Междисциплинарная платформа «Биотехносфера» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 621.3 В. В. Лучинин

Междисциплинарная платформа «Биотехносфера» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Ключевые слова: биотехносфера, междисциплинарные исследования, образовательный процесс, социально ориентированная медицина.

Keywords: biotechnosphere, interdisciplinary investigations, educational process, community health.

СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках реализации приоритетного научно-образовательного направления «Технологии превосходства и обучение для следующей генерации человеческого капитала» сформировал Программу обеспечения глобальной конкурентоспособности университета в области прорывных технологий, инновационной продукции и профессионально ориентированных образовательных услуг. Одним из основных тематических блоков этой программы была определена платформа «Биотехносфера».

Введение

Целевая функция платформы «Биотехносфера» заключается в реализации междисциплинарных исследований и образовательного процесса для обеспечения развития нижеследующих социально ориентированных биомедицинских технологий [1, 2] (см. схему), а именно:

• профилактика социально значимых заболеваний;

• персонализированная медицина;

• замещение утраченных органов и функций;

• расширение функциональных возможностей человека.

Целью данной статьи является системное изложение направлений развития инновационных технологий и профессионально ориентированного образования в рамках междисциплинарной научно-образовательной платформы «Биотехносфера», формирующейся в СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Основные положения этой платформы, а также направления исследований и разработок формировались с учетом «Прогноза научно-технологического развития РФ на период до 2030 года» и «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ». Анализ данных руководящих документов позволил определить наиболее значимые общенациональные задачи в рамках сформированного на перспективу стратегического вектора научно-технологического развития России (табл. 1).

Биотехносфера.

Актуальность и масштабность проблемы

Анализ актуальности и масштабности проблемы, решаемой в рамках научно-образовательной платформы «Биотехносфера», позволил выявить следующие системные тенденции:

• устойчивый спрос на новое качество жизни, включая возможность компенсации утраченных

Ключевые направления развития социально ориентированных биомедицинских технологий

Таблица 11 Комплекс задач при реализации мероприятий научно-технологического развития России

Задачи Направления, мероприятия

Корректировка перспективных направлений науки и техники • Стратегический вектор — технологический прорыв • Фундаментальные исследования и программы с дальним «горизонтом» реализации • Прикладные исследования с приоритетом реализации на базе технологических платформ в рамках целевых программ • Динамичный трансфер технологий с практическим внедрением разработок

Формирование внутреннего спроса на высокие технологии • Система государственных закупок • Инвестиционные программы госкомпаний • Софинансирование проектов бизнесом

Профессионально ориентированное образование • Новые профессиональные стандарты и требования к квалификации специалиста, востребованные бизнесом • Гибкий рынок труда с возможностью переподготовки и реализации новых профессиональных стандартов • Принятие правовых актов для обеспечения дистанционного образования • Возрождение школьной профориентации

функций организма за счет трансплантации искусственных органов и создание дружественного интерфейса «человек—информационная среда» нового поколения;

• профилактическая направленность и персо-нализация биомедицинского мониторинга в домашних условиях в интеграции с современными инфотелекоммуникационными системами (телемедицина);

• распространение болезней мегаполисов, характеризующихся аллергическими патологиями, заболеваниями, связанными с низким уровнем гигиены (болезни нищих и бездомных) и недостаточной эффективностью мер по предупреждению инфекционных заболеваний и с самолечением при низком уровне доверия к официальной медицине;

• динамика рынков, определяемая спросом на новые неинвазивные технологии и методы диагностики; интеграция биоинформационных, генноин-женерных и фармацевтических технологий с достижением возможности персонализации терапевтического воздействия; развитие технологии адресной доставки лекарств; рост спроса на органы и ткани для замещения утраченных функций;

• развитие культуры и технологий моделирования, реализации и контроля процессов, происходящих на атомно-молекулярном уровне; интеллектуализация и быстрая адаптация молекулярных производств наукоемкой персонализированной продукции трансплантологии и «умных» лекарств.

Характеризуя мировые тенденции научно-технологического прогресса в области биотехносферы, следует выделить:

• многомасштабное моделирование сложных биоорганических систем и новых материалов искусственного и синтетического происхождения, воспроизводящих отдельные функции биообъектов; методы биоинформатики для обработки данных геномного, транскриптомного и протеомного анализа;

• диагностикумы in vitro типа «лаборатория-на-чипе» — биосенсоры и биочипы, обладающие вы-

сокой селективностью и чувствительностью, близкой к чувствительности известных аналитических методов, простотой эксплуатации и экономической доступностью для использования в домашних условиях, а также интерфейсом для интеграции в информационные сети, обеспечивающим предоставление дистанционных медицинских услуг;

• комбинаторную молекулярную сенсорику, в том числе на основе аптомеров для создания эффективных средств диагностики и анализа статистических и динамических факторов патологических состояний;

• персонализированную медицину, ориентированную на систематическую индивидуальную профилактическую диагностику и биоинформационные методы в геномных, постгеномных и протеомных технологиях с достижением возможности персона-лизации «рецепта» терапевтического воздействия;

• биоинженерные технологии (включая регенеративные и клеточные технологии), неорганические и органические материалы неживотного происхождения, биозамещающие импланты для направленной регенерации и трансплантации органов и тканей;

• технологии адресной доставки лекарств на основе искусственных нанокластеров органической и органо-неорганической природы;

• биоинформационные технологии, повышающие точность диагностики, эффективность лечения и его персонализацию.

Междисциплинарный научно-образовательный кластер «Биотехносфера»

Базисом для достижения поставленной цели является формирование в структуре вуза конкурентоспособного научно-образовательного кластера «Биотехносфера» на основе системной интеграции инфраструктурного, научного, информационно-аналитического и кадрового потенциалов в рам-

ках комплементарного развития действующих на базе вуза научно-образовательных платформ [3], центров превосходства и трансфера технологий для проведения комплексных междисциплинарных прорывных исследований и разработок в области бионических и биомедицинских систем, прототи-пирования наукоемкой продукции и воспитания профессиональной элиты.

В основе развития в рамках вышеуказанного кластера ряда направлений деятельности (и в первую очередь — направления «Биомедицинские и бионические системы и технологии для обеспечения жизнедеятельности человека и расширения его функциональных возможностей») лежит совокупность реализуемых базовых положений, определяющих приоритеты инновационного развития:

• фундаментальные междисциплинарные исследования;

• мультидисциплинарная образовательная парадигма;

• межотраслевая инженерная деятельность;

• социально ориентированные технологии.

В рамках достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

1) реализация фундаментальных исследований, являющихся базисом для будущих технологий превосходства, с ожидаемым научно-техническим прогнозом высокой конкурентоспособности и социально-экономической эффективности;

2) проведение прикладных исследований, ориентированных на накопление, систематизацию и селекцию знаний в междисциплинарных областях востребованных технологических ниш с экспресс-трансформацией разработок от исследовательской стадии к производственной, включая прототипи-рование наукоемкой продукции;

3) реализация процесса формирования новой генерации профессиональной элиты как базиса для обеспечения конкурентоспособности отечественной научной продукции, трансфера технологий и предоставления профессионально ориентированных образовательных услуг.

Реализация в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» платформы «Биотехносфера» предполагает исследовательскую, инженерную и образовательную деятельность по следующим направлениям:

1) молекулярный дизайн искусственных протеиновых систем для биосенсорики и трансплантологии;

2) биомиметические материалы, биокомпозиты, 3Б-биопечать;

3) мультикомплексные микроплатформы («лабо-ратории-на-чипе») для биомолекулярной экспресс-диагностики патологических состояний и патогенных инфекций;

4) интеллектуальные ткани («умная одежда») для персонального неинвазивного медико-биологического экспресс-мониторинга;

5) микро- и наносистемы биометрической идентификации личности;

6) бионические робототехнические системы, включая: биоподобные и антропоморфные устройства, искусственные органы и конвергентные (гибридные) системы на основе интеграции биообъектов и технических микро- и наносистем;

7) информационные технологии дополненной и виртуальной реальности биомедицинского назначения.

В качестве приоритетов фундаментальных исследований определены:

• молекулярный дизайн, процессы самообработки и самоорганизации макромолекул и надмолекулярных систем;

• моделирование и синтез искусственных органических и органо-неорганических надмолекулярных композиций — функциональных сред, характеризующихся сверхбольшой информационной емкостью, высокой удельной энергонасыщенностью, селективностью к внешним воздействиям, ассоциативностью и распределенностью процессов обработки информации;

• технологии синтеза биомиметических материалов, имитирующих структурно-материальную организацию отдельных элементов биосистем и базовые принципы вещественно-энергетических и информационных процессов, обеспечивающих их функционирование.

Приоритетными при проведении прикладных исследований являются проблемы создания:

• искусственных органов, обеспечивающих замещение естественных систем или утраченных функций;

• персональных сенсорных систем для экспресс-диагностики заболеваний, инфекций, функционального состояния организма и его биокоррекции;

• конвергентных систем на основе интеграции создаваемых человеком неорганических систем и объектов биоорганической природы;

• бионических робототехнических систем для расширения функциональных возможностей человека;

• полифункционального и адаптивного человеко-машинного интерфейса для обеспечения индивидуальной комфортной среды обитания и жизнедеятельности человека.

Среди продукции медико-биологического назначения, создаваемой в настоящее время в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», следует выделить:

• алгоритмы и программные средства топологического кодирования цепных полимеров и искусственных белков [4, 5];

• коллоидные магнитные нанокомпозиты для адресной доставки лекарств и улучшения фарма-кокинетики [6];

• кластер гибкой 3Б-печати биоимплантов и био-замещающих материалов [7];

• миниатюрные интегрированные платформы типа «лаборатории-на-чипе» для экспресс-иденти-

фикации патогенных микроорганизмов и тестирования их чувствительности к антимикробным препаратам [8];

• портативную систему на основе «лаборатории-на-чипе» капиллярного типа для экспресс-контроля размера, подвижности и агрегативной устойчивости магнитных наночастиц, используемых для адресной доставки лекарств и ВЧ-терапии новообразований [9];

• искусственный сенсорный текстиль с гальваническим и оптическим топологическим кодированием [10];

• портативную, интегрированную в текстиль систему неинвазивной регистрации динамики совокупности физиологических параметров («умная одежда») [1];

• портативный малодозовый микрофокусный рентгенодиагностический комплекс [11];

• биоробототехнические системы на основе интеграции моторики насекомых и искусственных сенсорно-телекоммуникационных микромодулей [12].

Сформулирована совокупность базовых критериев, определяющих приоритетные медико-технические и эксплуатационные характеристики наукоемкой продукции:

• миниатюрность;

• мобильность;

• автономность;

• энергоэффективность;

• информационная емкость;

• интегрируемость;

• унификация;

• конформность;

• биосовместимость.

Оценку эффективности создаваемой инновационной продукции предполагается реализовать с учетом:

• доминирования критериев «потребительских» качеств, базирующихся на интеллектуальном инновационном потенциале, социальной и оборонной значимости;

• возможности интеграции в мировое разделение труда при внутренней и внешней защите интеллектуальной собственности;

• резкого возрастания значимости человеческого капитала при создании продукции с высоким уровнем интеллектуальной составляющей.

Заключение

«Мягкой силой» для перехода в шестой технологический уклад, одним из базовых направлений которого, безусловно, будет биотехносфера, являются прорывные инновационные технологии и качество человеческого капитала.

Прорывные технологии характеризуются совокупностью признаков: непредвиденность, интеллектуальное превосходство и, как правило, муль-тидисциплинарность, что обеспечивает новизну и конкурентоспособность наукоемкой продукции.

Качество человеческого капитала обеспечивается в рамках концепции образования для следующей генерации. Основополагающей тенденцией такого образования является достижение, сохранение и развитие компетенций через естественно-научную фундаментальную составляющую в рамках междисциплинарного подхода и профориентации, основанной на непрерывности и мобильности образования. Общенациональной задачей определен переход от обучения к воспитанию личности.

В рамках реализации СПбГЭТУ «ЛЭТИ» работ по научно-образовательной платформе «Биотехносфера» была построена матрица востребованности

Таблица 2 Матрица востребованности исследований и разработок для социально ориентированной медицины

Социально ориентированные биомедицинские технологии Направления медико-биологических исследований и разработок

Биомолекулярный дизайн Молекулярная экспресс-диагностика in vitro (лаборатория-на-чипе) Молекулярная диагностика и терапия in vivo (коллоиды) Искусственные органы — биопечать «Умная одежда» — интеллектуальный текстиль ЭБ-модели биообъектов (органов) — дополненная реальность

Профилактика социально значимых заболеваний + + + + + 0

Персонализированная медицина + + + + + +

Замещение утраченных органов и функций + + + + + +

Расширение функциональных возможностей человека 0 + 0 + + 0

Обозначения: + — непосредственное влияние; 0 — опосредованное влияние.

исследований и разработок для социально ориентированной медицины (табл. 2).

Литература

1. Лучинин В. В. Мультидисциплинарные технологии. Гибкая электроника и фотоника // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 12 (161). С. 2-7.

2. Лучинин В. В. Наноиндустрия и «человеческий капитал» // Нано- и микросистемная техника. 2008. № 1. С. 6-13.

3. Кутузов В. М., Лучинин В. В. Реализация инновационного потенциала вуза // Нанотехнологическая платформа ЛЭ-ТИ. 2012. № 7. С. 34-39.

4. Карасев В. А., Лучинин В. В. Введение в конструирование бионических наносистем. М.: Физматлит, 2011.

5. Карасев В. А., Лучинин В. В., Соколов А. И. Био- и кванто-во-информационные технологии в наноэлектронике: учеб. пособие. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013.

6. Гареев К. Г., Лучинин В. В., Мошников В. А. Магнитные наноматериалы, полученные химическими методами // Биотехносфера. 2013. № 5. С. 2-13.

7. Афанасьев П. В., Бохов О. С., Лучинин В. В. Научно-технологический комплекс экспресс-прототипирования изделий

гибкой электроники и фотоники // Наноиндустрия. 2013. № 6 (44). С. 94-104.

8. Принципы создания гибридных миниатюрных приборов для выращивания колоний микробных клеток на основе пористого анодного оксида алюминия / Т. М. Зимина, А. В. Соловьев, В. В. Лучинин [и др.] // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 12 (161). С. 19-34.

9. Соловьев А. В., Лучинин В. В., Николаев Б. П. Экспресс-методы исследования размера, подвижности и агрегацион-ной устойчивости магнитных наночастиц в микрокапиллярном чипе // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 12 (149). С. 30-35.

10. Мальгунова Н. А., Буренева О. И., Сафьянников Н. М. Ткани с экранирующими переплетениями: структура, свойства, дизайн // Дизайн. Материалы. Технология. 2009. № 4. С. 125-129.

11. Клестова И. А., Васильев А. Ф., Потрахов Н. Н. Панорамная микрофокусная рентгенография зубочелюстной системы при массовом обследовании ограниченного контингента // Биотехносфера. 2014. № 3. С. 13-18.

12. Экспресс-прототипирование микроустройства с радиоканалом / П. В. Афанасьев, Н. И. Бороденков, О. С. Бохов [и др.] // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 12 (149). С. 71-74.

гг л

Уважаемые авторы!

Для полноценной работы ссылок в Научной электронной библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.

Ссылки должны быть составлены по ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (если они зарегистированы). В противном случае НЭБ не сможет индексировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.

С уважением, редакция журнала «Биотехносфера»