जीव विज्ञान इंजीनियरिंग | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

जीव विज्ञान इंजीनियरिंग, जिसे बायोइंजीनियरिंग भी कहा जाता है, जैविक सिद्धांतों और इंजीनियरिंग उपकरणों का उपयोग करके उपयोगी, ठोस और आर्थिक रूप से व्यवहार्य उत्पाद बनाने की प्रक्रिया है। बायोइंजीनियरिंग का उपयोग चिकित्सा और जैविकी के क्षेत्रों में इंजीनियरिंग ज्ञान लागू करने के लिए किया जाता है। एक बायोइंजीनियर विभिन्न क्षेत्रों में कार्य कर सकता है। शरीर के दोषपूर्ण कार्यों को सहायता प्रदान करने के लिए कृत्रिम साधनों का विकास, जैसे कि श्रवण यंत्र, कृत्रिम अंग, और सहायक या प्रतिस्थापन अंग, इनमें से एक है। एक अलग दिशा में, एक बायोइंजीनियर इंजीनियरिंग विधियों का उपयोग करके पशु या पौधों के उत्पादों की जैवसंश्लेषण प्राप्त कर सकता है, जैसे कि किण्वन प्रक्रियाओं के लिए। इस प्रकार, बायोइंजीनियरिंग मानव स्वास्थ्य में सुधार और पर्यावरणीय स्थिरता को बढ़ावा देने पर केंद्रित है, जो दुनिया के दो सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियाँ हैं।

बायो-इंजीनियरिंग एक विशेष क्षेत्र के रूप में

• बायोइंजीनियरिंग WWII के बाद तेजी से बढ़ने लगा, आंशिक रूप से ब्रिटिश वैज्ञानिक और प्रसारक हाइनज़ वुल्फ द्वारा 1954 में नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर मेडिकल रिसर्च में "बायोइंजीनियरिंग" शब्द का निर्माण करने के कारण।
• 1950 के दशक में, चिकित्सा इलेक्ट्रॉनिक्स सत्रों ने बायोइंजीनियरिंग सम्मेलनों पर हावी रहे। रक्त प्रवाह गतिशीलता, प्रोस्थेटिक्स, बायोमैकेनिक्स (शरीर की गति और सामग्री की ताकत की गतिशीलता), जैविक गर्मी संचरण, बायोमैटेरियल्स, और अन्य चिकित्सा उपकरणों और चिकित्सा इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए मुख्य रुचि के क्षेत्र बने रहते हैं।
• बायोइंजीनियरिंग विशिष्ट इच्छाओं या आवश्यकताओं से उत्पन्न हुआ, जैसे कि सर्जनों की हृदय को बायपास करने की इच्छा, प्रतिस्थापन अंगों की आवश्यकता, और अंतरिक्ष में जीवन समर्थन की आवश्यकता।
• इंजीनियर और जीवन वैज्ञानिक के बीच एक संचार टूटना था। इस समस्या को हल करने के लिए, इंजीनियरों ने न केवल विषय वस्तु पर बल्कि अपने चिकित्सा, फिजियोलॉजी, मनोविज्ञान, और जैविकी समकक्षों द्वारा उपयोग की जाने वाली विधियों और तकनीकों पर शोध करना शुरू किया।
• अंततः, इंजीनियरिंग स्कूलों ने इस संचार बाधा को पार करने में सहायता करने और भविष्य के लिए इंजीनियरों को तैयार करने की आवश्यकता के उत्तर में बायोइंजीनियरिंग पाठ्यक्रम और पाठ्यक्रम विकसित किए।

बायो-इंजीनियरिंग की शाखाएँ

• चिकित्सा इंजीनियरिंग: चिकित्सा समस्याओं पर इंजीनियरिंग सिद्धांतों का उपयोग किया जाता है, जैसे कि क्षतिग्रस्त अंगों का प्रतिस्थापन, उपकरण, और स्वास्थ्य-देखभाल प्रणालियाँ, जिनमें कंप्यूटर-सहायता प्राप्त निदान शामिल हैं।
• जैविक इंजीनियरिंग: जैविक उत्पादन में समस्याओं के साथ-साथ बाहरी संचालन और वातावरण पर इंजीनियरिंग सिद्धांतों का उपयोग किया जाता है।
• बायोनिक्स: जीवित प्रणालियों का अध्ययन ताकि जो कुछ सीखा गया है, उसे भौतिक प्रणालियों के डिज़ाइन में लागू किया जा सके।
• जैव रासायनिक इंजीनियरिंग: जैव रासायनिक इंजीनियरिंग में किण्वन इंजीनियरिंग शामिल है, जो सूक्ष्म जैविक प्रणालियों पर इंजीनियरिंग सिद्धांतों का उपयोग करती है, जो नए उत्पादों, जैसे कि प्रोटीन, को उपयुक्त कच्चे माल से संश्लेषित करने के लिए होती है।
• मानव-कारक इंजीनियरिंग: मानव-यंत्र संबंध को सुधारने के लिए इंजीनियरिंग, शारीरिक विज्ञान, और मनोविज्ञान का उपयोग किया जाता है।
• पर्यावरणीय स्वास्थ्य इंजीनियरिंग: मानव स्वास्थ्य, आराम, और सुरक्षा के लिए वातावरण के नियंत्रण में इंजीनियरिंग सिद्धांतों का उपयोग किया जाता है। यह अंतरिक्ष और महासागर अन्वेषण के लिए जीवन-समर्थन प्रणालियों के क्षेत्र को शामिल करता है।
• अनुवांशिक इंजीनियरिंग: डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड (DNA) या अन्य न्यूक्लिक एसिड अणुओं की कृत्रिम हेरफेर, संशोधन, और पुनः संयोजन को अनुवांशिक इंजीनियरिंग कहा जाता है। इस क्षेत्र में प्रयुक्त तकनीकों ने मानव इंसुलिन, मानव वृद्धि हार्मोन, और हेपेटाइटिस B वैक्सीन जैसे चिकित्सकीय महत्वपूर्ण उत्पादों के उत्पादन की दिशा में प्रगति की है। परमाणु की खोज और अंतरिक्ष उड़ान के साथ, अनुवांशिक इंजीनियरिंग हाल के इतिहास में सबसे महत्वपूर्ण सफलताओं में से एक हो सकती है। हालांकि, इसके साथ कई नकारात्मक पहलू और संभावित जोखिम जुड़े हुए हैं।

बायो-इंजीनियरिंग अनुसंधान और विकास के सबसे बड़े रुझान

ऊतक इंजीनियरिंग: वेक फॉरेस्ट संस्थान के पुनर्जनन चिकित्सा के शोधकर्ताओं ने एक विशेष 3डी प्रिंटर का उपयोग करके ऐसे ऊतकों का निर्माण किया जो चूहों में प्रत्यारोपित करने पर विकसित हुए।

त्वचीय पैच: त्वचीय पैच ने तब से लंबा सफर तय किया है जब इन्हें पहली बार धूम्रपान छोड़ने में मदद के लिए उपयोग किया गया था। सिंगापुर के नानयांग तकनीकी विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने एक त्वचीय पैच विकसित किया है जिसमें ऐसे औषधियाँ शामिल हैं जो मोटापे से लड़ने में मदद करती हैं। ये यौगिक पैच में सैकड़ों बायोडिग्रेडेबल माइक्रोनीडल्स के माध्यम से जारी किए जाते हैं जो त्वचा में मुश्किल से प्रवेश करते हैं, बजाय इसके कि उन्हें मौखिक या इंजेक्शन द्वारा लिया जाए। जैसे-जैसे सुइयाँ घुलती हैं, औषधियाँ धीरे-धीरे शरीर में जारी होती हैं।

वियोज्य प्रौद्योगिकी: लचीले, waterproof, और खींचने योग्य सेंसर, तार, और इलेक्ट्रॉनिक्स को 3डी प्रिंट किया जा सकता है या कपड़े में बुनाई की जा सकती है। स्मार्ट कपड़े विशेष पॉलिमर और आर्द्रता-संवेदनशील वेंट्स की मदद से शरीर के तापमान को नियंत्रित करते हैं, जो केवल तभी खुलते हैं जब उनकी आवश्यकता होती है। कपड़ों के माध्यम से व्यक्तिगत तापमान नियंत्रण को भवन में हीटिंग और कूलिंग लागत में 15% तक बचत के एक तरीके के रूप में सुझाया गया है।

सूक्ष्मबुलबुले: शोधकर्ता अभी भी स्वस्थ कोशिकाओं और ऊतकों को नुकसान पहुंचाए बिना विशेष लक्षित क्षेत्रों में दवाओं को selectively पहुँचाने के नए तरीकों की खोज कर रहे हैं। सूक्ष्मबुलबुले, जो बहुत छोटे, गैस से भरे कण होते हैं जिनका आकार माइक्रोन के बराबर होता है, एक नया दृष्टिकोण हैं। अल्ट्रासाउंड का उपयोग किए बिना, सूक्ष्मबुलबुले को एक पदार्थ के साथ उपचारित किया जा सकता है जो उन्हें ट्यूमर से चिपका देता है।

प्राइम संपादन: बेस संपादन और CRISPR-Cas9 तकनीक की सफलता ने इस नए जीन-संपादन तकनीक के विकास की ओर अग्रसर किया है। प्राइम संपादन DNA को एकल स्ट्रैंड पर आधार युग्मों को जोड़कर, हटाकर, या बदलकर फिर से लिखता है। यह विधि, मौजूदा जीनोम-संपादन दृष्टिकोणों जैसे CRISPR-Cas9 के विपरीत, शोधकर्ताओं को एक व्यापक श्रृंखला के आनुवंशिक उत्परिवर्तन को संपादित करने की अनुमति देती है।

ऑर्गन-ऑन-ए-चिप: चिप्स मानव शरीर क्रिया विज्ञान का microscale मॉडल बनाने की अनुमति देती हैं। ऊतकों के व्यवहार, रोग प्रगति, और औषधीय इंटरैक्शन को बेहतर ढंग से समझने के लिए, ऑर्गन-ऑन-चिप्स का उपयोग ऊतकों और अंगों के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए किया जाता है, जो छोटे, लेकिन पूर्ण कार्यात्मक, नमूना आकार में होते हैं।

मिनी बायोरिअक्टर्स: बायोरिअक्टर्स जैविक रूप से सक्रिय जीवों और उनके उपोत्पादों का समर्थन प्रणाली होती हैं। छोटे बायोरिअक्टर्स अधिक प्रबंधनीय होते हैं और कम नमूनों की आवश्यकता होती है। सूक्ष्म स्तर के बायोरिअक्टर्स, जो एंजाइमों या अन्य जैव उत्प्रेरकों के साथ-साथ सटीक निष्कर्षण प्रणालियों को शामिल करते हैं, अब उच्च शुद्धता वाले उत्पादों का उत्पादन करने के लिए डिज़ाइन किए जा सकते हैं, जो सूक्ष्म तरल निर्माण क्षमताओं में प्रगति के कारण संभव है। 3डी प्रिंटिंग के और अधिक परिष्कृत होने के साथ, अधिक असामान्य प्रवाह पथ या विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए संस्कृति कक्षों वाले लघु बायोरिअक्टर्स संभव होने चाहिए।