Formazione

Ingegneria biomedica, cos’è, come si diventa ingegnere biomedico

Analizziamo un importante settore del mondo dell’assistenza sanitaria, una specialità ingegneristica entrata nell’immaginario collettivo attraverso la proliferazione di dispositivi medici impiantabili, come ad esempio i pacemaker, fino a tecnologie più futuristiche come l'ingegneria applicata alle cellule staminali (ingegneria tissutale) e la stampa 3D di organi biologici. [...]
Luigi Mischitelli

Privacy & Data Protection Specialist at IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza

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L’ingegneria biomedica è quella branca del macro-mondo dell’ingegneria che si occupa di applicare i principi generali nonché le tecniche “tipiche”, per l’appunto, dell’ingegneria alla biologia e alla medicina.

Ingegneria biomedica, cos’è

Quello dell’ingegneria biomedica è un importante settore che trova il suo habitat nel mondo dell’assistenza sanitaria, figurando come supporto fondamentale al mondo healthcare. Tale specialità ingegneristica è entrata nell’immaginario collettivo attraverso la proliferazione di dispositivi medici impiantabili, come ad esempio i pacemaker, fino a tecnologie più futuristiche come l’ingegneria applicata alle cellule staminali (ingegneria tissutale) e la stampa 3D di organi biologici. L’ingegneria stessa è, d’altro canto e di per sé, un campo fortemente innovativo: si potrebbe dire che tale disciplina figuri come l’“origine delle idee”, idee che hanno condotto e conducono ad una molteplicità di innovazioni, dalle automobili ai veicoli aerospaziali, dalla nascita dei grattacieli ai sonar. L’ingegneria biomedica, come accennato, si concentra sui progressi che migliorano la salute umana e l’assistenza sanitaria (a tutti i livelli).

Gli ingegneri biomedici differiscono dai loro colleghi di altre branche dell’ingegneria in quanto possiedono “un’influenza” sulla salute umana, avendo a disposizione e applicando una conoscenza “intima” dei principi biologici moderni al loro processo di progettazione ingegneristica. Nell’ingegneria biomedica sono integrati tra loro aspetti di ingegneria meccanica, elettrica, chimica, nonché aspetti relativi alla scienza dei materiali, della chimica, della matematica e dell’informatica, con la biologia umana a fare da “collante” per il fine ultimo di migliorare la salute dell’uomo. Peraltro, che si tratti di un arto protesico “avanzato” o di una svolta nell’identificazione delle proteine all’interno delle cellule, tutto è finalizzato ad un miglioramento della salute umana.

Ci sono diverse sotto-discipline all’interno dell’mini universo dell’ingegneria biomedica, tra cui la progettazione e lo sviluppo di dispositivi medici attivi e passivi, la creazione di impianti ortopedici, il settore della diagnostica per immagini, l’elaborazione dei segnali biomedici, il già accennato “ramo” dell’ingegneria tissutale per le cellule staminali nonché il “sottoinsieme” dell’ingegneria clinica (che mira all’ottimizzazione della gestione dei macchinari sanitari – e quindi della spesa – ad uso ospedaliero). Mentre nel mondo accademico si spinge per promuovere la ricerca verso le più lontane “frontiere del medicalmente possibile”, nel mondo dell’impresa si punta a testare, implementare e sviluppare nuovi strumenti diagnostici e innovative attrezzature mediche “pronte per l’uso” nel settore dell’assistenza sanitaria, il tutto corredato dagli elevati standard di sicurezza ai cui i diversi dispositivi medici devono sottostare (si pensi al Regolamento Europeo 2017/745 o alla ISO 13485).[1]

Ingegneria biomedica, il percorso formativo

Per quanto riguarda il percorso formativo, intraprendere un iter che porti al conseguimento di un diploma di laurea in ingegneria biomedica porta inevitabilmente all’acquisizione di elevate competenze circa l’uso e la creazione di strumenti e di dispositivi medici. Il dottore in ingegneria biomedica “fresco di laurea” ha dinanzi a sé diverse possibilità di impiego, tanto in ambito pubblico quanto in quello privato (e non sempre come lavoratore subordinato); settori nei quali sono comunque alte le competenze “di base” del neo-ingegnere circa la progettazione, la messa in opera e l’analisi delle strumentazioni e dei dispositivi medici di cui si avvale il personale sanitario, ad esempio, di un determinato nosocomio. Il laureato in ingegneria biomedica possiede un considerevole bagaglio di conoscenze collegate ai biomateriali nonché allo sviluppo di dispositivi protesici, con l’informatica medica a fare da contorno al cursus studiorum.

Agli studenti iscritti ai corsi di laurea in Ingegneria biomedica viene richiesto di addentrarsi nello sviluppo di strumenti, tecnologie e dispositivi su cui investire per prevenire e contrastare determinate patologie. Oltre allo sforzo per debellare malattie e migliorare la qualità della vita dei pazienti, in un corso universitario di ingegneria biomedica vengono studiate le procedure di diagnosi, di terapia e di riabilitazione rese possibile dall’incedere inesorabile dell’innovazione tecnologica, con un occhio di riguardo verso le onnipresenti questioni etiche (si pensi alla sempre più pressante importanza dell’etica nel campo dell’intelligenza artificiale). La laurea in Ingegneria biomedica può essere spesa ottimamente in strutture sanitarie, nelle aziende del settore biomedicale nonché nel relativo indotto (come l’industria farmaceutica).

Le università italiane che propongono corsi di laurea in Ingegneria biomedica incentrano la loro offerta formativa sullo studio approfondito dei dispositivi medici, preparando il futuro professionista al mondo del lavoro. Oltre alle materie scientifiche “di base” come matematica, chimica, design, informatica e fisiologia, in un corso di laurea in ingegneria biomedica vengono approfondite importanti materie quali biomeccanica, biomateriali, informatica medica, bioingegneria cellulare, strumentazione biomedica e ingegneria clinica. In tali corsi è prevista generalmente la presenza di lezioni frontali e di lezioni di laboratorio, oltre a un tirocinio (pressoché sempre) obbligatorio che generalmente si svolge presso aziende biomediche o centri di ricerca. Il conseguimento di un diploma di laurea in ingegneria biomedica sancisce per il professionista l’acquisizione di diverse capacità di rapportarsi con il personale medico ospedaliero, in quanto il lavoro dell’ingegnere biomedico comporta essere innumerevoli volte a stretto contatto con tali dirigenti sanitari.

Chi è l’ingegnere biomedico

L’ingegnere biomedico generalmente fornisce assistenza al personale medico nella scelta della corretta tecnologia da applicare al caso concreto e di come tale tecnologia andrà utilizzata. Infine, non si può non citare quelli che sono i requisiti che il futuro ingegnere dovrà possedere prima di accedere ai corsi di laurea in ingegneria biomedica. Per accedere è, infatti, richiesto quantomeno il possesso di una buona base di partenza circa la conoscenza di materie scientifiche come matematica, fisica e chimica, nonché – data la necessità di utilizzare dispositivi tecnologici “H24” – buone capacità nell’utilizzo dei sistemi informatici. Infine è sempre più pressante la richiesta di un buon livello di conoscenza della lingua inglese, fondamentale in un settore così “in movimento” e proiettato verso il futuro (e verso l’estero!). In Italia i corsi universitari in ingegneria biomedica contemplano sia lauree triennali che lauree magistrali (in questo caso come completamento di un corso di laurea in ingegneria, ad esempio elettronica). Tra le università italiane in cui è attivo questo corso di laurea vi sono l’Università di Padova, il Politecnico di Milano, l’Università di Napoli “Federico II”, le università di Roma (Sapienza, Roma Tre e Campus Bio-Medico) e l’Università di Pisa.[2]

Le applicazioni dell’ingegneria biomedica

Come accennato, l’ingegneria biomedica figura come un campo interdisciplinare in rapida evoluzione che coinvolge medicina, biologia, chimica, ingegneria, nanotecnologia e informatica. Gli ingegneri biomedici rappresentano spesso l’avanguardia della scoperta scientifica, portando avanti la creazione di dispositivi medici innovativi, di vaccini, di prodotti per la gestione delle patologie, di robot e di algoritmi preordinati al miglioramento della salute umana. Vediamo quali sono le sue principali applicazioni.

Ingegneria dei tessuti

Nel campo della creazione di tessuti è forte l’ingegnere biomedico è in uno dei suoi habitat naturali. Il tessuto “vivente” può essere composto da cellule biologicamente attive, che vengono depositate su “impalcature” biodegradabili in condizioni controllate. Il “bio-printing” è un processo che usa “bio-ink”, materiali utilizzati per produrre tessuti vivi ingegnerizzati o artificiali utilizzando la stampa 3D. Le cellule sono stampate in strati sottili che si accumulano in un tessuto vivente o parti del corpo che possono essere impiantate. Alcuni ricercatori hanno utilizzato una speciale stampante 3D per creare tessuti che “prosperano” quando vengono impiantati in cavie da laboratorio (che anticipa la sperimentazione sull’uomo).

Dispositivi indossabili

Le tecnologie indossabili (si pensi a “wearable device” come gli smartwatch) stanno diventando sempre più multifunzionali e possono monitorare più parametri di salute, come la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna; inoltre, quelli più “sofisticati” possono comunicare in tempo reale direttamente con l’equipe medica che ha in cura il paziente sottoposto a monitoraggio (telemedicina). L’abbigliamento “intelligente”, invece, permette di controllare la temperatura del corpo utilizzando polimeri speciali e prese d’aria sensibili all’umidità che, aprendosi quando necessario, permettono di mantenere una temperatura omogenea rapportata all’esterno dell’indumento (ad esempio nel passaggio da un ambiente esterno freddo a uno interno caldo). Tale tipologia di indumenti tecnologici possono dare anche una mano all’ambiente, in quanto il controllo della temperatura sul singolo individuo, attraverso l’abbigliamento “intelligente”, potrebbe ridurre i costi di riscaldamento e di raffreddamento di un edificio fino al 15% (e comportare un netto vantaggio per l’ecosistema!).

ingegneria biomedica

Chirurgia robotica e riabilitazione

Alcuni produttori di dispositivi tecnologici stanno realizzando robot multifunzionali che possano assistere con sempre maggiore efficacia i chirurghi in sala operatoria. Guidati dall’input dei medici (previamente formati), questi dispositivi robotici sono in grado di manipolare alcuni strumenti chirurgici con una precisione molto alta; il chirurgo non potrebbe “umanamente” raggiungere tale precisione senza l’ausilio di tali strumenti. Ciò è particolarmente vero, ad esempio, per gli interventi chirurgici minimamente invasivi. I robot sono anche estremamente utili per quelle persone che hanno subito ictus o lesioni cerebrali, soprattutto per quanto riguarda la riabilitazione finalizzata al re-imparare quelli che sono i compiti motori (come il camminare). Per esempio, il Lokomat figura come un sistema di addestramento per l’andatura umana che utilizza un esoscheletro robotico e un tapis roulant con il fine di aiutare i pazienti a recuperare le funzioni di base tipiche della semplice camminata. Tale sistema permette anche al terapista di controllare la velocità della camminata nonché quanto supporto le “gambe robotiche” danno al paziente.

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Nanorobot

Gli ingegneri biomedici stanno lavorando duramente per la progettazione di nano-robot abbastanza piccoli da entrare nel flusso sanguigno dell’uomo ed eseguire determinati compiti, come uccidere le cellule tumorali. I progetti di nanorobotica includono strutture basate sul Dna che contengono farmaci antitumorali che si legano solo con una specifica proteina presente nei tumori, cosicché il nanorobot rilascia il suo farmaco direttamente nel tumore. Tale tecnologia possiede l’indubbio vantaggio di rilasciare il farmaco esattamente dov’è necessario, permettendo al corpo di non essere sovraccaricato di quella potenziale tossicità e di quei potenziali effetti collaterali tipici dei farmaci (quantomeno, diminuendone il dosaggio), migliorando l’esperienza del paziente.

Realtà virtuale

La realtà virtuale è uno strumento particolarmente prezioso nel campo medico per il modo in cui può presentare i dati presi dalle immagini mediche tridimensionali. I dati acquisiti dalla realtà virtuale applicata alla medicina possono creare una visione 3D incredibilmente dettagliata del corpo di un paziente o di un’area di interesse medico, come ad esempio il sistema cardiovascolare. Il modello può essere esaminato da tutte le angolazioni e da tutti i punti di interesse per determinare il modo migliore per eseguire una procedura. I chirurghi possono persino fare pratica su una procedura complessa più volte prima di eseguirla. La realtà virtuale applicata alla medicina è anche uno strumento fondamentale per gli studenti di medicina i quali, per esempio, potrebbero eseguire dissezioni virtuali invece di usare i cadaveri (ove possibile).

ingegneria biomedica

Microbolle

Un altro sistema che gli ingegneri biomedici studiano per somministrare i farmaci in aree specifiche del corpo umano, evitando così di danneggiare le cellule e i tessuti sani, è quello delle microbolle, ossia particelle molto piccole riempite di gas. Le microbolle, “caricate” con farmaci, vengono iniettate nel corpo e si distribuiscono ovunque; tuttavia, una volta che le microbolle raggiungono il punto interessato, vengono “sparate” con fascio di ultrasuoni così da permettere al farmaco di essere somministrato lì dove è necessario. Addirittura, le microbolle possono anche essere trattate con una sostanza che le fa aderire ai tumori senza bisogno di essere investite da ultrasuoni.

Organ-on-a-chip

La tecnologia degli “organ-on-a-chip” permette la costruzione di modelli in micro-scala che simulano la fisiologia umana “fuori dal corpo”. Gli “organ-on-a-chip” sono usati per studiare il comportamento dei tessuti e degli organi in campioni minuscoli (ma completamente funzionali) affinché vengano meglio compresi i comportamenti dei tessuti, la progressione della malattia e le interazioni con i farmaci. Per esempio, i processi di infiammazione possono essere studiati per determinare come l’infiammazione si è innescata, con il suo valore come indicatore di allarme precoce per condizioni mediche sottostanti (comprese le risposte autoimmuni). Altri processi fisiologici studiati sui chip includono la trombosi, il carico meccanico sulle articolazioni e l’invecchiamento.

Mini bioreattori

I bioreattori sono sistemi che supportano organismi biologicamente attivi e relativi loro sottoprodotti. I bioreattori più piccoli sono più facili da gestire e richiedono volumi di campione inferiori. I progressi nelle capacità di fabbricazione rendono ora possibile progettare bioreattori su micro scala che possono incorporare enzimi. Man mano che la stampa 3D diventa più efficiente dovrebbe essere possibile produrre bioreattori in miniatura con percorsi di flusso più insoliti o camere di coltura appositamente progettate.

Ingegneria biomedica, le tendenze future

Economicamente parlando, il campo dell’ingegneria biomedica vede aumentare il suo valore di mercato ogni anno. I progressi rivoluzionari nella diagnostica per immagini stanno cambiando il modo di praticare la medicina. I nuovi dispositivi medici, nati nei laboratori di ricerca di tutto il mondo, hanno completamente alterato il modo in cui le malattie e i traumi sono trattati dai medici, estendendo la qualità e la durata della vita umana. In definitiva, il futuro dell’ingegneria biomedica è legato ai problemi e agli ostacoli nonché ai progressi e alle conquiste in campi come la chimica, la scienza dei materiali e la biologia. Proprio come nella maggior parte degli altri settori, l’interdisciplinarità permette di portare avanti un’innovazione continua nel settore healthcare. La miniaturizzazione, le innovazioni circa i materiali e la medicina personalizzata sono tendenze chiave per l’ingegneria biomedica del futuro, con i ricercatori sempre più “ansiosi” di incorporarli nei loro progetti.

Queste tecnologie, infatti, aprono una vasta gamma di nuove soluzioni di progettazione che non sarebbero state possibili con i metodi di produzione convenzionali. Questi progressi stanno avvenendo a un ritmo sempre maggiore: gli ingegneri biomedici devono tenere il passo con le tecnologie e le innovazioni dirompenti affinché realizzino prodotti sempre migliori, mantenendo o aumentando la loro “quota di mercato” nonché difendendo la reputazione della loro categoria.[3]

 

Note

  1. What Is Biomedical Engineering? Michigan Technological University. https://www.mtu.edu/biomedical/department/what-is/
  2. Laurea in Ingegneria Biomedica. Università.it https://www.universita.it/laurea-ingegneria-biomedica/
  3. Top 10 Bioengineering Trends for 2020. The American Society of Mechanical Engineers. https://www.asme.org/topics-resources/content/top-10-bioengineering-trends

 

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