الهندسة البيولوجية

الهندسة البيولوجية هي تطبيق مبادئ علم الأحياء وأدوات الهندسة لإنتاج منتجات قابلة للاستخدام وملموسة ومجدية اقتصاديًا. [ ^{1 ] تستفيد} الهندسة البيولوجية من المعرفة والخبرة في عدد من العلوم الأساسية والتطبيقية، ^{[ 2 ]} مثل انتقال الكتلة والحرارة ، والحركية ، والمحفزات الحيوية ، والميكانيكا الحيوية ، والمعلوماتية الحيوية ، وعمليات الفصل والتنقية ، وتصميم المفاعلات الحيوية ، وعلم الأسطح ، وميكانيكا الموائع ، والديناميكا الحرارية ، وعلم البوليمرات . وتُستخدم في تصميم الأجهزة الطبية ، ومعدات التشخيص ، والمواد المتوافقة حيويًا ، والطاقة المتجددة، والهندسة البيئية، والهندسة الزراعية، وهندسة العمليات والحفز ، وغيرها من المجالات التي تُحسّن مستويات معيشة المجتمعات .

تشمل أمثلة أبحاث الهندسة الحيوية البكتيريا المعدلة وراثيًا لإنتاج مواد كيميائية، وتقنيات التصوير الطبي الجديدة ، وأجهزة التشخيص المحمولة والسريعة للأمراض ، والأطراف الاصطناعية ، والمستحضرات الصيدلانية الحيوية ، والأعضاء المُهندسة نسيجيًا . ^{[ 3 ] [ 4 ]} تتداخل الهندسة الحيوية بشكل كبير مع التكنولوجيا الحيوية والعلوم الطبية الحيوية بطريقة مماثلة لكيفية ارتباط أشكال أخرى من الهندسة والتكنولوجيا بعلوم أخرى (مثل هندسة الطيران وتكنولوجيا الفضاء الأخرى بعلم الحركة وعلم الفيزياء الفلكية ).

يسعى مهندسو الأحياء عمومًا إلى محاكاة الأنظمة البيولوجية لإنتاج منتجات أو تعديلها والتحكم بها. وبالتعاون مع الأطباء والباحثين، يستخدم مهندسو الأحياء مبادئ وتقنيات الهندسة التقليدية لمعالجة العمليات البيولوجية، بما في ذلك طرق استبدال العمليات الكيميائية والميكانيكية أو تعزيزها أو الحفاظ عليها أو التنبؤ بها. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

الهندسة البيولوجية هي تخصص علمي قائم على العلوم البيولوجية، على غرار الهندسة الكيميائية والهندسة الكهربائية والهندسة الميكانيكية ^{[ 7 ]} التي يمكن أن تستند إلى الكيمياء والكهرباء والمغناطيسية والميكانيكا الكلاسيكية على التوالي. ^{[ 8 ]}

بدأ الاعتراف بالهندسة الحيوية كفرع من فروع الهندسة، وكان مفهومًا جديدًا آنذاك. بعد الحرب العالمية الثانية، شهدت نموًا متسارعًا، وصاغ العالم والمذيع البريطاني هاينز وولف مصطلح "الهندسة الحيوية" عام ١٩٥٤ في المعهد الوطني للبحوث الطبية . تخرج وولف في ذلك العام، وأصبح مديرًا لقسم الهندسة الحيوية في جامعة أكسفورد . وكانت هذه المرة الأولى التي تُعترف فيها الهندسة الحيوية كفرع مستقل في إحدى الجامعات. في البداية، انصبّ التركيز في هذا التخصص على الهندسة الكهربائية نظرًا للعمل على الأجهزة والآلات الطبية خلال تلك الفترة. ^{[ ٩ ]}

عندما بدأ المهندسون وعلماء الأحياء العمل معًا، أدركوا أن المهندسين لا يملكون معرفة كافية بالأسس البيولوجية الكامنة وراء عملهم. ولحل هذه المشكلة، كرّس المهندسون الراغبون في التخصص في الهندسة البيولوجية وقتًا أطول لدراسة عمليات علم الأحياء وعلم النفس والطب. ^{[ 10 ]}

في الآونة الأخيرة، شاع استخدام مصطلح الهندسة البيولوجية لوصف التعديلات البيئية، مثل حماية التربة السطحية ، وتثبيت المنحدرات ، وحماية المجاري المائية والشواطئ، ومصدات الرياح ، والحواجز النباتية بما فيها حواجز الضوضاء والشاشات البصرية، والتحسين البيئي للمنطقة. ولأن تخصصات هندسية أخرى تتناول الكائنات الحية أيضاً ، يمكن توسيع نطاق استخدام مصطلح الهندسة البيولوجية ليشمل الهندسة الزراعية .

بدأ أول برنامج للهندسة البيولوجية في الولايات المتحدة في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو عام 1966. ^{[ 11 ]} وقد أُطلقت برامج أحدث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ^{[ 12 ]} وجامعة ولاية يوتا . ^{[ 13 ]} وقد أعادت العديد من أقسام الهندسة الزراعية القديمة في الجامعات حول العالم تسمية نفسها لتصبح الهندسة الزراعية والبيولوجية أو الهندسة الزراعية والبيولوجية . ووفقًا للبروفيسور دوغ لوفنبرغر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ^{[ 12 ] [ 14 ]} فإن للهندسة البيولوجية قاعدة واسعة تُطبّق مبادئ الهندسة على نطاق هائل من أحجام وتعقيدات الأنظمة، بدءًا من المستوى الجزيئي ( علم الأحياء الجزيئي ، والكيمياء الحيوية ، وعلم الأحياء الدقيقة ، وعلم الأدوية ، وكيمياء البروتين ، وعلم الخلايا ، وعلم المناعة ، وعلم الأحياء العصبية ، وعلم الأعصاب ) إلى الأنظمة الخلوية والنسيجية (بما في ذلك الأجهزة والمستشعرات)، وصولًا إلى الكائنات الحية الكبيرة (النباتات والحيوانات)، وحتى المناطق الأحيائية والنظم البيئية.

يبلغ متوسط ​​مدة الدراسة من ثلاث إلى خمس سنوات، ويُمنح الطالب بعد التخرج درجة بكالوريوس في الهندسة. تشمل المقررات الأساسية الديناميكا الحرارية، والميكانيكا الحيوية، وعلم الأحياء، والهندسة الوراثية، وديناميكا الموائع والميكانيكا، والحركية الكيميائية والإنزيمية، والإلكترونيات، وخواص المواد. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

اعتمادًا على المؤسسة والحدود التعريفية المحددة المستخدمة، يمكن تصنيف بعض الفروع الرئيسية للهندسة الحيوية على النحو التالي (لاحظ أن هذه قد تتداخل):

• الهندسة الطبية الحيوية : تطبيق مبادئ الهندسة ومفاهيم التصميم على الطب وعلم الأحياء لأغراض الرعاية الصحية. ^{[ 17 ]}
  • هندسة الأنسجة
  • الهندسة العصبية
  • الهندسة الصيدلانية
  • الهندسة السريرية
  • الميكانيكا الحيوية
• الهندسة الكيميائية الحيوية : هندسة التخمير، تطبيق المبادئ الهندسية على الأنظمة البيولوجية المجهرية المستخدمة لإنشاء منتجات جديدة عن طريق التخليق، بما في ذلك إنتاج البروتين من المواد الخام المناسبة. ^{[ 17 ]}
• هندسة النظم البيولوجية : تطبيق مبادئ الهندسة ومفاهيم التصميم على الزراعة وعلوم الأغذية والنظم البيئية. ^{[ 7 ]}
• هندسة العمليات الحيوية : تطوير التكنولوجيا لمراقبة ظروف مكان حدوث عملية معينة، ^{[ 17 ]} (مثال: تصميم العمليات الحيوية، التحفيز الحيوي ، الفصل الحيوي، الطاقة الحيوية )
• هندسة الصحة البيئية : تطبيق المبادئ الهندسية للتحكم في البيئة من أجل صحة الإنسان وراحته وسلامته. وتشمل مجال أنظمة دعم الحياة لاستكشاف الفضاء الخارجي والمحيطات. ^{[ 17 ]}
• هندسة العوامل البشرية وبيئة العمل : تطبيق الهندسة وعلم وظائف الأعضاء وعلم النفس لتحسين العلاقة بين الإنسان والآلة. ^{[ 17 ]} (مثال: بيئة العمل الفيزيائية ، بيئة العمل المعرفية ، التفاعل بين الإنسان والحاسوب )
• التقنية الحيوية : استخدام الأنظمة الحية والكائنات الحية لتطوير أو إنتاج المنتجات. ^{[ 18 ]} (مثال: المستحضرات الصيدلانية، المعلوماتية الحيوية ، الهندسة الوراثية .) ^{[ 17 ]}
• المحاكاة الحيوية : تقليد النماذج والأنظمة والعناصر الطبيعية لحل المشكلات البشرية المعقدة. (مثال: الفيلكرو، الذي صُمم بعد أن لاحظ جورج دي ميسترال مدى سهولة التصاق الأشواك بشعر الكلب.) ^{[ 19 ]}
• الهندسة الكهروضوئية
• الهندسة الميكانيكية الحيوية : هي تطبيق مبادئ الهندسة الميكانيكية وعلم الأحياء لتحديد كيفية ترابط هذه المجالات وكيفية دمجها لتحسين صحة الإنسان. ^{[ 20 ]}
• علم الإلكترونيات الحيوية : هو تكامل بين الطب الحيوي، ويركز بشكل أكبر على الروبوتات والتقنيات المساعدة. (مثال: الأطراف الاصطناعية) ^{[ 17 ]}
• الطباعة الحيوية : استخدام المواد الحيوية لطباعة الخلايا والأنسجة والأعضاء. ^{[ 21 ]}
• الروبوتات الحيوية : استخدام الإلكترونيات وأجهزة الاستشعار المتقدمة لصنع الأطراف الاصطناعية أو الروبوتات الحيوية الهجينة.
• علم الأحياء النظمي : يتم دراسة الجزيئات والخلايا والأعضاء والكائنات الحية من حيث تفاعلاتها وسلوكياتها. ^{[ 22 ]}

• مجلس الاعتماد للهندسة والتكنولوجيا (ABET)، ^{[ 23 ]} وهو مجلس الاعتماد الأمريكي لبرامج بكالوريوس الهندسة، يميز بين الهندسة الطبية الحيوية والهندسة البيولوجية، على الرغم من وجود تداخل كبير بينهما (انظر أعلاه).
• يتألف المعهد الأمريكي للهندسة الطبية والبيولوجية (AIMBE) من 1500 عضو. هدفه الرئيسي هو توعية الجمهور بأهمية الهندسة البيولوجية في عالمنا، بالإضافة إلى الاستثمار في الأبحاث والبرامج الأخرى للنهوض بهذا المجال. ويمنح المعهد جوائز تقديرية للمتميزين في مجال الابتكار والإنجاز. (لا يساهم المعهد بشكل مباشر في الهندسة البيولوجية، ولكنه يُكرّم المساهمين فيها ويشجع الجمهور على مواصلة هذا التقدم). ^{[ 24 ]}
• معهد الهندسة البيولوجية (IBE) منظمة غير ربحية تعتمد كلياً على التبرعات. يهدف المعهد إلى تشجيع الجمهور على التعلم ومواصلة تطوير الهندسة البيولوجية. (على غرار المعهد الأمريكي للهندسة البيولوجية والبيولوجية (AIMBE)، لا يُجري المعهد أبحاثاً مباشرة، ولكنه يقدم منحاً دراسية للطلاب الواعدين في هذا المجال). ^{[ 25 ]}
• جمعية الهندسة البيولوجية (SBE) هي مجتمع تقني تابع للمعهد الأمريكي للمهندسين الكيميائيين (AIChE). تستضيف SBE مؤتمرات دولية، وهي منظمة عالمية تضم نخبة من المهندسين والعلماء المتخصصين في تطوير التكامل بين علم الأحياء والهندسة. ^{[ 26 ]}
• مجلة MediUnite هي حملة توعية طبية وصحيفة تنشر في كثير من الأحيان نتائج البحوث الطبية الحيوية وتستشهد بالطب الحيوي في العديد من الأبحاث. ^{[ 27 ]}

• الهندسة الحيوية في السينما

• جمعية الهندسة الحيوية
• جمعية الهندسة الطبية الحيوية
• معهد الهندسة البيولوجية
• معهد بينجو للهندسة البيولوجية للأنظمة
• المعهد الأمريكي للهندسة الطبية والبيولوجية
• الجمعية الأمريكية للمهندسين الزراعيين والبيولوجيين
• جمعية الهندسة البيولوجية جزء من المعهد الأمريكي للمهندسين الكيميائيين
• مجلة الهندسة البيولوجية، JBE
• معاملات الهندسة البيولوجية
• مدرسة ميونخ للهندسة الحيوية