Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" сформировал программу для обеспечения глобальной конкурентоспособности вуза в области прорывных технологий, инновационной продукции и профессионально ориентированных образовательных услуг.
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" сформировал программу для обеспечения глобальной конкурентоспособности вуза в области прорывных технологий, инновационной продукции и профессионально ориентированных образовательных услуг.
Основная функция платформы "Биотехно-сфера" – реализация междисциплинарных исследований [1] и образовательного процесса для обеспечения развития социально ориентированных биомедицинских технологий [2] (см. диаграмму), включая профилактику социально-значимых заболеваний, персонализированную медицину, замещение утраченных органов, а также расширение функциональных возможностей человека.
Основные положения платформы, а также направления исследований и разработок формировались с учетом действующего "Прогноза научно-технологического развития РФ на период до 2030 года" и, безусловно, "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 определить ряд системных тенденций. В частности, формируется устойчивый спрос на новое качество жизни, включая возможность компенсации утраченных функций организма путем трансплантации искусственных органов и создание дружественного интерфейса "человек – информационная среда" нового поколения.
Общие тенденции в предоставлении медицинских услуг определяются профилактической направленностью, персонализацией, реализацией биомедицинского мониторинга в домашних условиях в сочетании с современными инфотелекоммуникационными системами (телемедицина). При этом отмечается распространение болезней мегаполисов (больших городов), характеризующихся аллергическими патологиями, заболеваниями, связанными с низким уровнем гигиены (болезнями нищих), и недостаточной эффективностью мер по предупреждению инфекционных заболеваний, а также самолечением при низком уровне доверия к официальной медицине.
Значительная динамика рынков определяется спросом на новые неинвазивные технологии диагностики, интеграцией биоинформационных, генноинженерных и фармацевтических технологий с достижением возможности персонализации терапевтического воздействия, развитием технологии адресной доставки лекарственных средств, ростом спроса на органы и ткани для замещения утраченных функций.
Также следует отметить тенденцию к развитию культуры и технологий моделирования с реализацией и контролем процессов на атомно-молекулярном уровне, интеллектуализации и быстрой адаптации молекулярных производств персонализированной продукции трансплантологии и "умных" лекарств.
В целом, можно выделить следующие общемировые направления научно-технологического развития в сфере биотехнологий:
•многомасштабное моделирование сложных биоорганических систем, внедрение новых материалов искусственного и синтетического происхождения, воспроизводящих отдельные функции биообъектов, развитие методов биоинформатики для геномного, транскриптомного и протеомного анализа; •диагностикумы in vitro типа "лабораторий на чипе" – биосенсоры и биочипы, обладающие высокой селективностью и близкой к известным аналитическим методам чувствительностью в сочетании с простотой эксплуатации и экономической доступностью для использования в домашних условиях, а также с интерфейсом для интеграции в информационные сети, обеспечивающие предоставление дистанционных медицинских услуг; •комбинаторная молекулярная сенсорика, в том числе на основе аптомеров для создания эффективных средств диагностики и анализа статистических и динамических факторов патологических состояний; •персонализированная медицина, ориентированная на систематическую индивидуальную профилактическую диагностику и биоинформационные методы в геномных, постгеномных и протеомных технологиях с достижением возможности персонализации "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. Мультидисциплинарный научно-образовательный кластер "Биотехносфера"
Формирование на базе вуза конкурентоспособного мультидисциплинарного медико-технического научно-образовательного кластера "Биотехносфера" основано на системной интеграции инфраструктурного, научного, информационно-аналитического и кадрового потенциалов в рамках комплементарного развития действующих научно-образовательных платформ [3], центров превосходства и трансфера технологий для проведения комплексных междисциплинарных прорывных исследований и разработок в области бионических и биомедицинских систем, прототипирования наукоемкой продукции и воспитания профессиональной элиты.
В основе развития в рамках вышеуказанного кластера научно-исследовательской и образовательной деятельности и, в первую очередь, направления "Биомедицинские и бионические системы и технологии для обеспечения жизнедеятельности человека и расширения его функциональных возможностей", лежит совокупность базовых положений, определяющих в качестве приоритетов инновационного развития фундаментальные междисциплинарные исследования, мультидисциплинарную образовательную парадигму, межотраслевую инженерную деятельность и социально-ориентированные технологии.
Для достижения поставленной цели предполагается реализация фундаментальных исследований, являющихся базисом для будущих технологий превосходства с прогнозируемыми высокой конкурентоспособностью и социально-экономической эффективностью, проведение прикладных исследований, ориентированных на накопление, систематизацию, селекцию знаний в междисциплинарных областях востребованных технологических ниш с экспресс-трансформацией разработок от исследовательской стадии к производственной (включая прототипирование наукоемкой продукции), а также формирование новой генерации профессиональной элиты как базиса для обеспечения конкурентоспособности отечественной научной продукции, трансфера технологий и предоставления профессионально ориентированных образовательных услуг.
Реализация в ЛЭТИ платформы "Биотехносфера" предполагает исследовательскую, инженерную и образовательную деятельность по следующим направлениям:
•молекулярный дизайн искусственных протеиновых систем для биосенсорики и трансплантологии; •биомиметические материалы, биокомпозиты, 3D-биопечать; •Мультикомплексные микроплатформы ("лаборатории-на-чипе") для биомолекулярной экспресс-диагностики патологических состояний и патогенных инфекций; •интеллектуальные ткани ("умная одежда") для персонального неинвазивного медико-биологического экспресс-мониторинга; •микро- и наносистемы биометрической идентификации личности; •бионические робототехнические системы, включая биоподобные и антропоморфные устройства, искусственные органы и конвергентные (гибридные) системы на основе интеграции биообъектов и технических микро- и наносистем; •информационные технологии дополненной и виртуальной реальности биомедицинского назначения. При проведении фундаментальных исследований приоритетами станут 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 функционирования.
В прикладных исследованиях приоритетным будет создание следующих решений: искусственных органов, обеспечивающих замещение естественных систем или утраченных функций; персональных сенсорных систем для экспресс-диагностики заболеваний, инфекций, функционального состояния организма и его биокоррекции; конвергентных комплексов на основе интеграции создаваемых человеком искусственных неорганических систем и объектов биоорганической природы; бионических робототехнических систем для расширения функциональных возможностей человека; дружественного полифункционального адаптивного человеко-машинного интерфейса для обеспечения индивидуальной комфортной среды обитания и функционирования человека.
В ЛЭТИ уже разрабатывается большая номенклатура продукции медико-биологического назначения:
•алгоритмы и программные средства топологического кодирования цепных полимеров и искусственных белков [4,5]; •коллоидные магнитные нанокомпозиты для адресной доставки лекарственных средств и улучшения их фармакокинетических параметров [6]; •кластер гибкой печати 3D-биоимплантов и биозамещающих материалов [7]; •миниатюрные интегрированные платформы – "лаборатории на чипе" для экпресс-идентификации патогенных микроорганизмов и тестирования их чувствительности к антимикробным препаратам [8]; •портативная система на основе "лаборатории на чипе" капиллярного типа для экспресс-контроля размера, подвижности и агрегативной устойчивости магнитных наночастиц для адресной доставки лекарственных средств и высокочастотной терапии новообразований [9]; •искусственный сенсорный текстиль с гальваническим и оптическим топологическим кодированием [10]; •портативная, интегрированная в текстиль система 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]. Совокупность базовых критериев, определяющих приоритетные медико-технические и эксплуатационные характеристики создаваемой наукоемкой продукции, включает миниатюрность, мобильность, автономность, энергоэффективность и информационную емкость, интегрируемость, унификацию, конформность и биосовместимость.
Эффективность инновационной продукции предполагается обеспечить с учетом доминирования при оценке потребительских качеств, базирующихся на ее интеллектуальном инновационном потенциале, а также социальной и оборонной значимости; возможности интеграции в мировое разделение труда при внутренней и внешней защите реализованной в продукции интеллектуальной собственности; резкого возрастания значимости вклада человеческого капитала в создание продукции с высоким уровнем интеллектуальной составляющей.
Прорывные технологии и качество человеческого капитала
"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 непредвиденностью, интеллектуальным превосходством и, как правило, мультидисциплинарностью, что обеспечивает их новизну и конкурентоспособность наукоемкой продукции.
Качество человеческого капитала обеспечивается в рамках концепции образования для следующей генерации. Ее основополагающая тенденция – достижение, сохранение и развитие компетенций через естественнонаучную фундаментальную составляющую образования в рамках междисциплинарного подхода и профессиональной ориентации, основанной на непрерывности и мобильности образования. В качестве общенациональной задачи определен переход от обучения к воспитанию личности.
В ЛЭТИ в рамках реализации работ, определенных научно-образовательной платформой "Биотехносфера", построена матрица наиболее прогрессивных и востребованных медикобиологических исследований и разработок в социально ориентированной медицине (табл.2).
Литература
1.Лучинин В.В. Мультидисциплинаpные технологии. Гибкая электpоника и фотоника. – Нано- и микросистемная техника, 2013, № 12 (161), c. 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 ЛЭТИ. – Наноиндустрия, 2012, № 7, с. 34-39. 4.Карасев В.А., Лучинин В.В. Введение в конструирование бионических наносистем. – Монография, М.: Физматлит, 2011, 464 с. 5.Карасев В.А., Лучинин В.В., Соколов А.И. Био- и квантово-информационные технологии в наноэлектронике: учеб. пособие. – СПбГЭТУ "ЛЭТИ", Спб., 2013, 220 с. 6.Гареев К.Г., Лучинин В.В., Мошников В.А. Магнитные наноматериалы, полученные химическими методами. – Биотехносфера, № 5, 2013, с. 2-13. 7.Афанасьев П., Бохов О., Лучинин В. Научно-технологический комплекс экспресс- прототипирования изделий гибкой электроники и фотwоники. – Наноиндустрия, 2013, № 6 (44), с. 94-104. 8.Зимина Т.М., Соловьев А.В., Лучинин В.В., Муpатова Е.Н., Кpаева Л.А., Хамдулаева Г.Н. Принципы создания гибридных миниатюрных пpибоpов для выращивания колоний микробных клеток на основе пористого анодного оксида алюминия. – Нано- и микросистемная техника, 2013, № 12 (161), с. 19-34. 9.Зимина Т.М., Соловьев А.В., Лучинин В.В., Николаев Б.П. Экспресс-методы исследования размера, подвижности и агрегационной устойчивости магнитных наночастиц в микрокаппилярном 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, № 3, 2014, с. 13-18. 12.Афанасьев П.В., Бороденков Н.И., Бохов О.С., Лучинин В.В., Устинов Е.М., Юдин Р.В. Экспресс-прототипирование микроустройства с радиоканалом. – Нано- и микросистемная техника, 2012, № 12 (149), с. 71-74.