در این مقاله از تریتا قصد داریم گرایش بیومتریال که یکی از زیر شاخه‌های مهندسی پزشکی است را معرفی کنیم. علاوه بر معرفی این رشته، دروس تدریسی در مهندسی پزشکی بیومتریال و درآمد حاصل از آن را مورد بررسی قرار می‌دهیم. همچنین در مورد بهترین دانشگاه‌های فعال در این زمینه در ایران و جهان و همچنین شرکت‌های شاخص و معتبر در این حوزه سخن می‌گوییم. با ما همراه باشید…
بیومتریال چیست و چه کاربردهایی دارد؟
شاید بهتر باشد قبل از معرفی مهندسی بیومتریال، به طور کلی بیومتریال‌ها را بشناسیم و بدانیم چه موادی را می‌توان به عنوان یک بیومتریال استفاده کرد.
بیومتریال از نظر واژه‌شناسی
از نگاه واژه شناسی، بیومتریال (Biomaterial) از دو عبارت بیو (Bio) به معنای زیستی و متریال (Material) به معنی مواد، ساخته‌شده‌است که به این مواد، زیست مواد نیز می‌گوییم.
بیومتریال‌ها نقش همه‌گیری در دنیای امروزه‌ی داروسازی با بازگرداندن عملکرد قسمت آسیب دیده در بدن و یا تسهیل روند بهبود برای بیماران پس از آسیب‌دیدگی یا مبتلا شدن به بیماری، دارند. بیومتریال‌ها می‌توانند به دو صورت طبیعی یا سنتزشده (مصنوعی) باشند و در کاربردهای مختلف پزشکی برای پشتیبانی، تقویت و بهبود یا جایگزینی بافت آسیب دیده یا عملکرد بیولوژیکی استفاده شوند. اولین استفاده تاریخی از بیومتریال‌ها مربوط به دوران باستان است، زمانی که مصریان باستان از بخیه‌های ساخته شده از رباط‌های حیوانات استفاده می‌کردند. امروزه می‌توان بیومتریال‌ها را زمینه‌ای که ادغام کننده داروسازی، زیست شناسی، فیزیک، شیمی، و جدیدا متاثر از مهندسی بافت و مهندسی مواد است، دانست. این زمینه به طور چشم‌گیری در دهه گذشته به علت اکتشافات در زمینه مهندسی بافت، داروهای احیاکننده (Regenerative Medicine) و سایر زمینه‌های مرتبط داشته است.
فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها، شیشه‌ها، و حتی سلول‌های زنده و بافت، همگی می‌توانند در ساخت یک بیومتریال به کارگرفته شوند. این مواد می‌توانند بازطراحی شوند و آن‌ها را می‌توان به قطعات قالب دهی یا ماشین‌کاری شده، پوشش‌ها، الیاف، فیلم‌ها، فوم‌ها و پارچه‌ها برای استفاده در محصولات و دستگاه‌های بیومتریال تبدیل کرد. این محصولات و دستگاه‌ها ممکن است شامل دریچه‌های قلب، جایگزین‌های مفصل ران، ایمپلنت‌های دندانی، لنز‌های تماسی یا محصولات بسیار دیگری باشد. ذکر این نکته خالی از لطف نیست که بسیاری از این محصولات به صورت زیست تخریب پذیر یا قابل جذب در محیط بیولوژیک ساخته می‌شوند، که هدف این کار خارج شدن بیومتریال پس از انجام وظایف به صورت تدریجی از بدن بیمار است.
بیومتریال‌ها از نظر کاربرد پزشکی به ۶ دسته تقسیم می‌شوند
۱- ایمپلنت‌های پزشکی: مانند دریچه‌های قلبی، استنت‌ها (فنرهای عروقی)، مفاصل و رباط‌ها و تاندون‌های مصنوعی، ایمپلنت‌های شنوایی، ایمپلنت‌های دندانی، و وسایل محرک اعصاب و نورون‌ها
۲- ابزاری که روند بهبود بافت را تسریع می‌کند: مانند نخ‌های بخیه، گیره‌ها و منگنه‌ها برای بستن زخم و پوشش‌های حل شونده در محیط بیولوژیک.
۳- بافت‌های بازسازی شده انسانی: استفاده از ترکیبی از یک بیومتریال به عنوان یک حمایت کننده یا داربست، سلول‌ها، و مولکول‌های زیست فعال. برای مثال، هیدروژل‌های بازساز استخوان یا مثانه‌های انسانی ساخته شده در آزمایشگاه. برای اطلاعات بیش‌تر و دقیق‌تر می‌توانید به مقاله مهندسی بافت تریتا مراجعه کنید.
۴- میله‌های مولکولی و نانوذرات: این دسته از مواد می‌توانند از موانع بیولوژیکی عبور کنند و به تصویربرداری و درمان سرطان سطح مولکولی کمک کنند.
۵- حسگرهای زیستی (Biosensors): حسگرهای زیستی برای تشخیص وجود موادی خاص، مقدار آن‌ها، سنجش و پایش این اطلاعات و انتقال آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال دستگاه‌های کنترل قند خون و حسگرهای سنجش فعالیت مغزی.
۶- سیستم‌های انتقال دارو (Drug-delivery systems): سیستم‌هایی که می‌توانند دارو را به بیماری هدف منتقل کرده و روی آن تاثیر بگذارند. برای مثال استنت‌های عروقی که سطح آن‌ها با دارو پوشانده شده (پوشش سطح استنت با هپارین برای جلوگیری از انعقاد و ایجاد لخته در خون)
تا اینجا اطلاعاتی نسبتا کافی در مورد بیومتریال‌ها و دنیای وسیع آن‌ها به دست آوردید. حال به سوال اصلی می‌پردازیم، که مهندسی پزشکی بیومتریال چیست؟
مهندسی بیومتریال یکی از زیرگرایش های مهندسی پزشکی است و به طور کلی زمینه‌ای از علم است که در آن مهندسان اصول مهندسی را با اصول زیستی ادغام می‌کنند تا بیومتریال‌ها را تولید و از آن‌ها در قسمت‌های مختلف بدن استفاده نمایند به گونه‌ای که در ارتباط با محیط بیولوژیک بدن، محیط و بیومتریال با یکدیگر سازگار شوند.
شرایط تحصیل در رشته مهندسی بیومتریال در ایران
برای تحصیل و فراگیری این گرایش، تحصیل به دو صورت ممکن است:
۱- انتخاب رشته مهندسی پزشکی در مقطع کارشناسی و انتخاب گرایش بیومتریال، بطور تقریبی در سال دوم کارشناسی
۲- انتخاب گرایش بیومتریال در دوره تحصیلات تکمیلی
دانشگاه‌های ایرانی مهندسی پزشکی بیومتریال در کارشناسی
۱- دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران:
ظرفیت این رشته در جداول وزارت علوم ۷۵ نفر است که به طور میانگین در هر سال تا حدود ۹۰ دانشجو نیز به صورت روزانه برگزیده می‌شوند. وابسته به تعداد قبولی در حالت روزانه، در حالت پردیس خودگردان به طور میانگین بین ۳۰ الی ۴۰ دانشجو می‌توانند در این رشته تحصیل نمایند.
۲- دانشگاه شهید بهشتی تهران:
بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته ۳۰ نفر است.
۳- دانشگاه اصفهان:
بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته در حالت روزانه ۵۰ نفر و در حالت شبانه ۱۰ نفر است.
۴- دانشگاه تبریز:
بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته در حالت روزانه ۲۴ نفر و در حالت شبانه ۱۶ نفر است.
۵- دانشگاه صنعتی همدان:
بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته ۴۰ نفر است.
۶- دانشگاه صنعتی شاهرود:
بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته ۳۵ نفر است.
لازم به ذکر است که ظرفیت‌های اعلام شده توسط وزارت علوم به صورت دقیق نبوده و با توجه به ظرفیت اعلام شده توسط دانشگاه، این مقادیر می‌تواند متغیر باشد.
دانشگاه‌های ایرانی مهندسی بیومتریال در دوره تحصیلات تکمیلی
از فعالین در این حوزه می‌توان به دانشگاه‌های صنعتی امیرکبیر تهران، دانشگاه تهران، دانشگاه علم و صنعت تهران، دانشگاه اصفهان، دانشگاه سمنان، دانشگاه تربیت مدرس و … اشاره نمود.
دروس کارشناسی مهندسی پزشکی بیومتریال
دروس اصلی مهندسی پزشکی گرایش بیومتریال
یک سری دروس در کارشناسی مهندسی پزشکی به صورت اصلی بوده و تمامی دانشجویان در تمامی گرایشات مهندسی پزشکی ملزم به گذراندن این دروس هستند:
- استاتیک در مهندسی پزشکی (۳ واحد)
- ریاضیات مهندسی (۳ واحد)
- مقدمه‌ای بر مهندسی پزشکی (۳ واحد)
- تجهیزات عمومی مراکز درمانی (۳ واحد)
- کارگاه تجهیزات پزشکی (۱ واحد)
- مدارهای الکتریکی ۱ (۳ واحد)
- آزمایشگاه مدار (۱ واحد)
- الکترونیک ۱ (۳ واحد)
- اصول و افزار توان‌بخشی (۳ واحد)
- مدیریت و کارآفرینی در مهندسی پزشکی (۲ واحد)
- اصول تصویرنگاری پزشکی (۳ واحد)
- فیزیولوژی (۳ واحد)
- آناتومی (۲ واحد)
- آزمایشگاه فیزیولوژی (۱ واحد)
- فیزیک بدن انسان (۳ واحد)
- زبان تخصصی مهندسی پزشکی (۲ واحد)
- مواد مهندسی ۱: ساختار و خواص (۳ واحد)
- کارورزی (۲ واحد)
- روش تحقیق و گزارش نویسی فنی (۲ واحد)
- پروژه (۳ واحد)
در مجموع ۴۹ واحد
دروس تخصصی اجباری مهندسی پزشکی بیومتریال
- شیمی کاربردی بیومتریال‌ها ۱ : عمومی، معدنی، تجزیه (۳ واحد)
- ترمودینامیک در سیستم های حیاتی (۳ واحد)
- بیولوژی سلولی و مولکولی (۳ واحد)
- مبانی زیست سازگاری و آزمون‌های بیولوژیکی (۳ واحد)
- زیست مواد ۱ (۳ واحد)
- مواد مهندسی ۲ : شکل‌دهی و ساخت (۳ واحد)
- شیمی کاربردی بیومتریال‌ها ۲ : آلی و بیوشیمی (۳ واحد)
- آزمایشگاه شیمی کاربردی بیومتریال‌ها (۱ واحد)
- کارگاه آزمون‌های بیولوژیکی (۱ واحد)
مجموع : ۲۳ واحد
دروس تخصصی انتخابی مهندسی پزشکی بیومتریال
- بیولوژی کاربردی مهندسی پزشکی (۳ واحد)
- مهندسی سامانه های دارورسانی (۳ واحد)
- مکانیک سیالات (۳ واحد)
- روش‌های ارزیابی خواص و کارایی بیومتریال‌ها (۳ واحد)
- مبانی انتقال حرارت و جرم در سیستم‌های حیاتی (۳ واحد)
- آزمایشگاه خواص مکانیکی بافت‌های بیولوژیکی و بیومواد (۱ واحد)
مجموع: ۱۶ واحد
۲۰ دانشگاه برتر دنیا در زمینه مهندسی پزشکی گرایش بیومتریال
- دانشگاه هاروارد
- دانشگاه Shanghai Jiao Tong
- دانشگاه MIT
- دانشگاه Fudan
- دانشگاه Soochow
- دانشگاه ملی سنگاپور
- دانشگاه استنفورد
- دانشگاه Peking
- دانشگاه Zhejiang
- دانشگاه ملی سئول
- دانشگاه Michigan-Ann Arbor
- دانشگاه جانز هاپکینز
- دانشگاه Sichuan
- دانشگاه پیتسبرگ
- دانشگاه کارولینا شمالی
- دانشگاه جورجیا
- دانشگاه پنسیلوانیا
- ایمپریال کالج لندن
- دانشگاه کره
- دانشگاه کلمبیا
درآمد گرایش بیومتریال به صورت جهانی
برای اینکه آماری حدودی از درآمد و بازارکار رشته مهندسی پزشکی بیومتریال به دست آوریم، آمار زیر که مربوط به سایت معتبر ZipRecruiter آمریکا که درآمد سالیانه رشته‌ها و شغل‌های مختلف را در آمریکا نشان می‌دهد، مورد بررسی قرار دادیم. نتایج به دست آمده جالب توجه بود:
میانگین یک مهندس بیومتریال در آمریکا سالانه ۸۵,۱۱۸ دلار درآمد دارد که به بیان دیگر ساعتی ۴۱ دلار درآمد خواهد داشت. جالب است بدانید درآمد سالانه در دو شهر لیکس (Lakes) و سانفرانسیسکو به ترتیب ۹۹,۰۲۶ و ۹۸,۶۲۴ دلار در سال است که بیش‌ترین درآمد یک مهندس بیومتریال در بین تمامی شهرهای آمریکاست. در مورد زیرگرایش مهندسی بافت، درآمد سالیانه یک مهندس بافت ۸۱,۰۴۷ دلار در سال یا به بیان دیگر برابر ۳۹ دلار در هر ساعت است که کم‌تر از یک مهندس بیومتریال است.
لازم به ذکر است که این ارقام مربوط به افرادی است که در آزمایشگاه‌ها مشغول به کار اند و بیش‌تر زمان خود را صرف اکتشاف و تحقیق در دنیای علم می‌کنند. ارقام مربوط به افرادی که صاحب شرکت تولید تجهیزات در این حوزه‌اند یا به صورت کلی در حال فعالیت صنعتی هستند، ارقامی به مراتب بالاتر از این اعداد است.
نرم افزارهای مورد استفاده در مهندسی بیومتریال
-
تصویر سازی‌های ۳ بعدی و ۴ بعدی برای داده‌های زیاد
| Software | Supplier | Main characteristics | Pros/cons |
| Imaris | Bitplane – Andor | Many analysis modules (Filament tracer, Imaris Cell, deconvolution), HDF5 format Customize analysis with Matlab, Java, R, Python Imaris Batch, Imaris Sticher | + : user friendly, coupled to other analysis modules and other languages
– : big consumption of RAM and disk space for big data, expensive |
| Vision4D | Arivis | High interactive 3D/4D rendering on standard PCs with 3D graphics support Integration of custom workflows via Matlab API and Python scripting | + : fast visualization for big data, interactive 3D/4D rendering
– : analysis options still not extensively developped |
| Volocity | Quorum Technologies | ۳D rendering Volocity Free Viewer : free version | + : easy to use
– : not many analysis options, not fast for big data |
| BigDataViewer | T. Pietzsch (MPI-CBG) | Handles big data – uses HDF5 format – shows a slice Works as a Fiji plugin | + : open source, handles big data
– : not many analysis options |
| ClearVolume | L. Royer (MPI-CBG) | Easy to use 4D visualization plugin in Fiji | + : open source, works with most graphic cards, easy to sue
– : limited by computer memory, no analysis |
| Sciview | K. Harrington, U. Guenther | ۳D visualization and virtual reality modules in Fiji | + : open source, dedicated to big data 3D imaging and virtual reality representation
– : not completely finished software yet |
| Vaa3D | Janelia / Allen Institut for Brain Science | Coupled to brain mapping analysis Extracts complex surface objects from images Many plugins for image acquisition, analysis Terafly and TeraConverter | + : open source, fast 4D visualization, coupled to analysis modules
– : not very easy to use |
| Spimagine | M. Weigert (MPI-CBG)) | Use of GPU acceleration via OpenCL Installation in Python | + : handles big data for 4D, open source
– : single color, not many analysis options yet |
| DIVA | Institut Curie/ Pasteur | ۳D analysis using virtual reality | + : highly interactive – : not many analysis options yet |
| Aivia | DRVISION | ۳D analysis and visualization using machine learning | + : very fast visualization, interactive
– : not yet coupled to many analysis modules |
-
تصویربرداری از سلول و بافت
| Supplier | Main brand |
| Molecular Devices | MetaMorph |
| Zeiss | AxioVision / Zen |
| Perkin Elmer Improvision | Volocity, OpenLab |
| Bitplane | Imaris |
| Nikon | NIS Elements |
| Leica | LCS, LAS |
| Xenogen | |
| Applied Precision | SoftWorx |
| Intelligent Imaging Innovations | Slidebook |
| Hamamatsu | Simple PCI, AquaCosmos |
| Media Cybernetics | Image-Pro Express |
| US National Institutes of Health | ImageJ / Fiji |
| Definiens | Developer XD 2.6 |
| Open Microscopy Environment | OMERO client |
-
نرم افزارهای طراحی و آنالیز بیولوژی مولکولی
| Supplier | Main brand |
| Applied Biosystems | Primer Express, SDS, GeneMapper |
| Illumina | BeadStudio, CASAVA, ELAND, Pipeline |
| Bio-Rad | Opticon, LaserSharp |
| SoftGenetics | Mutation Surveyor, GeneMarker |
| Gene Codes | |
| Roche | ۴۵۴ software, LightCycler software |
| DNAStar | |
| SABiosciences | |
| Stratagene | |
| Premier BioSoft International | |
| Fluidigm | |
| Biotage | |
| Genomatix |
-
نرم افزارهای آنالیز بیوشیمیایی
| Supplier | Main brand |
| MicroCal Software | Origin |
| Biacore | Evaluation |
| Wyatt | |
| BioLogic Software | |
| Synergy Software | |
| GE Healthcare | |
| Agilent | Wave Software |
شرکت‌های تجهیزات مهندسی پزشکی بیومتریال
شرکت‌های بسیار زیادی در زمینه تولید محصولات مهندسی پزشکی بیومتریال درحال فعالیت هستند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان شرکت‌های زیر را نام برد:
- CardinalHealth
- Noble Biomaterials
- Medtronic
- Abbott
- ۳M
- GE healthcare
- Johnson & Johnson
- Bayer
- Zimmer Biomet
- Boston Scientific
به طور کلی، گرایش بیومتریال زمینه‌ای است که جای فعالیت و تحقیق فراوان دارد. تحقیقات روز افزون در زمینه بیومتریال‌ها و همچنین مهندسی بافت، نقش این گرایش از مهندسی پزشکی را به صورت دوچندان پررنگ‌تر می‌کند و افق‌های بسیاری روشنی را برای آینده بشریت و درمان بیماری‌ها متصور می‌شود.
منبع : NIBIB
بنده دانشجوی ارشد بایومتریال هستم و باید خسته نباشید و تبریک عرض کنم خدمت شما با این اطلاعات بسیار مفید و خوبی که به اشتراک گذاشتید…امیدوارم باز هم ازین اطلاعات خوب در اختیار ما قرار بدید.موفق باشید.
با سلام
امیدوارم همیشه خوب و سلامت باشید
خیلی خوشحالم که این نوشته براتون مفید واقع شده.
انشالله در مقالات آینده تیم تریتا تمامی تلاشش را خواهد نمود تا مطالبی را برای شما مخاطبان محترم
که بخشی از خانواده تریتا هستید، فراهم آورد.
با سلام و احترام. ضمن تشکر از زحمات شما. لطفا فهرست دانشگاه های دارنده این گرایش مهندسی پزشکی رو به روز رسانی بفرمایید چون خیلی ناقص هست.
سلام ممنون از مطلب کاربردی و خوبتون ..
یه سوال داشتم دروس ریاضیات طور گرایش بیومتریال شامل چه دروسی هستند و ایا حجم این دروس زیاده ؟
سلام، امیدوارم خوب و سلامت باشید.
ببینید بصورت کلی در مقطع کارشناسی، برخی دروس مثل ریاضی ۱، ریاضی ۲، آمار و محاسبات عددی وجود دارند که بصورت سرویس هستن و باید گذرونده بشن.
از طرفی برای دانشجویان مهندسی پزشکی، دروس ریاضیات مهندسی و معدلات دیفرانسیل هم اجباری هستند.
این دروس بالا که گفته شد، یک سری دروس هستن که مشخصا پایه ریاضی دارن.
یک سری دروس دیگه هم وجود داره برای گرایش بیومتریال که نیازمند داشتن سطح ریاضی مناسبی هستند، مثلا ترمودینامیک، مکانیک سیالات، استاتیک و حتی الکترونیک و مدار الکتریکی که برای گذراندن این دروس نیاز هستش که توانایی خوبی در حل مسائل ریاضی و معادلات دیفرانسیل داشته باشید و بطور کلی باید درک ریاضیتون خوب باشه که هم فرآیند ها و اصول این دروس رو درک کنید و هم این دروس رو راحت بگذرونید.
در مجموع از اونجایی که این گرایش، زیر مجموعه یک رشته مهندسی هستش، داشتن دیدگاه یک مهندس که نگاه آماری و عددی نسبت مسائل داره، جزو الزامات این رشته و گرایش به حساب میاد. شاید بخوام خیلی دقیق تر و بطور خاص در مورد مهندسی پزشکی بگم، یک مهندس پزشک(که یک مهندس بیومتریال زیر مجموعه یک مهندس پزشک هستش) باید بتونه پدیده های بیولوژیک رو از دیدگاه ریاضیات مدل سازی کنه، همین قضیه باعث اهمیت ریاضیات در این رشته میشه.
امیدوارم جوابم بهتون کمک کرده باشه. بازم اگه سوالی دارین، خوشحال میشم بتونم اطلاعاتی که دارم رو باهاتون به اشتراک بگذارم 🙂
با سلام و خسته نباشید. من کارشناسی متالورژی هستم و میخوام ارشد بیومتریال بگیرم. میخوام ببینم بعد از گرفتن مدرک میتونم مجوز تاسیس لابراتوار برای ساخت ایمپلنت و پروتزهای دندانی بگیرم؟
سلام
امیدوارم خوب و سلامت باشید.
با توجه به اطلاعاتی که بنده دارم برای تاسیس لابراتوار دنداسازی باید کارشناسی تکنسین دندان سازی داشته باشید و با مدرک ارشد مهندسی پزشکی قابلیت تاسیس لابراتوار دندان سازی وجود نداره.
سلام.اوضاع بازارکار مهندسی پزشکی چطوره؟
واقعا مطلب کاملی بود تو سطح وب فارسی عمدتا مطالب خیلی کلی و ارمانگرایانه نوشته شده نه جزئیات عملی و واقعی
ممنون از شما
سلام از طریق این گرایش مهندسی پزشکی میشه وارد حوزه کاری پورتز های دندانی شد ؟مثلا ساخت دندان مصنوعی
بله دقیقا پروتزهای دندانی در حوزه بیومتریال هستند.