterbara biomedicinska enhet, har vi också undersöka en ambitiös strategi som täcker hela värdekedjan (från grundforskning, genom teknik och teknik till industrin), den infrastruktur som krävs och konsekvenserna för samhället av dessa och liknande aktuella utmaningarna för . I detta fall är hela värdekedjan värd universitetssystemet, som belyser den sociala omsättningen av offentliga forskningsinvesteringar. Vi anser också i vilken utsträckning den senaste tidens tekniska innovationer inom den biomedicinska industrin har baserats på akademisk forskning, och tidsfördröjningar mellan investeringar i sådana akademiska forskningsprojekt och industriell tillämpning av deras resultat - dvs så att uppskatta sociala graden av återkomst från akademisk forskning. Eftersom resultaten av akademisk forskning är så stor spridning och dess effekter så grundläggande, subtila och utbredd, är det ofta svårt att identifiera och mäta sambandet mellan akademisk forskning och industriella innovationer. Ändå finns det övertygande bevisning, särskilt från branscher som läkemedel, instrument och informationsbehandling, att bidraget från akademisk forskning till industriella innovationer har varit stort ⁵ .

State-of-the-art Innovativa Biomedicinsk enhet

Många olika problem måste lösas med att få den perfekta implantation avsedda produkten ⁶ . Först och främst måste enheten vara biokompatibla att undvika unfavorable reaktioner i kroppen. För det andra måste den medicintekniska ger långsiktig stabilitet, selektivitet, kalibrering, miniatyrisering och upprepning, liksom makten i en nedskalad och bärbar enhet. När det gäller sensorer, etikett-fri el biosensorer är perfekta kandidater på grund av deras låga kostnader, låg strömförbrukning och enkel miniatyrisering. Den senaste utvecklingen i nanobiosensors erbjuda lämpliga tekniska lösningar inom området för glukosmätning ⁷ , graviditet och DNA-test ⁸ . Elektrisk mätning, när målet analyten fångas upp av givaren, kan utnyttja antingen voltmetric, amperometriska eller impedans tekniker. Helst så att enheten ska kunna upptäcka inte bara ett mål agent eller patologi, utan snarare olika aktörer och det bör kunna arbeta i ett slutet kretslopp återkoppling, som beskrivs av Wang ⁹ vid glukosmätning.

Flera biomedicinska produkter för in-vivo-övervakning är för närvarande under utveckling. Därför har mycket stabila, korrekta intramuskulär implanterbara biosensorer för samtidig kontinuerlig övervakning av vävnad laktat och glukos nyligen tagits fram, inklusive en komplett elektrokemisk cell-on-a-chip. I och med den parallella utvecklingen av on-chip potentiostat och signalbehandling, har betydande framsteg gjorts mot ett trådlöst implanterbar glukos / laktat avkänning biochip ¹⁰ . På andra håll, implanterbara bio-mikro-elektromekaniska system (bio-MEMS) för in situ kontroll av blodflödet har utformats. Här var syftet att utveckla en smart trådlös avkänning enhet för icke-invasiv tidigt stenos upptäckt i transplantat hjärtat bypass ¹¹ . Intressant, undersöker denna studie användning av ytbeläggningar i förhållande till biokompatibilitet och de icke-adhesion av blodplättar och beståndsdelar. I detta fall presenterar nanoteknik sig som ett användbart verktyg för att förbättra biokompatibilitet av kisel bio-MEMS strukturer när nanoskala metalliska titan lager används, eftersom den gör biokompatibilitet.

Nästa steg handlar om att utveckla ett konfigurerbart applikationsspecifika integrerade kretsen (ASIC) arbetar med en multiplex utbud av nanosensorer utformad för att vara reaktiv till en uppsättning mål substanser (enzymer, virus, molekyler, kemiska beståndsdelar, molekyler osv.) Flera sensorer av matrisen kan sedan användas för ett specifikt mål, medan andra kedjor kan förberedas för de övriga målen, samtidigt söker en redundant svar. Därför måste en panel av biomarkörer utvecklas. På detta sätt kan reproducerbarhet och noggrannhet förbättras för varje mål, och olika mål kan analyseras samtidigt. Konfigurationen kapacitet ASIC bör definieras i termer av vilken typ av mätning som ska utföras, som i de undersökningar som Hassibi och Lee ¹² och Beach et al. ¹³ : det kunde vara amperometriska, mätning nuvarande variationer och upptäcka tröskelvärden ¹⁴ , eller det kan vara elektrokemiska impedans spektroskopiska, för en fast frekvens, detektera både impedans variationer korsningen tröskelvärden och anomalier. Kombinationen av båda teknikerna av mätning kan användas för att få en mer tillförlitlig metod för upptäckt. Makt och kommunikation är också viktiga egenskaper i utformningen av implantat. Den förstnämnda handlar om metoder för att överföra tillräckligt med energi till de enheter, medan det sistnämnda innebär integration av instrumentering och elektronik kommunikation för att styra sensorer och skicka informationen från sensorerna genom mänsklig hud. Men om upptäckt av vitala tecken eller upptäckter tröskeln är tillräckliga för att övervaka ändamål, är det inte nödvändigt att mäta och skicka rådata med en hög grad av exakthet från användaren till en extern databehandling enhet. I själva verket skulle lokal förädling inom samma sensor minska energiförbrukningen och krav kommunikation.

RF-ström skörd genom induktiv koppling är ett allt vanligare alternativ för att överföra energi till den implanterade enheten, jämfört med att batterier eller kablar ^{15 , 16} . Dessutom tillåter detta alternativ en dubbelriktad kommunikation som skall upprättas mellan den implanterade enheten och en extern bas eller läsaren. Ett antal implanterbara telemetri kretsar baserade på induktiv koppling kan hittas i litteraturen ^{17 , 18 , 19} . Däremot har flera studier utvecklat integrerbara elektronik för in vivo-övervakning. Exempel på detta finns i studierna av Gore et al. ²⁰ , där femtoampere-känslighet ansökningar om conductometric biosensor används, och genom att Haider et al. ²¹ , där en signal processor baserad på en aktuell till frekvensomriktare och en kommunikationsprotokoll presenteras.

Arkitektur implantation avsedda produkten

I detta läge representerar arkitektur presenterade en första strategi för utveckling av applikationer baserade på biosensorer som syftar till att påvisa förekomst eller frånvaro av vissa nivåer av proteiner, antikroppar, joner, syre, glukos, etc. Dessa in vivo-detektering kretsar eller Sant / Falskt program ²⁰ , arbetar som ett larm. När koncentrationen nivå under analys faller utanför en rad accepterade värden, aktiverar ett tröskelvärde larmet. Till exempel i fallet med glukosövervakning skulle upptäcka en tröskel sänkning av blodsockernivån vara obligatorisk för att undvika kritiska situationer som hypoglykemi ^{21 , 22} . En sådan upptäckt skulle uppnås när amplituden på den uppmätta signalen sjunker under ett visst tröskelvärde.

Olika metoder har utvecklats för kontinuerlig övervakning av glukos ²³ . Dessa sträcker sig från kommersiella lösningar som blodsockret testaren marknadsförs av Cygnus Inc. subkutan MiniMed Medtronic och Abbott Inc. lösningar som kontrollerar blodsockret var 3-5 minuter. Dessa enheter, placeras precis under huden, har en styr-och reglerutrustning för att ge insulin och njuta av en autonomi på 3-5 dagar. Lösningar som söker lägsta biologiska effekter så att motstå påväxt inkludera en hämmare (kväveoxid) ²⁴ utöver belagda nålar av typ elektrokemiska sensorer ^{25 , 26 , 27} .

Den generiska implanterbara, front-end-arkitektur är baserad på induktiv koppling för in vivo-övervakning av närvaro eller frånvaro av patogener, joner, syrehalt nivåer, etc.

Fig.1. Uppfattning om den implanterbara enhetens

Systemet i Figur 1 visar en plattform med ett sant / falskt larm för övervakning av olika mål. Uppgifterna överförs till en central databas där alla ingångar kan anpassas för varje patient. De insamlade uppgifterna kan mätas på olika scenarier: när patienten är i vila, att genomföra en viss typ av fysisk aktivitet, mm, beroende på vilket medicinskt intresse, och därmed en korrekt prognos och diagnos kan erhållas ²⁸ . Systemet har ett forskningsprojekt tillämpning i ständig övervakning av patienter som de utför sina dagliga aktiviteter under normala förhållanden (utomhus) och på detta sätt sekundära effekter såsom psykologiska förändringar som orsakas av stress av att vara på ett sjukhus, med okända människor, etc. kan undvikas. Den föreslagna arkitekturen (se Fig.2) är i detta skede analyseras som en tröskel detektor för en sensor, som arbetar amperometriskt och inkluderar on-chip polarisering, det potentiostast att driva biosensor, en konditionering modul, och den modulering och databehandling block. Konditioneringsperioden modulen är utformad för att anpassa sig till nivån på uppmätta signaler. Upptäckten av mål med hjälp av tröskeln metodologin behöver garantera en tillräcklig signal nivå för att garantera en tillräckligt hög signal-brus-förhållande (SNR).

Denna modulering och databehandling block är utformad för att analysera och skicka till den externa läsaren nivåerna den känner. Två olika metoder har definierats: en generisk amperometriska biosensor ansökan och en impedans biosensor, för etikett-free-system, baserat på en integrerad analog lås-förstärkare, som kommer att gå vidare med analog behandling på sensorn för att upptäcka och överföring. För det framtida genomförandet, kommer denna modul utformas så att den kan konfigureras om.

För att validera det första förslaget (amperometriska), har en helt specialanpassade IC utformats med flera moduler av arkitektur och en PCB-transponder antenn (30mm x 15mm), anpassas till 13.56MHz, att ge kraft och kommunikationslänken. Konstruktionen innehåller även en integrerad analog lock-in förstärkare vid impedans upptäckt.

Förslaget till generiska implanterbara arkitektur presenteras i figur. 2. Den består av en nanobiosensor, en antenn och den elektroniska moduler.

Fig.2. Föreslagna generiska implanterbara front-end-arkitektur.

nanobiosensor eller Nanosensorn definieras i allmänhet som en nanometer storlekstabellen Mätsystemet består av en sond med en känslig biologisk erkännande element, eller bioreceptor, en fysikalisk-detektor komponent, och en givare i mellan. Två typer av nanosensorer med potentiella medicinska tillämpningar är fribärande mängd sensorer och nanorör / nanowire sensorer och nanobiosensors, som kan användas för att testa nanolitres eller mindre blod för ett brett spektrum av biomarkörer. I vårt arbete har en nanobiosensor med tre elektroder valts ut för att förklara och utveckla systemet. Dess topologi kan lätt anpassas för alla typer av givare. De tre elektroder som utgör sensorn är: a) arbetstiden elektroden (W), som fungerar som en yta på med elektrokemisk reaktion sker, b) referenselektrod (R), som mäter den potentiella på W elektroden och c) extraanställd eller disk elektrod (A / C), som levererar det nuvarande krävs för elektrokemisk reaktion på W elektroden.

Systemet är utformat som en trådlös strömförsörjning aktiv RFID-tagg ^{29 , 30} där induktivt kopplad länken genereras av implanterbara och den externa antennen, kan leverera tillräckligt med energi för att driva hela systemet och för att ge trådlös dubbelriktad kommunikation genom mänsklig hud . Således kan överföra den information som erhållits genom nanobiosensor och ta emot data från den externa läsaren som i sin tur kan konfigurera inopererade elektroniken och läsa den förvärvade data.

Valet av Nanobiosensor

Den mest lovande lösningen för en effektiv nanobiosensor innebär att använda den elektrokemiska impedans spektroskopi (EIS) teknik. EIS är en mer effektiv metod för att sondera gränskiktsvetenskap egenskaper ändrade elektroden genom att mäta förändringen i elektronöverföring motstånd på elektroden ytan på grund av adsorption och desorption av kemiska eller biologiska molekyler. Flera studier har publicerats om detta ämne. Den klassiska metoden är ELISA-testet ³¹ , baserat på användning av halvledande polymerer och användning av EIS-tekniken, medan polystyren (PS) är den typiska isolerande polymer som används inom biomedicinsk forskning.

En mycket omtalade ansökan är glukos Biosensor ^{32 , 33 , 34} , som är baserad på elektronöverföring som inträffar under den enzymatiska minskning av glukos. Under senare år har flera studier publicerats inom detta område, inklusive Patel et al. ³⁵ som uppvisar en elektro-enzymatisk glukossensorn. Andra intressanta studier tillhandahålls av Huang et al. (2009), som introducerar ett kapacitivt baserad sensor MEMS affinitet för kontinuerlig applikationer glukosmätning, Teymoori, Mir Majid et al, som beskriver en MEMS för glukos och andra generiska sensorer med medicinska tillämpningar;. Och Rodrigues et al. ³⁶ , som utvecklat ett nya cellbaserade biochip tillägnad realtidsövervakning av övergående effluxes av glukos och syre, med hjälp av kedjor av amperometriska mikrosensorer integrerade i inloppet och utloppet från ett PDMS cell kammare. En komplett design tillhandahålls av Rahman et al. ³⁷ , som presenterar design, mikrofabrikation, förpackning, yta funktionalisering och in vitro-test av en komplett elektrokemisk cell-on-a-chip (ECC) för kontinuerlig amperometriska kontroll av glukos, som utför cykliska voltammetry, elektrisk impedans spektroskopi (EIS) och mikroskopisk undersökning.

Olika exempel på utvecklingen av nanosensorer för tillämpning inom detta område rapporteras av Usman Ali et al. ³⁸ . Här ZnO Nanotrådar används för en GCM ansökan direkt ansluten till porten av en standard lågtröskelvård MOSFET. Lee et al. ³⁹ utforma en flexibel enzym-fri glukos mikro-sensor med en nanoporösa platina arbetar elektrod på en biokompatibla PET-film. Goud et al. ⁴⁰ införa ett nanobioelectronic System-on-paket (SOP) med en integrerad glukossensorn baserade på kol-nanorör arbetar elektroder. . Jining Xie et al ⁴¹ tyder på platina nanopartiklar belagda kolnanorör för amperometriska glukos biosensing, och Ekanayake et al. ⁴² beskriver tillverkning och karakterisering av en ny nano-porösa polypyrrole (PpY) elektroden och dess tillämpning i amperometriska biosensorer, med förbättrade egenskaper för glukos avkänning.

Nanobioteknik och nanomedicin

Vetenskapliga riktlinjer och Global Investment

Tillgången på in vivo biomedicinska enheter, t.ex. den som beskrivs ovan, är nära kopplat till framsteg inom nanobioteknik. Nanoteknik förväntas få en snabb effekt på samhället ⁴³ : skapa framtida ekonomiska scenarier stimulerar produktivitet och konkurrenskraft, konvergerande teknik och främja nya utbildning och mänsklig utveckling. Belägg för detta snabba effekterna av nanoteknik kan ses i siffror offentliga investeringar för nanoteknik FoU aktiviteter, faciliteter och arbetskraftens utbildning. I 2008 US National Nanotechnology Initiative budget begäran om nanoteknik FoU inom den federala regeringen var över US $ 1440000000 (NNI, 2007). I Europa kommer det sjunde ramprogrammet (FP) bidra med cirka € 600 miljoner euro per år till nanoteknik forskning fram till 2013, med ett ytterligare, liknande belopp som tillhandahålls av enskilda länder. Detta ger Europa en större årliga utgifter på nanoteknologi än USA eller Japan ⁴⁴ .

Inom ramen för den europeiska politiken, är N & N ett viktigt område för Europeiska kommissionen: det sjunde ramprogrammet (2007-2013) innehåller ett särskilt program för nanovetenskap, nanoteknik, material och ny produktionsteknik med en budget på € 3,475 miljoner euro (10,72% av det sjunde ramprogrammets totala budgeten). Dessutom finns flera särskilda program inblandade i nanoskala forskning, och därmed den totala budgeten investeras i nanoactivities kommer att höjas med flera tusen € miljoner (MEUR) kommer från följande program: Hälsa (6 100 MEUR), livsmedel, jordbruk och bioteknik ( 1 935 MEUR), IKT (9 050 miljoner euro) och energi (2 350 MEUR)

Nano-relaterade artiklar och patent

Flera översikter och jämförande studier av den globala expansionen av nanopublications och nanopatents finns ^{45 , 46 , 47} . Vetenskapliga artiklar och patent inom nanoteknik branschen har vuxit exponentiellt under de senaste två decennierna. Den relativa ökningen av antalet "nano-title-papers" i olika bibliografiska databaser, dvs ökningen av antalet "nano-title-papper" som andel av alla papper har varit dramatisk: om vi tar Index Science Citation som vara representativt för alla vetenskaper (om än att kemi är något underrepresenterade), andelen "nano-title-papper" ökade från 1985 till mitten av 2003 med ca 1,2% med en genomsnittlig årlig tillväxt på omkring 34%, vilket innebär att har fördubblats varje 2,35 år. Sedan mitten av 1990-talet hastigheten har avtagit något till en årlig tillväxttakt på ca 25% (en fördubbling vart 3,1 år) ⁴⁸ .

År 2007 över 15.000 nanovetenskap och nanoteknik-relaterade artiklar har publicerats, och det finns nu intensiv aktivitet när det gäller immateriella rättigheter (IP) - ägandet av innovationer, uppfinningar, idéer och kreativitet - i nanoskala området. Nanoteknik ökar övergången till en kunskapsbaserad ekonomi och så immateriella rättigheter är i stånd att öka välstånd, tillväxt och utveckling över hela världen ⁴⁹ . Flera rapporter har försökt att kartlägga nano-relaterade patent ⁵⁰ , och siffror för nanoteknik-relaterade IP är häpnadsväckande. I det europeiska patentverket ett nanoteknik arbetsgrupp (NTWG) bildades 2003 och 90.000 patent taggade till klass Y01N. Andelen nanoteknik patent mer än fördubblats mellan mitten av 1990-talet och mitten av 2000-talet (USA 40%, Japan 19% och Tyskland 10%). Kompendiet av patentstatistik 2007 ⁵¹ p rovides internationellt jämförbara data om patent.

Före 1980 var 250 nanoteknik-relaterade patent årligen till universitet över hela världen, men 2003 hade antalet ökat 16-faldigt till 3993 patent, som har ansökt om de grundläggande byggstenarna, material och verktyg som krävs för att utveckla denna teknik. Det amerikanska patentverket har mottagit ansökningar om sammansättning av materia, enheter, apparater, system och kontroll av nanomaterial och enheter, och metoder. Branschövergripande patentkrav görs för ensamstående nanoskala innovationer som kan ha olika tillämpningar. Således har ansökningar har identifierats i stora patent klasser såsom el, mänskliga behov, kemi och metallurgi, arbetsmetoder och transport, mekanik, fysik, fast konstruktion, tyger och papper. För att analysera effekterna på den industriella sektorn, har OECD kategoriserat nanoteknik patent i sex tillämpningsområden: Elektronik, optoelektronik, medicin och bioteknik, Mått och tillverkning, miljö och energi, och nanomaterial.

Eftersom forskning av Miyazakia ⁵² avslöjade, universitet står för en särskilt stor del av forskningen inom nanoteknik (motsvarande 70,45% av nanoteknik forskning över hela världen). I detta är de kompletteras med offentliga forskningsinstitut (som står för 22,22% av artiklar). Därför uppskattas det att universiteten nu har 70% av viktiga nanoteknik patent. Den privata sektorn spelar en mer begränsad roll (7,33% av artiklar globalt), men det är en mer framträdande aktör i USA (12,41%). I Asien har Japan en stor andel (12,30%) i den privata sektorn, medan Sydkorea (8,25%) och i mindre utsträckning Indien (3,52%) konkurrera med Japan. I framtiden är nanoteknik utveckling sannolikt kommer att flytta från stora offentligt finansierade organisationer och universitet till små nystartade företag som försöker utnyttja de tidigare offentligt finansierade forskningsinsatser för att generera den första kommersiella tillämpningar, på ett liknande sätt till vad vi har sett i den biotekniska industrin.

Forskning Utmaningar för Nanobiotechnologies

Nanobioteknik är ett snabbt växande område av vetenskapliga och tekniska möjligheter som ger framsteg inom livsmedelsindustrin, energi, miljö och medicin. Inom nanomedicin finns det ett brett spektrum av tekniker som kan tillämpas på medicintekniska produkter, material, rutiner och metoder behandling. En närmare titt på nanomedicin identifierar en sådan ny nanomedical tekniker som nanosurgery, vävnadsteknik, nanopartiklar-aktiverade diagnostik och målstyrning av läkemedel. Enligt en expertgrupp inom Europeiska läkemedelsmyndigheten (EMEA), majoriteten av dagens kommersiella tillämpningar av nanoteknik till medicin åt drug delivery. Fler nya nanotekniska tillämpningar inkluderar vävnad ersättare, transport över biologiska barriärer, fjärrkontroll av nanoprobes, integrerade implanterbara sensoriska nanoelektroniska system och multifunktionella kemiska strukturer för inriktning av sjukdom. Således kan nanobioteknik ge inte bara miniatyrisering av implanterbara biomedicinska enheter (mikrofluidik, mikroelektronik, etc) men också tillförlitliga multifunktionella arrayer för sjukdom upptäckt. Det finns nog inget bättre exempel på den tekniska konvergensen av top-down (miniatyrisering) och bottom-up (design och skapandet av nya funktionella strukturer) strategier, som syftar till den punkt av jämvikt där tekniska framsteg och marknadens krav kan mötas.

Slutligen har det hävdats att den nuvarande nanoskala forskning visar inget särskilt mönster och grad av tvärvetenskaplighet och att dess skenbara tvärvetenskapliga består av olika, främst mono tvärvetenskapliga områden som är ganska oberoende av varandra och som har lite mer gemensamt än prefixet " nano " ⁴⁸ . Vid denna punkt kan diskussionen om diskontinuerliga eller inkrementella aspekter av nanoteknik uppstår i innovation och tekniköverföring process. Baserat på empiriska resultaten av den undersökning som Nikulainen och Palmberg ⁵³ verkar det som, just nu finns det ingen anledning för nano-specifika relaterade tekniköverföring initiativ. Denna slutsats kan ändå måste tas upp igen om nanoteknik blir mer radikala och diskontinuerliga. Idag är kemister utveckla läkemedel, reaktorer och katalysatorer arbetar på nanonivå, som de har i många år, trots att de bara hänvisa till sitt arbete som kemi. Visst, beslutsfattare måste ta hänsyn till relevanta miljö-, hälso-och säkerhetsfrågor genom att sätta normer och tillämpningsföreskrifter för att underlätta spridning av nanoteknik.

Slutsatser och slutliga rekommendationer som

I detta papper har utformningen av en allmän in-vivo implanterbara biomedicinska enhet kan upptäcka tröskelvärden för riktade koncentrationer (dvs. upptäckt av glukosnivåer) lagts fram. Med tanke på den hastighet med vilken diabetes kan sprida sig och de förbättringar som är möjliga i sin diagnos och kontroll om nålfri system finns tillgängliga, är den medicintekniska införas i detta papper som är avsett för att nå en stor marknad under de närmaste åren. Dessutom, när hela värdekedjan är offentligt finansierad, innebär detta att målen för tekniköverföring från universitet till näringsliv och den sociala avkastning på de offentliga investeringarna har till fullo insett. Således kan en framgångsrik modell för forskning, innovation och tekniköverföring införs för att ett visst scenario som kännetecknas av sammansmältningen av tekniker och discipliner samt av konvergens mellan olika intressenter kombinera representanter från forskning, sjukhus, marknad, politik centra och medborgare.

Den kompletta översikten ges här av värdekedjan för forskning och teknik processer överföra belyser vikten av en gemensam ram inom vilken multidisciplinära team och organisationer kan arbeta tillsammans i regi av fastställda vetenskapliga ledarskap. I detta specifika fall har institutionen för elektronik vid universitetet i Barcelona hade det övergripande ansvaret för forskning och kommersialisering. Den resulterande biomedicinska enheten är nano-aktiverad i dubbel bemärkelse: när miniaturizing systemet (Fluidics, elektroniska-, energi-självständighet) och när nya funktionella strukturer ingår (nanobiosensors utvecklats av IBEC). Den CIBER-mark går med i värdekedjan när klinisk forskning och kommersialisering bedöms. Fortfarande en ny teknik, kommer den framtida ASIC arbeta med en rad nanobiosensors med olika mål, och det kommer att definiera konfiguration av mätmetod. Varje samling kommer att användas för att upptäcka en viss typ av mål, och det multiplexade systemet kommer att användas för att analysera varje samling med fokus på ett särskilt mål. Sedan kan top-down tillvägagångssätt med nanoteknologi och nanofabrikation och bottom up-metoder med hjälp supramolekylärkemi producera nya diagnostik som alltmer kommer att fokusera på att leverera en anpassad lösning baserad på en analys av array data i realtid och i förekommande fall, tillämpa detta beslut för att leverera en automatiserad behandling (theranostics).

Sammanfattningsvis, trots den något begränsade tillgången till information att diskutera säkerheten för medicinska nanomaterial, som är fallet historia som presenteras i detta dokument en tydlig demonstration av hur man kan stärka banden mellan, vetenskapssamhället sjukhus och industri. Den process som beskrivs erbjuder en effektiv metod för att utföra experiment i stort test och kliniska resurser inom en innovativ ram som tar nytta av nya vetenskapliga verktyg och upptäckter. Biomedicinsk utrustning utgör en strategisk spela för framtiden för Spaniens vetenskapliga och tekniska områden som de söker snabbare ekonomisk tillväxt inom det kunskapsbaserade samhället. På så sätt kan regionerna i landet stärka nätverket mellan sina FoU-agenter - vetenskaps-och teknikparker, institut och forskningscentra, sjukhus, teknikplattformar och inkubatorer - som de utforska och konfrontera de nya vetenskapliga och marknadens utmaningar som nanoteknik liv vetenskaper.

Referenser

1. Fuji-Keizai USA, 2007. Worldwide Market Research: Nanoteknikbaserade produktmarknad och affärsmöjligheter, nuvarande och framtida Outlook.
2. E.Ghafar-Zadeh, E., M. Sawan, M., 2008. Mot Fullständigt integrerad CMOS Baserat kapacitiv givare för Lab-on-Chip Applications. Internationell workshop om medicinsk mätteknik och program. 9 (10), 77-80.
3. Barretino, D., 2006. Design överväganden och senaste framstegen inom CMOS-baserad mikrosystem för point-of-care klinisk diagnostik. Proceedings of IEEE International Symposium on kretsar och system, 4362-4365.
4. Visiongain Ltd, 2010. http://www.visiongain.com/Report/453/World-Diabetes-Market-Analysis-2010-2025 (anslöt sig: 2010/04/14)
5. Mansfield, E., 1991. Akademisk forskning och industriella innovationer. Forskningspolitiska 20, 1-12.
6. Sadik, OA, Aluoch, AO, Zhou, A., 2009. Status för biomolekylära erkännande med hjälp av elektrokemiska metoder. Biosensorer och Bioelektronik 24, 2749-2765.
7. Nim Choi, H., Hoon Han, J., Park, A., Mi Lee, J., Won-Yong, L., 2007. Amperometriska Glukos Biosensor Baserat på Glukosoxidas inkapslade i Nanorör-Titania-Nafion Composite Film på Platinerade Glassy Carbon elektrod. Electroanalysis 19 (17), 1757-1763.
8. Erdem, A., Karadeniz, H., Caliskan, A., 2009. Enkel vägg kolnanorör Ändrad Grafitelektroder för elektrokemiska Övervakning av Nucleis Syror och Interaktioner biomolekylär. Electroanalysis 21 (3-5), 461-471.
9. Wang, J., 2008. In vivo glukosmätning: Mot "Sense and Act" feedback-loop individualiserade medicinska system ", 75 Talanta, 636-641.
10. Rub, A., Rahman, A., Justin, G., Guiseppi-Elie, A., 2009. Mot en implanterbar biochip för glukos och laktat övervakning med microdisc elektrod kedjor (MDEAs). Biomed mikrokomponent 11, 75-85. DOI 10.1007/s10544-008-9211-6
11. Steeves, CA, Young, YL, Liu, Z., Bapat, A., Bhalerao, K., Soboyejo, Åbo, Soboyejo, WO, 2007. Membran tjocklek design av implanterbara bio-MEMS sensorer för in-situ övervakning av blod flor. The Journal of Materials Science: Material i Medicin 18, 25-37. DOI 10.1007/s10856-006-0659-8
12. Hassibi, A., Lee, TH, 2006. En Programmerbar 0,18-ìm CMOS elektrokemisk sensor Microarray för biomolekylär detektion. IEEE Sensors Journal 6 (6), 1380-1388.
13. Strand, RD, Conlan, RW, Godwin, MC, Moussy, F., 2005. Mot en miniatyr implanterbara In Vivo Telemetri Monitoring System dynamiskt konfigureras som en Potentiostat eller Galvanostat för två-och tre-elektrod biosensorer. IEEE Tran. På Instrumentation and Measurement 54 (1), 61-72.
14. Gosselin, B., Sawan, M., 2008. En extremt strömsnåla CMOS aktionspotentialens detektor. Proceedings of IEEE International Symposium on kretsar och system, 2733-2736.
15. Zierhofer, CM, Hachmair, ES, 1996. Geometrisk metod för koppling förbättring av magnetiskt kopplade spolar. IEEE Tran. På Medicinsk teknik 43, 708-714.
16. Sawan, M., Yamu, H., Coulombe, J., 2005. Trådlös smarta implantat tillägnad flerkanalig övervakning och microstimulation. IEEE kretsar och system Magasin 5, 21-39.
17. Sauer, C., Stanacevic, M., Cauwenberhs, G., Thakor, N., 2005. Kraft skörd och telemetri i CMOS för implantat. IEEE övers. på kretsar och system 52 (12), 2605-2613.
18. Li, Y., Liu, J., 2005. En 13.56MHz RFID transponder front-end med sammanfogade belastning modulering och spänning Doubler-fastspänning likriktare kretsar. IEEE International Symposium on kretsar och system, 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. Ett induktivt-kopplade 64b organisk RFID-tagg kan arbeta vid 13,56 MHz med en datahastighet på 787b / s. IEEE International Solid-State Circuits Conference, 290-614.
20. Gore, A., Chakrabartty, S., Pal, S., Alocilja, E., 2006. En flerkanals femtoampere-känslighet conductometric array för biosensing applikationer. 28:e IEEE Engineering i medicin och biologi Science Conference, 6489-6492.
21. Haider, MR, islam, SK, Zhang, M., 2007. En strömsnål processor för in vivo-kontroll och överföring av sensor signaler. Givare och omvandlare Journal 84 (10), 1625-1632.
22. Wolpert, HA, 2007. Användning av kontinuerlig glukosmätning i att upptäcka och förebygga hypoglykemi. Journal of Diabetes vetenskap och teknik 11 (1), 146-150.
23. Newman, JD, Turner, APF, 2005. Hem blodsockret biosensorer: ett kommersiellt perspektiv. Biosensorer och Bioelectronic 20, 2435-2453.
24. Frost, M., Meyerhoff, ME, 2006. In Vivo kemiska sensorer: Att bekämpa biokompatibilitet. Analytisk kemi 78 (21), 7370-7377.
25. Jung, MW, Kim, DW, Jeong, RA, Kim, HC, 2004. Nål-typ Multi-elektrod Array tillverkas genom MEMS-teknik för Hypodermic system för kontinuerlig glukosmätning. Rättegångarna vid den internationella konferensen EMBS, 1987-1989.
26. Zimmermann, S., Fienbork, D., Stoeber, B., flundror, AW, Liepmann, D., 2003. En microneedle-baserad glukos Monitor: tillverkning på en wafer-nivå med hjälp av i-enhet enzym immobilisering. Proc.Internatioal Konferens om Solid-state givare, ställdon och Microsystems, 99-102.
27. Kim, YT, Kim, Y.-Y., juni, C.-H., 1999. Nål-formade glukossensorn med multi-cell elektrod tillverkas genom ytan mikrobearbetning. Proc. SPICE, Design, testa och mikrofabrikation av MEMS och MOEMS 3680, 924-930.
28. Lin Tan, E., Pereles, BD, Horton, B., Shao, R., Zourob, M., Ghee Ong, K., 2008. Implanterbara biosensorer för realtid Sila och Pressure Monitoring. Sensorer 8, ,6396-6406.
29. Lin, Y., Su, M., Chen, S., Wang, S., Lin, C., Chen, H., 2007. En studie av allestädes närvarande skärm med RFID i en äldre vårdhem. IEEE International Conference on Multimedia och vardagens Engineering.
30. Tesoriero, R., Gallus, JA, Lozano, M., Penichet, VMR, 2008. Använda aktiva och passiva RFID-teknik för att stödja inomhus platsmedvetna systemet. IEEE övers. på Consumer Electronics 54 (2), 578-583.
31. Cantarero, LA, Butler, JE, Osborne, JW, 1980. Den adsorptiva egenskaperna hos proteiner för polystyren och deras betydelse i fast fas immunanalys. Anal. Biochem. 105, 375-382.
32. Hiller, M., Kranz, C., Huber, J., Bauerle, P., Schuhmann, W., 1996. Amperometriska biosensorer som produceras av fixering av redoxenzymer på polythiophene-modifierade elektrod ytor. Adv. Mater. 8, 219-222.
33. Kros, A., Van Hovell, WFM, Sommerdijk, Najm, Nolte, RJM, 2001. Poly (3, 4-thylenedioxythiophene)-baserade glukos biosensorer. Adv. Mater. 13, 1555-1557.
34. Fiorito, PA, De Torresi, SIC, 2001. Glukos amperometriska biosensor baserad på co-fixering av glukos oxidas (Gox) och ferrocen i poly (Pyrrole) genereras från etanol / vatten blandningar. J. Braz. Chem. Soc. 12, 729-733.
35. Patel, JN, Kaminska, B., Gray, B., Gates, BD, 2007. Electro-enzymatisk glukossensor Använda Hybrid Polymer tillverkningsprocessen. Elektronik, kretsar och system, ICECS 2007-14:e IEEE International Conference, 403-406.
36. Rodrigues, NP, Kimura, H., Sakai, Y., Fujii, T., 2007. Cellbaserade Mikroflödessystem biochip för elektrokemiska realtidsövervakning av glukos och syre, Solid-State givare, ställdon och Microsystems konferensen, 843-846.
37. Rahman, ARA, Justin, G., Guiseppi-Wilson, A., Guiseppi-Elie, A., 2009. Tillverkning och förpackning av en Dual Sensing Elektrokemiska Biotransducer för glukos och laktat Användbart i Intramuskulär Fysiologiska statusövervakning. Sensorer tidskrift, IEEE Volym 9 (12), 1856-1863.
38. Usman Ali, SM, Nur, O., Willander, M., Danielsson, B., 2009. Glukos Detection med en kommersiell MOSFET med ett ZnO Nanotrådar Extended Gate. IEEE Transactions on Nanoteknik 8 (6), 678-683.
39. Lee, YJ, Kim, JD, Park, JY, 2009. Flexibelt enzym fri glukos mikro-sensor för kontinuerlig övervakning applikationer. Solid-State givare, ställdon och Microsystems Konferens-GIVARE 2009, 1806-1809.
40. Goud, JD, Raj, PM, Jin Liu, Narayan, R., Iyer, M., Tummala, R., 2007. Elektrokemiska Biosensorer och Mikrofluidik i organisk System-on-paket Technology. Protokoll från elektroniska komponenter och Technology Conference-ECTC2007, 1550-1555.
41. Jining Xie, Shouyan Wang, Aryasomayajula, L., Varadan, VK, 2007. Material och elektrokemiska studier av platina nanopartiklar belagda kolnanorör för biosensing. Nanoteknik, 2007. IEEE-NANO2007, 1077-1080.
42. Ekanayake, EMI, Preethichandra, DMG, Kaneto, K., 2007. Tillverkning och karakterisering av nanostrukturerade ledande polymer elektroder för applikationer glukos Biosensor. Industri-och informationssystem-ICIIS2007, 63 - 66.
43. Roco MC, Bainbridge WS, 2005. Sociala konsekvenser av nanovetenskap och nanoteknik: Att maximera mänsklig nytta. Journal av nanopartiklar forskning 7, 1-13.
44. Swarup A., 2007. Hur kommer Nanotech Fare i Europa?. http://sciencecareers. sciencemag.org/career_development/previous_issues/articles/2007_09_21/caredit_a0700136
45. Heinze, T., 2004. Nanovetenskap och nanoteknik i Europa: Analys av publikationer och patentansökningar inbegripet jämförelser med USA. Nanoteknologi Law & Business 1 (4), artikel 10.
46. Braun, T. Schubert, A., Zsindely, S., 1997. Nanovetenskap och nanoteknik på balansen. Scientometrics 38 (2), 321.
47. Hullmann, A., Meyer, M., 2003. Publikationer och patent inom nanoteknik: En översikt av tidigare studier och State of the Art. Scientometrics 58, 507.
48. Schummer, J., 2004. Tvärvetenskaplighet, tvärvetenskaplighet, och mönster för forskningssamarbete inom nanovetenskap och nanoteknik. Scientometrics 59 (3), 425-465.
49. Aditeya, Singh K., 2007. Intellectual Property i Nanoteknik ekonomi: trender, patent landskap och utmaningar. Institutet för nanoteknik, Storbritannien
50. Scheu, M. Veefkind, V., Verbandt, Y., Molina Galan, E., Absaloma, R., Förster, W., 2006. Kartläggning nanoteknik patent: EPO strategi. Världspatent Information 28 (3) 204-211, doi: 10.1016/j.wpi.2006.03.005
51. Dernis, H., 2007. Kompendium över patentstatistik 2007. STI OECD Paris, www.oecd.org / sti / IPR-statistik
52. Miyazaki, K., islam, N., 2007. Nanoteknologi innovationssystem-En analys av industri och akademi forskningsverksamhet. Technovation 27 (11), 661-675.
53. Nikulainen T., Palmberg C., 2010. Överföring av vetenskapligt baserade teknik till industrin-Har nanoteknik göra en skillnad?. Technovation 30, 3-11.

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org