Bioingeniería y su enfoque a los biosensores

Resumen

En el presente documento se ha logrado realizar un
estudio del arte acerca de la bioingeniería,
definiéndola como el desarrollo de nuevas e innovadoras
tecnologías para mejorar la calidad de vida de la
humanidad ,sin embargo el estudio de la bioingeniería es
un campo muy amplio motivo por el cual se decidió limitar
esta investigación a una de sus disciplinas , la
biomédica, enfocándonos principalmente en los
biosensores, que son dispositivos que permiten el análisis
rápido , fácil y fiable de la presencia de
sustancias especificas en el medio ambiente o en las personas
.

Palabras clave — bioingeniería,
biosensores, ingeniería biomédica, biomedicina,
biosensores de glusosa.

Introducción

En la actualidad el ser humano busca nuevos
métodos y mecanismos para facilitar los procedimientos de
diagnóstico y tratamiento de enfermedades, entonces, es
así surge la bioingeniería, que es la
aplicación del conjunto de conocimientos y técnicas
científicas para desarrollar nuevas tecnologías
enfocadas a resolver problemas relacionados con la
biología y la medicina [1].

Motivo por el cual en este documento se realiza un
estudio del arte, destacando el desarrollo de los biosensores que
son dispositivos analíticos que permiten detectar la
presencia de un compuesto o algún microorganismo
específico en las personas, brindando de esta manera un
resultado rápido directo y fiable para un posterior
diagnóstico. [2]

Desarrollo

Orígenes
de la bioingeniería

Leonardo da Vinci es uno de los pioneros en analizar los
movimientos del ser humano desde una perspectiva mecánica,
más tarde en siglo XVI Alfonso B. Borelli debido a su obra
""De motu Animalium" se convierte en uno de los fundadores de la
bioingeniería, puesto que analiza la dinámica y
estructura del cuerpo humano en términos de
matemáticos y mecánicos. [2][16]

Fig. 1. Postura de un Cuerpo humano con
sus reacciones físicas [16]

En 1791 el medico obstetra Luigi Galvani descubre que al
tocar los músculos de la rana simultáneamente con
dos metales estos se contraen , a lo que denominó
"Electricidad animal"; pero el físico Alessandro Volta
demuestra que, incluso sin la presencia de algún tejido
vivo, al colocar dos metales juntos existe una corriente
eléctrica. Este diferencia de criterios entre el
médico y el físico se considera una importante
contribución al desarrollo bioelectrónica y por
ende de la bioingeniería. [2]

Hacia 1926 el físico y matemático,
Nicolás Rashevsky desarrolla una matemática
biológica es decir logra relacionar la física con
la biología, y la denominó "Biofísica".
[2]

Luego de todos estos aportes, la bioingeniería se
sigue desarrollando, y en 1958 un grupo de investigadores de
Bioingeniería forma la Federación de
Ingeniería Biológica y Médica, estableciendo
de esta manera una importante base para la evolución de
esta ciencia. [2]

Entonces, la bioingeniería y su concepto de
interrelación entre la ingeniería y biología
se ha ido desarrollando a partir de investigaciones y
experimentos, con la colaboración de físicos,
matemáticos, médicos, científicos, todo esto
con el fin de intentar satisfacer las necesidades del ser
vivo.[15]

Definiciones de
bioingeniería

La IEEE define la Bioingeniería como "la
ciencia que estudia y busca la aplicación de principios y
métodos de las ciencias exactas, en general, y de la
ingeniería, en particular, a la solución de
problemas de las ciencias biológicas y
médica."[3]

La bioingeniería es aplicar los conocimientos
informáticos, mecánicos, químicos de la
ingeniería para mejorar, modificar, ayudar o afianzar el
desarrollo de algún mecanismo para el campo de la
biología y medicina. [10]

La bioingeniería tiene varios campos de
aplicación esto depende de las ciencias que relacione,
cada proyecto desarrollado tendrá fundamentos tanto de
ingeniería como de biología y ciencia
médica. Entonces, al combinar los diferentes criterios se
obtendrán resultados como: prótesis, simuladores
quirúrgicos, monitorización mediante visión
por computador, sistemas robotizados de ayuda a la
cirugía, sistemas para diagnóstico en medicina,
equipos de imágenes, biosensores, etc. [3] [10]

Fig. 2. Prótesis: prótesis
de cadera con una cabeza femoral de cerámica
[20]

Fig. 3. Equipo de ultrasonido para
ecográfica de embarazo [21]

Biomedicina

La biomedicina es una rama de la bioingeniería
que se enfoca en el diagnóstico, tratamiento y control de
enfermedades del ser humano [2]

La biomedicina, se centra en desarrollar: dispositivos,
equipos médicos, programas informáticos, equipos de
cirugía, mecanismos, procedimientos, para el cuidado de la
salud. [12]

Biosensor

Los biosensores son dispositivos de análisis que
nos ayudan a facilitar procesos analíticos, como por
ejemplo diagnóstico de enfermedades, o detección de
pesticidas en el medio ambiente, debido a que permiten detectar
la existencia de sustancias químicas o microorganismos
específicos, una ventaja de la utilización de estos
dispositivos es su alta sensibilidad y selectividad. Se forman de
un elemento de reconocimiento biológico en contacto con un
transductor [8] [11]

Estructura de un
biosensor

Fig. 4. Esquema básico de
funcionamiento de un biosensor [5]

En la Fig.4 se ve el funcionamiento básico de un
biosensor en primer lugar se tiene un analito o muestra
química que, enseguida será analizada por el
biosensor y este generará una señal de respuesta
mesurable y cualitativa. [5]

El biosensor se compone básicamente de dos
elementos:

*Un elemento de reconocimiento
biológico: esta es la base de un biosensor, puede ser
una enzima, tejidos, anticuerpos, etc., La funcionalidad del
elemento de reconocimiento es realizar un análisis
químico percibiendo la presencia de una sustancia en
alguna solución. [9][8]

*Un transductor: se encarga de es de convertir
la señal bioquímica producida, en una señal
óptica, eléctrica, mecánica,
calórica, etc. útil. [6][5]

Los transductores pueden clasificarse según lo
que lo que determinan en el proceso de análisis,
así existen: [9]

-Transductores potenciométricos: miden nivel de
voltaje

– Transductores amperométricos: miden intensidad
de corriente.

– Transductores conductimétricos: miden
conductividad

Tipos de
biosensores

Se clasifican según dos
criterios:

• a) Según receptor
  biológico:

*Catalíticos: este tipo de biosensores
utilizan biocatalizadores como enzimas, tejidos, microorganismos
que ayudan a que ocurra una reacción química, y de
esta manera detectar la presencia del sustrato que existen en la
reacción [4] [14]

*Afinidad: para detectar la presencia de
sustancias se basan en la interacción del analito y el
elemento de reconocimiento, formándose de esta manera un
enlace analito- receptor; sus receptores son anticuerpos,
ácidos nucleicos, etc. [8]

• b) Según el transductor

*Electroquímicos: este tipo de sensores
utilizan un transductor que les permite traducir la señal
que se produce por la interacción entre el elemento se
reconocimiento y el analito a una señal eléctrica.
Estos se dividen en potenciométricos,
amperométricos y conductimétricos. [4]

*Ópticos: una vez que se realiza la
interacción entre el analito y el elemento de
reconocimiento biológico entonces este tipo de biosensores
utilizan un transductor óptico, para realizar la
medición de variaciones que se producen en las propiedades
de la luz. Se dividen en: espectroscópicos de
absorción, fluorimétricos o fosforimétricos
y otros.

[17][4]

*Piezoeléctrico: ""Los sistemas de
transducción piezoeléctricos, másicos,
gravimétricos o acústicos miden cambios directos de
masa inducidos por la formación del complejo
antígeno-anticuerpo. "" [17]

* Termométrico: Las reacciones
enzimáticas exotérmicas generan calor entonces es
detectado por este tipo de biosensores. [17]

Aplicaciones de los
biosensores

Teniendo en cuenta que la elaboración de los
biosensores tiene como objetivo principal cuidar la salud de los
seres humano entonces se pueden mencionar los
siguientes:

*Biosensor amperométrico de tirosinasa para
la determinación de contenido fenólico total en
aguas superficiales [7]

Este es un dispositivo que permite detectar la presencia
de fenoles en las aguas residuales. Los fenoles son compuestos
derivados del benceno, en baja concentraciones es usado como
desinfectante, también es utilizado en la industria
farmacéutica, petroleras, química; en altas
cantidades esta sustancia es toxica, y debido a su solubilidad en
el agua la propagación de este compuesto en el medio
ambientes es mucho más rápido, lo cual
tendrá consecuencias fatales para para las personas y el
medio ambiente en general. [19][7]

*Biosensores para la medición de
glucosa

Sirve para medir la concentración de glucosa en
la sangre, este procedimiento es muy importante especialmente
para los enfermos de diabetes, puesto que el paciente necesita un
control constante y fiable del control del nivel de glucosa. En
este plano las biosensores juegan un papel muy importante de
diagnóstico del paciente. [6][10]

Fig. 5. El biosensor Gluco Dr AGM-2100
para controlar la glucosa [22]

Día a día los biosensores de glucosa van
mejorando en todas sus características de costo,
sensibilidad selectividad, un ejemplo de esto es el biosensor
desarrollado por el doctor Naveed ul Hassan Alvi y sus
colaboradores, en la universidad Politécnica de Madrid;
este biosensor tiene alta sensibilidad y respuesta
química. [18]

Fig. 6. El doctor Naveed ul Hassan Alvi y
colaboradores en el ISOM. / UPM. [18]

Por su parte investigadores de la CIC bioGUNE
 (Center for Cooperative Research in Biosciences) en Vasco,
estudian la manera de medir la glucosa en otros fluidos del
cuerpo humano por ejemplo la orina esto con el fin de obtener
resultados más fiables. [13]

Conclusiones

Luego de realizar el estudio del arte acerca de la
bioingeniería se concluye que, es una ciencia que combina
los conocimientos tecnológicos, analíticos y
matemáticos de la ingeniería con la biología
y la medicina, además que es fruto de varias
investigaciones, experimentos y colaboradores.

La bioingeniería, posee disciplinas como la
biomédica que es una ciencia que busca revolucionar el
campo de la salud del ser humano, al crear dispositivos que
faciliten el diagnóstico y tratamiento de
enfermedades.

La investigación destaca el estudio de los
biosensores, estos son dispositivos de análisis
químico que permiten detectar la presencia de alguna
sustancia específica en el ser humano o en la
naturaleza.

Finalmente se pudo ver que el desarrollo de los
biosensores es muy útil puesto que facilita procedimientos
de análisis, motivo por el cual se sigue investigando para
cada día mejorar las características de este
dispositivo y de esta manera ayudar al ser humano a lidiar con
problemas como enfermedades y contaminación del medio
ambiente.

Bibliografía

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http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_4831_Scodeller

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>[ consultado el: 11 enero, 2014]

Enviado por:

Sandra Chacha Quille

(A"1991, M"9, D"2) Nació en la ciudad de Cuenca en la
provincia del Azuay en Ecuador, el 2 de septiembre de 1991.
Se graduó  en el Colegio Benigno Malo como Bachiller
en Ciencias Básicas. Actualmente cursa sus estudios de
Ingeniería Electrónica en la Universidad
Politécnica Salesiana Sede Cuenca.

Universidad Politécnica Salesiana,
Facultad de Ingeniería, Cuenca, Ecuador.