Biyomühendislik

Bazı biyolojik makineler ⓘ

Biyoloji mühendisliği veya Biyomühendislik, kullanılabilir, elle tutulur, ekonomik olarak uygulanabilir ürünler yaratmak için biyoloji ilkelerinin ve mühendislik araçlarının uygulanmasıdır. Biyoloji mühendisliği, kütle ve ısı transferi, kinetik, biyokatalizörler, biyomekanik, biyoinformatik, ayırma ve saflaştırma süreçleri, biyoreaktör tasarımı, yüzey bilimi, akışkanlar mekaniği, termodinamik ve polimer bilimi gibi bir dizi saf ve uygulamalı bilimden bilgi ve uzmanlık kullanır. Tıbbi cihazların, teşhis ekipmanlarının, biyouyumlu malzemelerin, yenilenebilir enerjinin, ekolojik mühendisliğin, ziraat mühendisliğinin, proses mühendisliğinin ve katalizin tasarımında ve toplumların yaşam standartlarını iyileştiren diğer alanlarda kullanılmaktadır. ⓘ

Biyomühendislik araştırmalarına örnek olarak kimyasal madde üretmek üzere tasarlanmış bakteriler, yeni tıbbi görüntüleme teknolojisi, taşınabilir ve hızlı hastalık teşhis cihazları, protezler, biyofarmasötikler ve doku mühendisliği yapılmış organlar verilebilir. Biyomühendislik, biyoteknoloji ve biyomedikal bilimlerle, diğer çeşitli mühendislik ve teknoloji biçimlerinin diğer çeşitli bilimlerle (örneğin havacılık ve uzay mühendisliği ve diğer uzay teknolojisi ile kinetik ve astrofizik) ilişkisine benzer bir şekilde önemli ölçüde örtüşmektedir. ⓘ

Genel olarak, biyoloji mühendisleri ürün yaratmak için biyolojik sistemleri taklit etmeye ya da biyolojik sistemleri değiştirmeye ve kontrol etmeye çalışırlar. Doktorlar, klinisyenler ve araştırmacılarla birlikte çalışan biyomühendisler, kimyasal ve mekanik süreçleri değiştirme, artırma, sürdürme veya tahmin etme yolları da dahil olmak üzere biyolojik süreçleri ele almak için geleneksel mühendislik ilkelerini ve tekniklerini kullanırlar. ⓘ

Tarihçe

Biyoloji mühendisliği, tıpkı kimya mühendisliği, elektrik mühendisliği ve makine mühendisliğinin sırasıyla kimya, elektrik ve manyetizma ve klasik mekaniğe dayanması gibi biyolojik bilimler üzerine kurulmuş bilim temelli bir disiplindir. ⓘ

İkinci Dünya Savaşı'ndan önce biyoloji mühendisliği bir mühendislik dalı olarak tanınmaya başlamıştı ve insanlar için yeni bir kavramdı. İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra daha hızlı gelişti ve "biyomühendislik" terimi 1954 yılında İngiliz bilim adamı ve yayıncı Heinz Wolff tarafından Ulusal Tıbbi Araştırma Enstitüsü'nde ortaya atıldı. Wolff o yıl mezun oldu ve üniversitede Biyoloji Mühendisliği Bölümü'nün direktörü oldu. Böylece Biyomühendislik ilk kez bir üniversitede kendi dalı olarak tanınmış oldu. Bu dönemde tıbbi cihazlar ve makinelerle yapılan çalışmalar nedeniyle elektrik mühendisliği bu disiplinin ilk odak noktasıydı. ⓘ

Mühendisler ve yaşam bilimciler birlikte çalışmaya başladıklarında, mühendislerin işlerinin arkasındaki gerçek biyoloji hakkında yeterince bilgi sahibi olmadıklarını fark ettiler. Bu sorunu çözmek için, biyoloji mühendisliğine girmek isteyen mühendisler biyoloji, psikoloji ve tıp süreçlerini incelemeye daha fazla zaman ayırdılar. ⓘ

Daha yakın zamanlarda biyoloji mühendisliği terimi, yüzey toprağının korunması, şev stabilizasyonu, su yolu ve kıyı şeridinin korunması, rüzgar perdeleri, gürültü bariyerleri ve görsel perdeler dahil olmak üzere bitki bariyerleri ve bir alanın ekolojik olarak iyileştirilmesi gibi çevresel değişikliklere uygulanmıştır. Diğer mühendislik disiplinleri de canlı organizmaları ele aldığından, biyolojik mühendislik terimi ziraat mühendisliğini de kapsayacak şekilde daha geniş olarak uygulanabilir. ⓘ

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ilk biyolojik mühendislik programı 1966 yılında Kaliforniya Üniversitesi, San Diego'da başlatılmıştır. Daha yeni programlar MIT ve Utah Eyalet Üniversitesi'nde başlatılmıştır. Dünya üniversitelerindeki birçok eski ziraat mühendisliği bölümü kendilerini tarım ve biyoloji mühendisliği veya tarım ve biyosistem mühendisliği olarak yeniden markalaştırdı. MIT'den Profesör Doug Lauffenburger'e göre biyoloji mühendisliği, moleküler düzeyden (moleküler biyoloji, biyokimya, mikrobiyoloji, farmakoloji, protein kimyası, sitoloji, immünoloji, nörobiyoloji ve nörobilim) hücresel ve doku tabanlı sistemlere (cihazlar ve sensörler dahil), tüm makroskobik organizmalara (bitkiler, hayvanlar) ve hatta biyomlara ve ekosistemlere kadar çok çeşitli boyut ve karmaşıklıktaki sistemlere mühendislik ilkelerini uygulayan geniş bir tabana sahiptir. ⓘ

Eğitim

Ortalama eğitim süresi üç ila beş yıldır ve tamamlanan derece mühendislik lisansı (B.S. in engineering) olarak belirtilir. Temel dersler arasında termodinamik, biyomekanik, biyoloji, genetik mühendisliği, akışkan ve mekanik dinamiği, kimyasal ve enzim kinetiği, elektronik ve malzeme özellikleri yer almaktadır. ⓘ

Alt disiplinler

Hücresel Otomata ve En Yakın Komşu Etkileşimleri Kullanılarak Hastalık Yayılımının Modellenmesi ⓘ

Kuruma ve kullanılan belirli tanımsal sınırlara bağlı olarak, biyomühendisliğin bazı ana dalları şu şekilde kategorize edilebilir (bunların örtüşebileceğini unutmayın):

• Biyomedikal mühendisliği: mühendislik ilkelerinin ve tasarım kavramlarının sağlık hizmetleri amacıyla tıp ve biyolojiye uygulanması.
  • Doku mühendisliği
  • Genetik mühendisliği
  • Sinir mühendisliği
  • Farmasötik mühendislik
  • Klinik mühendisliği
  • Biyoinformatik
  • Biyomekanik
• Biyokimyasal mühendislik: fermantasyon mühendisliği, uygun hammaddelerden protein üretimi de dahil olmak üzere sentez yoluyla yeni ürünler oluşturmak için kullanılan mikroskobik biyolojik sistemlere mühendislik ilkelerinin uygulanması.
• Biyolojik sistem mühendisliği: mühendislik ilkelerinin ve tasarım kavramlarının tarım, gıda bilimleri ve ekosistemlere uygulanması.
• Biyoproses mühendisliği: ilaç yapım sürecinin gerçekleştiği koşulları izlemek için teknoloji geliştirir, (Örn: biyoproses tasarımı, biyokataliz, biyoseparasyon, biyoinformatik, biyoenerji)
• Çevre sağlığı mühendisliği: İnsanların sağlığı, konforu ve güvenliği için mühendislik ilkelerinin çevrenin kontrolüne uygulanması. Uzayın ve okyanusun keşfi için yaşam destek sistemleri alanını içerir.
• İnsan faktörleri ve ergonomi mühendisliği: mühendislik, fizyoloji ve psikolojinin insan-makine ilişkisinin optimizasyonuna uygulanması. (Örn: fiziksel ergonomi, bilişsel ergonomi, insan-bilgisayar etkileşimi)
• Biyoteknoloji: canlı sistemlerin ve organizmaların ürün geliştirmek veya yapmak için kullanılması. (Örn: farmasötikler).
• Biyomimetik: karmaşık insan problemlerini çözmek amacıyla doğadaki modellerin, sistemlerin ve unsurların taklit edilmesi. (Örn: cırt cırt, George de Mestral'in bir köpeğin tüylerine ne kadar kolay yapıştığını fark etmesinden sonra tasarlanmıştır).
• Biyoelektrik mühendisliği
• Biyomekanik mühendisliği
• Biyonik: daha çok robotik ve destekli teknolojilere odaklanan Biyomedikal'in bir entegrasyonu. (Örn: protezler)
• Biyo-baskı: organ ve yeni doku basmak için biyomalzemelerin kullanılması
• Biyorobotik: (Örn: protezler)
• Sistem biyolojisi: Biyolojik sistemlerin incelenmesi. ⓘ

Organizasyonlar

• Mühendislik lisans programları için ABD merkezli akreditasyon kurulu olan Mühendislik ve Teknoloji Akreditasyon Kurulu (ABET), biyomedikal mühendisliği ve biyoloji mühendisliği arasında bir ayrım yapar, ancak çok fazla örtüşme vardır (yukarıya bakın).
• Amerikan Tıp ve Biyoloji Mühendisliği Enstitüsü (AIMBE) 1.500 üyeden oluşmaktadır. Ana hedefleri, biyolojik mühendisliğin dünyamızda sahip olduğu değer hakkında halkı eğitmek ve alanı ilerletmek için araştırma ve diğer programlara yatırım yapmaktır. Kendilerini bu alanda yeniliğe adamış kişilere ödüller ve bu alanda başarı ödülleri verirler. (Biyoloji mühendisliğine doğrudan bir katkıları yoktur, daha çok bunu yapanları tanırlar ve halkı bu ileri hareketi sürdürmeye teşvik ederler).
• Biyoloji Mühendisliği Enstitüsü (IBE) kar amacı gütmeyen bir kuruluştur, sadece bağışlarla çalışırlar. Halkı öğrenmeye ve biyolojik mühendislik alanındaki gelişmeleri sürdürmeye teşvik etmeyi amaçlamaktadırlar. (AIMBE gibi doğrudan araştırma yapmazlar; ancak bu alanda gelecek vaat eden öğrencilere burs verirler).
• Society for Biological Engineering (SBE), Amerikan Kimya Mühendisleri Enstitüsü (AIChE) ile ilişkili bir teknoloji topluluğudur. SBE uluslararası konferanslara ev sahipliği yapar ve biyolojinin mühendislikle entegrasyonunu ilerletmeye adanmış önde gelen mühendis ve bilim insanlarından oluşan küresel bir organizasyondur. ⓘ