3D принтирането е технология, която използва предварително зададени виртуални инструкции с цел да създаде физически (материален) триизмерен обект.

Видове процеси за 3D принтиране

Всички съществуващи в момента процеси за 3D принтиране имат няколко общи черти: обектите се изграждат чрез последователно отлагане на тънки слоеве материал върху подложка; всеки слой представлява напречен пререз на обекта на дадено ниво по оста z; процесът се контролира електронно, чрез един или повече компютри, които в най-общия случай трябва да разполагат със софтуер за създаване и корекция на  файлове, съдържащи информацията за дизайна на обекта; за обработка на информацията в тези файлове и за самия процес на принтиране.

По-долу накратко са  представени някои от най-често използваните процеси в 3D принтирането и материалите, които те могат да използват. Разбира се, съществуват и други, които не са включени в това изложение.

• Екструзионни процеси – работят с течно или полутечно мастило: SLA, FDM, EXT, PolyJet

Основани са на отлагане на последователни слоеве течно мастило (с по-нисък или по-висок вискозитет, в зависимост от конкретния процес), което е топло- или светлочувствително. Отделните слоеве прилепват един към друг след нагряване или облъчване със светлина с определена дължина на вълната (генерирана от светлинен източник – UV лампа или лазер). Ако е с течна или полутечна консистенция, мастилото се изцежда (най-често се използва терминът „екструдира“) от главата на принтера, а ако е по-вискозно, се подава под формата на нишка, която постепенно се развива от ролка или макара.

• Стереолитография (SLA)

3D принтирането чрез стереолитография е исторически най-старият процес. Най-общо казано, стереолитографията представлява създаване на обекти чрез селективна фотополимеризация в реално време на фоточувствителен материал, който се наслоява контролирано върху движеща се платформа. Дължината на вълната на светлината, която се използва е най-често в UV-диапазона, но е възможно да се използва и светлина с друга дължина на вълната в зависимост от използвания материал. Полимеризацията се извършва по радикалов механизъм.

Тъй като облъчването се извършва селективно, някои части на изграждания обект, които в даден момент още не са подложени на облъчване, могат да се огънат и да компрометират целостта на цялата структура. Прилепването на отделните слоеве един към друг се извършва чрез кръстосана полимеризация на молекули от съседни слоеве една към друга. Това отнема известно време и достигането на крайната здравина на обекта може да се забави и след завършването му. Поради това, може да се наложи да се поставят опорни структури на стратегически избрани места в обекта по време на принтирането му, за да се запази зададеният дизайн.  Тези структури се отстраняват след приключването на процеса. Накрая може да се извърши постпроизводствена обработка на завършения обект за подобряване на механичните му качества и външния вид.

На фиг. 3 е представен стереолитографски принтиран модел на вътрешноото ухо на човека.

Фигура 3. Получен чрез SLA принтиране модел на костния охлюв на вътрешното ухо на човека. Източник: Didier Descouens, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons

Неполимеризиралото мастило за SLA обикновено е с течна консистенция. Мономерът обикновено е на основа епоксид или акрил, но се използват и други, като триметиленкарбонат, поликапролактон и полилактид [2-4]. Получените чрез използване на тези материали обекти обикновено имат значителна твърдост, но са сравнително крехки и чупливи. Поради това, SLA най-често се използва за бързо прототипиране и в научно-изследователската дейност (напр. за създаване на твърди подложки за тъканно култивиране). Процесът не е подходящ за производство на обекти, които трябва да имат значителна механична здравина или да са издържливи. Поради естеството на процеса, обектите, произведени чрез стереолитография са чувствителни съм светлината и могат да се изменят значително при продължително съхранение и  дори и да се разпаднат, ако са били изложени продължително време на светлина.

Обикновено SLA не включва използване на разтворители, така че този процес е свързан с нисък риск за изпускане на газообразни замърсители в атмосферата. Тъй като обектите са чупливи, обаче, остатъците от обекти могат сериозно да замърсят околната среда. Тъй като се използва UV светлина за индукция на полимеризация, съществува вътрешно присъщ на процеса риск за случайно излагане на оператора на вредно лъчение; както и риск от увреждане на околните повърхности и предмети. Някои от мастилата, използвани в стереолитографията могат да имат висок канцерогенен и невротоксичен потенциал. Не на последно място, използването на UV води до образуване на озон, което е допълнителен риск за работещите в такива производства.

• Fused deposition modelling (FDM, понякога се обозначава и като fused filament fabrication – FFF)

FDM се основава на контролирана екструзия на нишка от термопластично „мастило“ от нагорещената глава на принтера. Обектът се изгражда върху движеща се платформа, която се смъква контролирано надолу паралелно с нарастването на височината на структурата, за да могат да се добавят следващи слоеве (фиг. 4).

Фигура 4. Базов принцип на работа на 3D принтерите, основани на процеса FDM. Източник: By Gringer – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=73614647.

В момента на екструзия мастилото е нагрято малко над точката си на топене и е с полутечна консистенция. След нанасянето си мастилото застива и образува предварително зададената форма на съответния слой. Последователните слоеве прилепват един към друг докато мастилото е току-що нанесено и все още с полутечна консистенция. Мастилената нишка се подава автоматично от развиваща се ролка.

Минималната дебелина  на единичния слой при процеса  FDM е 100 μm. Най-често използваните материали са акрилонитрилбутадиенстирен  (ABS), полилактид (PLA) и полиетилентерефталатгликол (PETG). Използват се, макар и по-рядко, и други, напр. полифенилов етер (PPE), полиуретан (PU), полифенилсулфон (PPSP), поликарбонат (PC), полиетеримид (PEI), полиетеркетон (PEEK) и полиамид (PA, известен с популярното си име найлон) [4,5].  Възможно е като мастило при FDM да се използва и поливинилов алкохол (PVA). Тъй като той, обаче,  е водоразтворим,  основното му приложение е за изработване на подпорни структури, които се използват в хода на създаването на 3D принтирани обекти от някакъв друг материал и след завършването на последните се отстраняват.

Един често използван в Европа модел FDM принтер е показан на фиг. 5.

Фигура 5. PRUSA i3 MK2 FDM принтер (Prusa Research, Прага, Чехия) със заредена ролка от мастило и завършен 3D принтиран обект Източник: Wikimedia Commons, http://reprap.org/wiki/File:Prusai3-MK2.jpg.

При FDM принтирането може да се използва термопластично мастило не само под формата на нишка, но  и на  гранули или пръчици. Някои FDM  принтери позволяват и „студена“вариация на FDM процеса, която не използва термопластично мастило (подобен на процеса EXT – виж по-долу). В този случай материалът за печатане е с кашеобразна или пастообразна консистенция [6].

FDM e относително бърз, удобен и евтин метод за 3D принтиране и поради това е много популярен, особено за целите на създаването на модели и бързо прототипиране. Използва се както в научно-изследователската дейност и индустрията (бързо прототипиране – напр. в инженерството; производство на машинни части и пр.), така и от любители (колекционери, създатели на различни малки модели и фигурки); в областта на образованието (различни модели и прототипи в рамките на училишни и университетски проекти); а също така и в модерното изкуство.

Обектите, произведени по процеса FDM са със значително по-висока механична устойчивост от тези, които са произведени чрез стереолитография. Разбира се, крайният резултат (здравина, твърдост, гъвкавост) зависи от конкретно използваните в случая мастила за принтиране. FDM също така предлага добра разделителна способност и поради това много добре възпроизвежда фините детайли на обектите. При някои обекти може да се наложи постпроизводствена обработка.

Недостатъците на FDM принтирането са свързани основно с риска от замърсяване на околната среда  (отпадни води, понякога – разтворители, генериране на прахови частици по време на построизводствената обработка). Бракуваните и изобщо негодните за използване завършени обекти обикновено имат дълъг срок на разграждане и също представляват замърсители на средата.

• Semi-solid Extrusion (EXT)

Подобно на FDM, EXT също е процес, основан на екструзия на полутечно мастило от главата на принтера. В този случай, обаче, материалът не е термопластичен, а е разтворен или суспендиран в среда от разворител, образувайки мастило с гъста пастообразна консистенция. Това позволява процесът да се извършва при ниска температура, което може да е критично важно при някои изследователски задачи (виж по-долу). Както при FDM, обектът се изгражда върху платформа, която се смъква автоматично надолу паралелно с нарастване на височината на обекта.

EXT често се използва в научно-изследователската дейност (за създаване на среди и подложки за тъканно култивиране; нови лекарствени форми за прицелно или контролирано във времето освобождаване на активната субстанция). Този процес има  голям потенциал за приложение в съвременната фармацевтична индустрия [4-9]. Подходящи материали за биологичните приложения на EXT са поливинилпиролидон, полиетиленгликол, метилцелулоза, хидроксипропилметилцелулоза, поликапролактон и други [7-9]. EXT намира приложение и в кулинарията и хранителната индустрия за получаване на ястия, десерти, украси за торти, шоколадови или захарни фигури и пр.  чрез екструзия на ядивни мастила  (фиг. 6).

Фигура 6. Използване на EXT за целите на кулинарията. Източник: Grup de recerca de la Universitat de Columbia – https://www.creativemachineslab.com/digital-food.html, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=84202502

EXT процесът прави потенциално възможно 3D принтирането на жива тъкан чрез използване на мастило, съставено от живи клетки, суспендирани в хидрофилен гел.

Тъй като мастилата, използвани за 3D принтиране с процеса EXT не са нито фоточувствителни (както при стереолитографията), нито термопластични (както е при FDM), нанесените слоеве не застиват бързо и не прилепват незабавно един към друг. Поради това, завършеният обект обикновено има нужда от време, през което да се изпари разтворителят и/или да застине напълно.  Обектите, принтирани чрез EXT могат да загубят формата си по време на окончателното си застиване, да се изкривят или да се свият. Минималната дебелина на слоя при процеса EXT е доста висока  – около 800 μm. Това означава сравнително ниска разделителна способност.

• PolyJet

PolyJet е технология, основана на използване на течно мастило. Подобно на SLA, при PolyJet се използват фоточувствителни мастила, които се подлагат на селективна полимеризация чрез UV светлина. Мастилата, обаче, не се полагат послойно чрез екструзия, а се изпускат контролирано на капчици от главата на принтера върху движеща се платформа. При PolyJet технологията за изграждането на един и същи обект могат да се смесват различни мастила, което позволява по-голямо разнообразие на качествата на създаваните обекти.

Мастилата за PolyJet могат да бъдат много различни видове. Могат да се използват  повечето от мастилата, които се използват в процеса стереолитография. Най-често използваните са споменатият по-горе ABS (може да има различни модификации), акрилстиренакрилонитрил (ASA, подобен на ABS, но с по-висока устойчивост на топлина и UV-светлина от ABS), метакрилат, поликарбонат и полиетеркетонкетон (PEKK) както и други мастила. За PolyJet има и специално създадени и патентовани серии мастила  – Vero Polyjet^TM (на американско – израелската компания Stratasys). Сред тях има и такива, специално разработени за целите на медицината и стоматологията  (напр. MED610 и MED620, които се използват основно за бързо прототипиране).

Предимствата на PolyJet процеса са:

– Относително висока разделителна способност (минималната дебелина на слоя е 160 μm), което дава възможност за създаване на обекти с много сложна вътрешна структура и фини детайли;

– Богат избор на материали, което дава възможност за създаване на обекти с най-разнообразни качества (здравина, гъвкавост, цветоотделка);

На процеса са присъщи освен всички общи недостатъци на 3D принтирането (изредени по-горе) и изпарението на субстанции с неприятна миризма и/или опасни субстанции при полимеризацията (особено ако се използва като материал ABS и ASA). Обектите, принтирани чрез PolyJet процеса обикновено имат нужда от постпроизводствена обработка и, в зависимост от използвания материал, могат да бъдат чувствителни към светлина.

• Прахово 3D принтиране

При праховото 3D принтиране материалът (в този случай пак наричан „мастило“) е разпрашен. Както при течно-базираните процеси, прахообразното мастило се нанася послойно под контрола на софтуер. Обектът се изгражда върху движеща се платформа.  Отделните слоеве прилепват един към друг чрез селективна полимеризация чрез облъчване със светлина, инфрачервена енергия или, в немалка част от случаите, с помощта на течно лепило. Лепилото може също да се нанася послойно или да се подава струйно или на капки, в зависимост от мастилото и от конкретния обект. Ако мастилото съдържа активен мономер, се инициира полимеризация чрез изпарение на разтворителя, облъчване или загряване.

Минималната дебелина на слоя може да бъде много различна при различните процеси на прахово 3D принтиране, в зависимост от конкретния процес и от използвания материал. Средната дебелина на слоя при праховите процеси е около 200 µm, но може да достигне до 20-30 µm.  Тази много висока разделителна способност дава възможност да се използва за създаване на сложни обекти, съдържащи множество вътрешни кухини и с фини детайли.

Прахообразните мастила за целите на праховото 3D принтиране се получават обикновено чрез смилане на материала на много ниска температура в топкови мелници. В зависимост от материала, температурата на смилане може да бъде различна, но обикновено се провежда на температура, малко под точката на встъкляване на материала. В процеса на смилане могат да се използват различни криогенни газове – втечнен азот, втечнен въглероден двуокис (т. нар. сухо смилане) или смес от криогенни газове и органични разтворители (влажно смилане).

В най-простия си и популярен вид праховото 3D принтиране се използва за създаване на плътни обекти от гипс или смляно на фин прах нишесте, които се напръскват или обливат с лепило и се оставят да засъхнат. Към прахообразния материал могат да се добавят различни оцветители, пластификатори и други компоненти за постигане на желаните качества на обектите (фиг. 7).

Фигура 7. Гипсови прототипи, създадени чрез прахово 3D принтиране. Източник: S Zillayali, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons.

Праховото 3D принтиране си има някои специфични недостатъци. Обектите, създадени с помощта на тази технология могат да имат ограничения по отношение на механичните си качества – те имат висока порьозност и, съответно, ниска механична здравина и устойчивост и могат да бъдат лесно чупливи. Почти без изключение, принтираните по прахов процес обекти трябва да преседят известно време след завършването си, за да се изпарят разтворителите и да се завърши окончателно полимеризацията и за да се постигне окончателната здравина на обекта. Също така, почти във всички случаи се налага постпроизводствена обработка – за отстраняване на излишъка от прахообразно мастило, за подобрение на механичните характеристики на произведения обект  и за подобрение на външния вид на обекта, тъй като повърхностите на обектите също са порьозни (шлифоване, полиране и пр.). Праховите процеси произвеждат голямо количество малки частици, които замърсяват околната среда и представляват сериозен здравен риск за операторите на такива производства и за всички, които могат случайно да погълнат или вдишат такива частици.

Праховите процеси за 3D принтиране успешно се използват към момента в научно-изследователската дейност, медицината, стоматологията и фармацията за производство на имплантируеми медицински изделия,  лекарствени форми с ускорено  или удължено освобождаване на активната субстанция; както и на такива, при които е необходимо пулсово освобождаване на лекарството с определена честота, имитираща естествената секреция на субстанцията в организма [10-12]. За да се гарантира безопасността за потребителя, като мастилени вехикулуми в тези производства се използват метакрилат или етилцелулоза.

• ColorJet

ColorJet не е специфичен процес. Това е регистрирана търговска марка за производство на 3D принтери, използващи прахов процес, както и консумативи за тях. Седалището на компанията се намира в Индия и предлага най-простия и евтин начин за прахово 3D принтиране. Като материал в повечето случаи се използва бял гипс на прах, макар че компанията е разработила и патентовани собствени материали  (напр. серията Visijet C4 Spectrum). Мастилото се наслоява върху движеща се платформа и слоевете се прилепват един към друг с помощта на лепило. Към лепилото могат да се добавят различни бои, така че да се получат обекти с различни цветове.

Минималната дебелина на слоя е около 100 μm, но може да е различна при използване на различни материали. Цената на произведения обект е сравнително ниска. Изобщо, Colorjet е приемливо нискобюджетно решение, ако не е от голямо значение,че произведеният обект има е крехък, чуплив и с висока порьозност. Затова, ColorJet се използва за бързо прототипиране в научно-изследователската дейност; изготвяне на модели за образователни цели; модели за търговски цели, които няма да се съхраняват дълго и/или няма да се подлагат на значителни механични напрежения, и в съвременното изкуство. Някои модели ColorJet принтери използват като мастило хранителен материал, годен за консумация от хора, и с тях се произвеждат по поръчка различни ястия, сладкиши и украси за тях по индивидуална поръчка.

Обектите, създадени чрез ColorJet в повечето случаи имат нужда от постпроизводствена обработка. Излишният гипсов прах трябва да се отстрани (най-често чрез обдухване със струя въздух). Гипсовите обекти задължително трябва да преседят след завършването си, за да се изпари разтворителят в лепилото, иначе ще бъдат меки и ще се деформират лесно. След това обикновено се налага повърхността на обектите да бъде импрегнирана с някакъв друг разтвор (обикновено полимер на база акрил), за да се увеличи механичната здравина и да се запушат повърхностните пори (в противен случай обектът ще адсорбира влага и мазнина от околната среда), като след това отново се налага изчакване за изпарение на разтворителя. Както се вижда, ColorJet използва голямо количество разтворители. Заедно с факта, че праховите процеси изобщо генерират голямо количество малки частици, ColorJet e технология с висок риск за замърсяване на околната среда, носе използва масово поради ниските производствени разходи.

• Selective Laser Sintering (SLS)

При SLS прахообразният материал се нанася послойно и слоевете се прилепват един към друг чрез облъчване с кохерентен сноп светлина, генериран от главата на принтера. Облъчването със светлина частично активира молекулите на повърхността на взаимодействащите слоеве и улеснява прилепването на праха, нанесен във следващия слой. Геометрията на частиците от съседни слоеве се променя при прилепването, така че между две частици се образува мостче (т. нар. necking – Фиг. 8).

Фигура 8. Образуване на ‘мостче’ между частици от два съседни слоя (стрелките). Източник:  Mendoza.755 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76830144

Минималната дебелина на слоя при процеса  SLS е около100 μm.

SLS е приложим основно при 3D принтиране с материали с висока точка на топене и затова най-използвани са металическите мастила. Могат да се използват също някои пластмаси (полиамид, поликарбонат, полистирен и др.), както и термопластични  гуми, стъкла и керамика. SLS се използва често за бързо прототипиране и изпитване на прототипи в научно-изследователската дейност (напр. създаване на субстрати и подложки за тъканно култивиране) и в зъботехниката [11-13]. Към момента, SLS  има ограничено приложение във фармацията, тъй като материалът се подлага на интензивно облъчване и в хода на процеса се генерира допълнително топлина, което може да промени качествата или да инактивира активната субстанция. Ядивни материали, които могат да издържат на висока температура (какао, захар и пр.) също могат да се използват за мастила при SLS за създаване на различни сладкиши и украси за тях.

• Selective laser melting (SLM)

SLM често се разглежда като разновидност на SLS, тъй като мастилата и при двата процеса са най-често на база метални прахове. Има обаче една съществена разлика: докато лазерната глава на принтера при SLS подава само толкова лъчиста енергия, колкото е необходима да разтопи повърхността на съседни слоеве и да създаде мостчета между тях, при  SLM се използва лазер с висока мощност, чиято енергия е достатъчно висока, за да може да разтопи цял метален блок, така че той да застине в желаната форма (подобно на рутинното металолеене).  Обектите, създадени чрез SLM имат доста по-ниска порьозност от SLS, по-хомогенна вътрешна структура и, съответно, по-добра механична издържливост. Недостатък на SLM е, че задължително се налага шлифоване и полиране на обектите по време на постпроизводствената обработка, тъй като външната им  повърхност непосредствено след създаването им е със сравнително едрозърнеста структура.

Electron beam melting (EBM) е разновидност на SLM, която използва поток от електрони вместо лазер. Използват се изключително металически мастила.

• Selective heat sintering (SHS)

SHS работи на същия принцип като SLS, но „мастилото“ е термопластично и, съответно,  прилепването на слоевете един към друг се извършва чрез частично разтапяне и последващо сливане на частици от съседни слоеве.  Главата на принтера генерира голямо количество топлина. Най-често използваният материал при SHS е пластмасата (по-точно – полиамид, но могат да се използват и други полимери).

За всички обекти, произведени чрез SLS или  SHS е възможно изкривяване или свиване на обекта по време на принтирането или след това. Възпроизводимостта е сравнително ниска, т.е. не винаги произведените по един дизайн обекти имат напълно еднакви механични качества, дори да са от един и същи материал и дори от една и съща партида. Постпроизводствената обработка (отстраняване на подпорни структури, шлифоване и полиране, импрегниране и боядисване) е задължителна и при SLS, и при SHS.

• Multi jet fusion (MJF)

MJF представлява съчетание на основния подход на ColorJet (използване на лепила) и на SHS (използване на енергия под формата на топлина за разтапяне на мастилата). Като материал се използва основно полиамид (найлон). Най-общо казано, фино смлян полиамиден прах се полага послойно, облива се или се напръсква с лепило и след това се нагрява селективно под компютърен контрол.  Минималната дебелина на слоя е 80 µm, поради което разделителната способност е много висока. Когато обектът е завършен, обикновено се налага постпроизводствена обработка (отстраняване на излишния прахообразен материал, шлифоване и полиране, и пр.). Порьозността на обектите, произведени чрез MJF е значително по-ниска от тази на обектите, произведени чрез SLS и SHS и поради това външният вид на обектите е по-добър и възпроизводимостта между отделните обекти и отделните партиди е по-висока. Както при всички прахови процеси, образуването и изхвърлянето на малки частици в атмосферата може да е сериозен проблем. Използването на разтворители е допълнителен здравен и екологичен риск

Необходимост от постпроизводствена обработка при различните процеси за 3D принтиране

Не всички обекти, създадени чрез 3D принтиране се подлагат на  постпроизводствена обработка. Понякога от такава просто няма нужда, в други случаи тя би засегнала само външния вид на обекта, а той в конкретния случай може да не е от решаващо значение. Доколко е необходим постпроцесинг зависи от използвания материал; използвания процес; желаните естетически и механични характеристики на обекта; бюджета, с който разполага конкретният потребител, и други фактори, които са строго индивидуални във всеки отделен случай.

Най-общо казано, постпроизводствената обработка може да бъде няколко основни типа:

• Застиване (втвърдяване)

Почти всички 3D принтирани обекти се нуждаят след завършването си от преседяване, за да „узреят“, т.е. да постигнат желаните от потребителя качества (механични характеристики и пр.)  Обектите, създадени чрез екструзионни технологии (особено тези, които са от материал, който се подава на принтера като полутечна суспензия в среда от разтворител), както и тези, получени чрез използване на прахови процеси и импрегнация с разтворител, са особено чувствителни към механични сътресения веднага след като са били завършени. Постпроцесингът в този случай включва времето за изпарение на разтворителя и постигане на окончателната твърдост на обекта. В някои случаи периодът на изпарение може да се ускори чрез усилване на вентилацията на помещенията за съхранение на прясно създадените обекти. Това, обаче, не винаги е успешна стратегия, тъй като при усилена вентилация се повишава риска от изкривяване и напукване на обектите, неравномерно изсъхване и втвърдяване, повишаване на порьозността и т.н.

• Отстраняване на подпорни структури

Обектите със сложна вътрешна структура, съдържащи множество кухини, често не са напълно стабилни по време на процеса на 3D принтиране, докато материалът е още мек и гъвкав. Поради това, по време на самото принтиране може да се наложи да се поставят подпори, които да поддържат временно структурата, докато се постигне  устойчивост. Тези подпори трябва да се отстранят след завършването на обекта и неговото „узряване“.  Това е допълнителен етап на обработка, който увеличава времето за изпълнение на поръчката и нейната цена (особено ако това включва ръчен труд).

При стереолитографията подпорните структури се изготвят обикновено от поливинилов алкохол. Тъй като той е водоразтворим, след като обектът е напълно готов, тези подпори могат да се разтворят във вода и да се отстранят автоматизирано и без следа чрез накисване във вода  или чрез отмиване с водна струя. Този начин за отстраняване на подпори, обаче, изисква значително количество  вода, канализация за отвеждане и деконтаминационна система за отработената вода, което може значително да увеличи производствените разходи.

При праховите процеси като SLS и SHS честа практика е подпорните структури да се правят от същия или някакъв друг прахообразени материал, който обаче не се подлага на облъчване или нагряване и остава под формата на прахови частици. След завършване на обекта, този прах може да бъде изсмукан с помощта на вакуумна система или издухан със струя вода или сгъстен въздух. Това отново е свързано с повишаване на производствените разходи заради инсталиране на такава система за отстраняване на подпори, за деконтаминация на отпадните води и/или за вземане на мерки за намаляване на емисиите на прахови частици.

• Отстраняване на излишен материал

Това е критично важна постпроизводствена стъпка при повечето прахови процеси. Излишният прахообразен материал се отстранява, както беше споменато по-горе, с помощта на водна или въздушна струя или вакуум.

И в двата случая – и при премахване на подпори при прахови процеси, и при отстраняване на „излишен“ материал,  отстраненият материал се губи, т.е. има известен процент „фира“ на материала.

• Шлайфане и полиране

Обработката на повърхността е незадължителен етап от постпроцесинга при обекти, които са с чисто битово значение, но може да е задължително при тези обекти, при които естетичният външен вид е важен. Шлайфането и полирането често е абсолютно задължително при  производството на машинни части, особено тези, за които се очаква да бъдат подложени на механичен стрес (движение, натоварване, триене). При процесите, които произвеждат обекти с висока повърхностна порьозност или с гранулирана повърхност (особено SLM), също почти неизменно се налага обработка на повърхностите

• Запечатване на повърхностни пори

Това се налага при процеси, при които е неизбежно образуването на пори  (SLS и SHS). Обикновено се полагат покрития, които осигуряват хидрофобна запечатка (цианоакрилатни полимери), но могат да се използват и други методи, напр. горещо изостатично пресоване.

• Боядисване

Рядко се налага, тъй като повечето процеси на 3D принтиране използват различно оцветени материали или лепила, къв които се добавят различни оцветители.

Кой процес за кои приложения е подходящ? Основни съображения при избора на технология за 3D печат, подходяща за конкретно приложение

Различните процеси в 3D печатането могат имат припокриващи се приложения. Например, на практика всички могат да се използват за бързо прототипиране. Тъй като, обаче, нуждите на крайните потребители могат да бъдат много различни,  понякога за конкретен проект или конкретно индустриално решение се избира точно определен процес въз основа на приоритетите на потребителя.

Сред съображенията при индивидуалнатта могат да бъдат:

• Видът на материала, който може да се използва за отпечатване на конкретния обект.
• По-голямата част от 3D принтерите в момента могат да използват повече от един вид материал. Архитектурни и изложбени модели, както и модели, направени за образователни цели, могат евтино и бързо да бъдат създадени чрез ColorJet, SLA и FDM, които използват гипс или пластмаси. Малките настолни принтери, които работят на ниска скала и произвеждат любителски модели, обикновено се базират на FDM технология. SLS, SHS и SLM се използват, когато обектите задължително трябва да бъдат направени от метал, метални сплави или специални полимери.
• Достъп до 3D принтер. Обикновено поръчките за 3D принтиране се приоритизират по реда на постъпването и се формира опашка от поръчки. Времето за чакане за изпълняване на поръчката зависи от това налични и достъпни ли са в конкретния регион машини за 3D принтиране и колко са натоварени те. В този случай видът на материала има по-малко значение от достъпността на принтера.
• Съотношение качество/цена на материала. Пластмасата е здрава, лека, гъвкава, лесно достъпна и, с изключение на някои специални пластмаси, е относително евтина, докато металът обикновено е доста по-скъп.
• Производствени разходи. Те се образуват, като се отчете конкретният процес, използвания материал и нуждата от постпроизводствена обработка. Както по-горе беше споменато, за разлика от рутинните производствени технологии, каквито са например щамповането и отливането, увеличаването на скалата на производство при 3D принтирането не винаги намалява разходите да производство и, съответно, единичната цена на обекта. Единичната цена включва не само разходите за производство, но и разходите за постпроцесинг (ако такъв е  необходим), както и разходите, свързани с необходимостта за вземане на  мерки за намаляване на замърсяването на околната среда.
• Вид на процеса. При праховите процеси SHS обикновено предлага по-нискобюджетно решение, отколкото SLS, тъй като закупуването и поддръжката на термична глава на принтера обикновено е по-евтино от това на лазерна глава. Затова обектите, произведени чрез SHS обикновено са по-евтини от тези, които са създадени чрез  SLS.
• Времето за изпълнение на поръчката, включително времето, което се чака на опашка за използване на принтера и постпроизводствената обработка. Малки по размери обекти с неособено сложен дизайн (напр. пластмасови фигурки, малки модели) могат да бъдат отпечатани за минути до часове. Времето за печат се удължава с нарастване на размера на предметите и може да отнеме цял работен ден, а при много големи по размери обекти – до няколко дни, въпреки че последното се случва рядко. Времето за постпроцесинг има значение, независимо дали постпроизводствената обработка включва етапи като запечатване на пори, шлайфане и полиране или просто се налага да се изчака изпаряване на разтворител. Обикновено, при екструзионните процеси и ColorJet накрая има нужда само от преседяване за достигане на оптимални механични характеристики.
• Характеристики на крайния продукт (механични, естетични и пр.)

Пластмасите за 3D принтиране са най-различни видове и обектите, създадени с различни видове пластмаси, могат да се различават много по качествата си. В зависимост от приложението на крайния продукт, може да се подбере различно мастило за принтиране. Пластмасата е мастило на първи избор, ако се цели създаване на множтво бързооборотни модели и прототипи (по-евтините пластмаси). Тъй като много пластмаси са термо- и фоточувствителни, ако това би било проблем при завършените обекти, тогава изборът пада на метално мастило. Металът е материал на избор и при  обекти, които  трябва да имат висока топло- и електропроводимост. Пластмасата се обработва и боядисва лесно, но боядисването, шлайфането  и полирането на металните обекти, обаче,  често изисква специални  бои и апаратура.

Механичната устойчивост на различните пластмаси може да бъде много различна.  Обектите, създадени чрез процеса SLA могат да имат много сложна структура и почти не се нуждаят от постпроцесинг, но почти без изключение са крехки и чупливи и могат да се деформират или разпаднат, ако се съхраняват на светло. Така че SLA е неподходяща, ако се цели създаване на обекти с висока механична устойчивост. Обектите, създадени чрез FDM  са механично значително по-здрави, но в зависимост от използвания материал процесът може да има ограничения. PVA, ABS и PLA са най-евтините и, съответно, най-често използвани мастила за FDM. Обектите, произведени от тези материали, са склонни към деформация. Обектите, създадени от PLA са освен това и чупливи. ABS като материал предлага добри механични характеристики, но то е фоточувствителен и съответно излагането на светлина води до нарушение в характеристиките на обектите. Полиуретан може да се използва при създаване на обекти, при които е важно да имат известна гъвкавост, но този материал старее бързо и след известно време започва да се начупва. По-скъпи, но и по-качествени мастила за FDM са PC, PETG и PPE. Те се използват главно в производството на машинни части и различни инструменти за целите на инженерството и строителството. PETG  може да се използва и за производство на прибори и съдове за хранене. В горния край на скалата на качеството на материалите за FDM са някои специални пластмаси, каквито са, например,  PEI и  PEEK. Те се използват за направа на части и инструменти, които са подложени на сериозен механичен стрес (носещи части, движещи се части) и в случаите, когато устойчивостта на топлина е критично важна.  Както вече беше споменато, при всички 3D принтирани обекти е възможно при голямо напрежение да настъпи разслояване, но при обектите, направени от PEEK, прилепването на слоевете един към друг е много добро и рискът от разслояване е нисък. PEEK обаче е сравнително скъп материал. Друг негов недостатък е високата температура на топене  (343°С), поради което при работа с PEEK   трябва да се използва принтерна глава, която може да се нагрява до много висока температура.

Фармацевтичните приложения на 3D принтирането поставят специфични изисквания, които обикновено могат да бъдат изпълнени от екструзионните процеси, които работят на ниска температура (основно EXT) и някои от праховите процеси (без тези при които се използва голямо количество лъчиста енергия и/или се генерира голямо количество топлина). Ограничение на EXT е ниската разделителна способност. Тъй като минималната дебелина на слоя е почти 1 mm, трудно може да се постигне възпроизвеждане на фини детайл.

Праховите процеси имат много висока разделителна способност. Това важи особено за SLS (но там има ограничения по отношение на материала – работи главно с метални прахове), но MJF (който може да използва и разпрашена пластмаса) също има висока разделителна способност.

Обектите, произведени от повечето прахови процеси обикновено са механично здрави (с изключение на гипсовите обекти, отпечатани с ColorJet). Вътрешно присъщата им порьозност, обаче, може да наруши иначе добрите им механични свойства. Когато последното е от критична важност, SLM е процесът на избор, при условие че се извърши съответната постпроизводствена обработка.

Риск от замърсяване на околната среда (свързана с производството, постпроцесинга или с биоразградимостта на бракуваните или изхвърлени ненужни обекти). Екструзионните и някои от праховите процеси са свързани с отделяне на голямо количество изпарения от разтворители. Праховите технологии, в допълнение, генерират и големи количества малки частици. Всичко това имат значително вредно влияние върху околната среда и трябва да бъдет взети специални мерки за намаляването емисията на замърсители (филтриранe, обеззаразяване и пр.).

Софтуер, който се използва за целите на 3D принтирането

3D принтерът се управлява от информацията, която му е подадена като дизайн файл, записан на цифров електронен носител. Файлът съдържа информация за серия от напречни прерези на обекта, който се принтира, всеки на различно ниво по оста z. В хода на същинското принтиране всеки следващ слой, който се нанася, може да бъде еднакъв или различен от предходно нанесените слоеве. Това се определя от информацията, която се съдържа в съответстващия на този слой напречен пререз във файла. Ако обектът, който се изгражда, е със сравнително проста структура и не съдържа фини детайли, тя може да бъде зададена във файла с по-малък брой напречни прерези, докато един обект със сложен външен и вътрешен строеж ще е представен от по-голям брой прерези.

Всеки пререз представлява затворен многоъгълник, който отразява структурата на обекта на това конкретно ниво. Напречните прерези трябва да могат да се наслагват последователно по оста z и не може да се припокриват или пресичат един друг. Желателно е дизайнът на файла да е направен така, че между отделните прерези да няма (много рядко) или да има минимален брой празнини, на които не съответства никакъв пререз. Тъй като не винаги изпълнението на тези изисквания е възможно на 100 %, софтуерите за обработка на дизайн файлове обикновено могат автоматично да коригират малки грешки и несъответствия, без това да се отрази съществено на формата и структурата на обекта.

Изображения, получени с помощта на софтуер за computer-assisted design (CAD) са най-често използваните информационни източници за 3D принтиране. Конвенционалните двуизмерни DWG изображения, които се генерират от често използваните CAD софтуери (какъвто е например AutoCAD) също могат да се използват, макар че се налага те да бъдат предварително конвертирани  в триизмерни изображения от специален, предназначен за това софтуер, какъвто е например Sketchup Pro.

Файловият формат STL (Standard Tessellation Language, стереолитографски файл) е първият, който е бил специално създаден за целите на 3D принтирането. STL форматът е бил разработен през 80-те години на ХХ век от компанията 3D Systems, основана от изобретателят на стереолитографията Чарлз Хъл. Освен AutoCAD, други често използвани  CAD софтуери, които могат да експортират в или да конвертират други файлове до STL формат са  Alibre, Mechanical Desktop, I-DEAS, SolidDesigner, ProE and и много други. Могат да се използват и онлайн ресурси за конвертиране на други файлови формати до STL. Такъв онлайн конвертор, например, е AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).

Като информационен източник за 3D принтиране могат да се използват и изображения, получени от 3D сканиране на различни обекти или чрез фотограметрия на обикновени двуизмерни изображения, получени чрез заснемане с цифрова камера. Разработени са множество различни софтуери  за фотограметрия, които дават добри резултати. Повечето работятв информационна среда Microsoft Windows (такива са, например, Zephyr3D, PhotoModeler, PhotoSynth и др.), но има и такива, които са базирани на други операционни системи – Linux и MacOS (напр.  Pix4D Mapper, Metashape, OpenDroneMap, и др.). Подробен списък на често използваните софтуери за фотограметрия с базовите им характеристики може да бъде прегледан тук: https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_photogrammetry_software

В зависимост от качеството на информацията, записана в дизайн файла, крайният резултат от 3D принтирането може да бъде различен  – от идентичен със замисъла на потребителя или създателя на файла, до нещо доста по-различно от очакваното. Обикновено използването на CAD файлове е свързано с допускане на много по-малко грешки и, съответно, много по-малко различия с първоначалния замисъл, отколкото използването на файлове, получени по някакъв друг начин. Такива грешки във файловете подлежат на корекция на по-късен етап.

Ако не е наличен или не е достъпен STL файл за конкретен модел,  такъв първо трябва да се създаде с помощта на някой от специализираните софтуери за моделиране, какъвто е например AutoCAD (или някой друг такъв, напр. тези, изредени по-горе). Действително, повечето професионални софтуери за 3D моделиране са платени, но са налични и такива, които могат да се използват безплатно. Последните са предназнчени основно за образователни цели или за използване от любители. Такива софтуери са FreeCAD, 3D Slash, TinkerCAD, Vectary, SketchUp, Leopoly, Sculptris, Rhinoceros и други. Полученият STL файл, представящ модела, се подлага на обработка от друг вид софтуер, който генерира сериите от напречни прерези по оста z, които съответстват на отделните слоеве. Този вид софтуер популярно се нарича „резачка“. Такива са, например, Repetier, OctoPrint, Z-Suite, Tinkerine Suite, Cura, PrusaSlicer, Simplify3D, и други. Полученият от обработката с „резачката“ дизайн файл се подава на принтер хоста, който използва информацията в него, за да управлява принтера така, че да се изгради желаният триизмерен обект. Някои софтуери функционират и като „резачки“, и като принтер хостове – например Cura, 3DPrinterOS, OctoPrint, MatterControl и др.

Професионалните софтуери за  3D моделиране обикновено изискват инсталация на машината на потребителя и най-често имат изискване операционната система да е Microsoft Windows.  Безплатните софтуери по-често се предлагат под формата на плъгини за по-често използваните браузери и могат да се използват и с операционни системи, различни от Windows.

STL файловете представят обекта, който подлежи на моделиране в цифров видпод формата на триангулачна мрежа. Тя описва повърхността на модел на обекта, създаден с помощта на CAD софтуер. Всяка повърхност на обекта се описва в STL файловете под формата на мрежа от съседно разположени триъгълници. Илюстрация на този подход е представен на фиг. 9.

Фигура 9. Полигонална мрежа, представяща 3D изображение на делфин. Източник: Chrschn, Public domain, via Wikimedia Commons.

Разположението на тези триъгълници в мрежата се подчинява на набор от предварително дефинирани правила. Основните правила са четири на брой:

• Правило „връх към връх“: всеки триъгълник трябва да има два общи ъгъла със съседните триъгълници;
• Правило на дясната ръка: ъглите трябва да са листвани във файла по ред, обратен на движението на часовниковата стрелка;
• Правило „нормалата навън“: посоката на нормалния вектор трябва да сочи навън;
• Правило на плюса: всички координати на ъглите на триъгълниците трябва да бъдат положителни числа.

STL файловете могат да съдържат информация, записана в двоичен код или чрез ASCII код. Файловете с двоичен код обикновено са по-малки като размер и могат лесно да се споделят по електронен път. ASCII-кодираните файлове обикновено се ползват при редактиране и проверка на STL файла, напр. при изпитване на нови CAD интерфейси.

Ако обектите са с много сложна структура, и, съответно, има твърде много повърхности или вътрешни кухини, които трябва да се опишат, STL файловете може да не са подходящи за това. Често използваният и сега AutoCAD може да експортира до STL формат само данни за обекти с плътна вътрешна структура.  Първите STL файлове, създадени през 80-те години, са имали и допълнителни ограничения, свързани с представянето на различни цветове, текстури, материали и на въгрешната структура на обектите. Както вече беше споменато, понякога във файла между отделните повърхности неизбежно се появяват припокривания или празнини, които на практика не могат да се коригират в STL файла и, съответно, не се подават като слоеве на 3D принтера. Поради това, през 2006 г. се появи подобрена версия на  STL формата, която впоследствие стана нов основен файлов формат за CAD  –  Additive Manufacturing File format (AMF) [14].  Все още, обаче, много използвани и в момента 3D принтери (и особено тези, които работят на ниска производствена скала) използват предимно и изключително STL файлове.  На AMF файловете не е присъщ проблема на STL с представянето на вътрешната структура на обектите, тъй като те не използват мрежа от допиращи се двумерни триъгълници, а триизмерни извити триъгълни сегменти и триъгълници, допиращи се не само със страните си и споделящи ъгли        , а и триъгълници, допиращи се „ъгъл в страна“. В AMF файловете може да се запише също информация за цвета и текстурата на подлежащия на принтене обект или отделни негови части, както и редът, в който те трябва да се изпринтят.

Джонатан Хилър, един от разработчиците на файловия формат AMF, поддържа един от най-богатите на информация и удобен за използване сайт, където може да се преглеждат указания и ръководства по CAD дизайн и 3D принтиране, да се използват онлайн CAD ресурси и да се изтеглят безплатно готови дизайни и CAD модели: https://sites.google.com/site/jonhiller/software.

Други безплатни сайтове, предлагащи CAD изображения за AutoCAD и софтуер за 3D моделиране са, например, https://www.arcat.com/, https://www.tinkercad.com/, https://www.sketchup.com/, и други. Един такъв безплатен и предоставен за ползване  3D CAD модел е представен на фиг. 10.

Фигура 10. 3D CAD модел за 3D принтиране. Източник: OKFoundryCompany from Richmond, USA, CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons.

Достъпни за общо ползване и безплатни STL и други формати дизайн файлове, могат да се изтеглят оттук: www.thingiverse.com, www.youmagine.com, www.myminifactory.com, https://library.zortrax.com/, https://www.cgtrader.com/, https://cults3d.com/en, https://www.youmagine.com/ https://www.turbosquid.com/Search/3D-Models/free/stl,  както и много други сайтове.

Софтуер за редактиране на STL файлове може да се използва онлайн или да се изтегли от много сайтове, между които са: https://www.meshlab.net/, https://www.blender.org/, https://www.freecadweb.org/, https://www.3dslash.net/index.php, https://www.sketchup.com/.

3D биопринтирането е развиваща се технология с приложения в цялата гама от биомедицински изследвания.

Области на приложение на 3D биопринтирането

3D биопринтирането е развиваща се технология с приложения в цялата гама от биомедицински изследвания. Методът, използващ биологичен субстрат или „биомастило“, направен от структурни компоненти, растежна среда и клетки, може да произведе върху оборудване за 3D печат биологични структури, които имитират отблизо структурата на клетките в живите организми. Използвайки същия производствен модел като традиционния 3D печат, редица 2D пластове се разделят от 3D компютърен модел, за да се отпечата правилния биологичен състав слой по слой с прецизно подреждане на тъкани и клетки. Подходът на 3D биопринтиране дава възможност за решаване на проблеми, свързани с разработването на лекарства, регенеративната медицина, донорството на органи и лечението на рак. Тази нововъзникваща технология предлага голяма точност при пространственото разположение на клетки, протеини, ДНК, лекарствени частици, растежни фактори и биологично активни вещества, за да направляват по-доброто образуване на тъкани. Тази мощна технология е много обещаваща по отношение на подобряване на производството на тъкани към физиологично релевантни тъканни конструкции, тъканни модели, тъкани и органи и модели на органи върху чип за медицината и фармацевтиката.

Технологията за биопринтиране има широко приложение в различни области като тъканно инженерство и регенеративна медицина, трансплантационна медицина, скрининг на лекарства, високопроизводителни анализи и изследване на рака (Фиг. 1). Биопринтирането за тъканно инженерство и регенеративна медицина се изучава повече от десетилетие и са произведени анатомично правилни клетъчни конструкции и скелети за различни видове тъкани: от съединителна и епителна тъкан до мускулна и нервна. Със своето голямо предимство при моделиране и прецизно позициониране на множество типове клетки, биопринтирането е преодоляло един от основните недостатъци на традиционните техники за производство на скеле (имплант) и е улеснило изграждането на нативни тъкани с хетероклетъчна микросреда. Въпреки че по-голямата част от усилията са насочени към използване на фундаменталните подходи за биопринтиране, като биопринтиране на базата на лазер, капчици и екструзия, наскоро беше отделено значително внимание и на биопринтирането за производство на функционална тъкан. По-специално, значителна работа бе посветена на биопринтирането за трансплантация. Тъй като е постигнат допълнителен напредък в биоматериалите, клетъчните и трансплантационните технологии, след като биопринтирането бъде разрешено за употреба от хора то ще може да осъществи всички процеси до крайното получаване на функционални тъкани и органи и ще осигури множество предимства в операционните зали. Преди да навлезе в клиничната практика, биопринтирането вече направи голям скок във фармацевтичната употреба, тъй като не изисква никакви регулаторни одобрения и в момента има нововъзникващ пазар за производство на тъкани за тестване на лекарства и високопроизводителни анализи. Биопринтирани тъканни модели (например черен дроб), произведени от множество типове клетки и осигуряващи сложна хетероклетъчна физиологична среда, са използвани при скрининг на лекарства. Освен това биопринтирането наскоро беше приложено в изследванията на рака за изучаване на патологията, растежа и метастазите на рака във физиологично релевантна микросреда. В този обучителен материал е направен изчерпателен преглед на областите на приложение на технологията и е представена задълбочена дискусия за успешно отпечатани тъкани за тъканно инженерство и регенеративна медицина, трансплантация, скрининг на лекарства, високопроизводителни анализи и изследвания на рак. За всяка област на приложение се обсъждат предимствата и ограниченията на съществуващите технологии.

Фигура 1. Области на приложение на биопринтирането.

Регенеративната медицина е може би едно от най-вълнуващите бъдещи приложения на 3D биопринтирането. Учените се надяват, че биопринтирането може да се използва за директно отпечатване на тъкани като кожа и за създаване на органи и структури за трансплантация. Смята се, че този подход може да се приложи успешно за трансплантация и производство на многослойни типове тъкани като нерв, сърце, кръвоносен съд, кост и кожа (Фиг. 2). Изследователите предвиждат, че в бъдеще тъкани и евентуално цели органи могат да бъдат трансплантирани на пациенти, произведени от техните собствени клетки. С помощта на 3D биопринтиране, отхвърлянето на трансплантация и дългите списъци с донори могат да се превърнат в проблем от миналото. В допълнение, множество тъканни конструкции бяха биопринтирани и имплантирани подкожно, за да се оцени in vivo диференциацията на клетките и функционалността на имплантите. Въпреки тези експерименти, нито една от биоотпечатаните тъкани не е била клинично използвана за хора, тъй като все още не е предоставено одобрение. Няма установени разпоредби за биопринтери или продукти с биопечат. Въпреки това, в резултат на нарастващия интерес в световен мащаб и нововъзникващите фирми на пазара за биопринтиране, успехът на първата технология, преминала през различните етапи на одобрение, ще бъде пример за предходните технологии и продукти.

Въпреки че технологията за биопринт е все още в ранните си етапи на клинично приложение, 3D отпечатани пластмасови, керамични или метални импланти за заместване на костна тъкан вече са успешно трансплантирани на хора. В допълнение към постоянните импланти, скорошна работа, публикувана в New England Journal of Medicine, представи уникален случай на трансплантация на 3D отпечатана биорезорбируема шина за дихателни пътища на бебе. Не са наблюдавани неочаквани проблеми с шината и се очаква пълната резорбция на устройството да отнеме около 3 години. Този примерен случай за клинична употреба на 3D отпечатани скелета оптимистично се счита, че ще бъде началото на подобен успех в областта на биопечатни тъкани и органи. Въпреки постиженията в изследванията за биопринтиране, биопринтирането за трансплантация в болници изисква допълнителни подобрения. Органите и тъканите, които не се нуждаят от значителна васкуларизация (т.е. кожа и хрущял), се очаква да бъдат много скоро въведени в клиничната практика. Въпреки това, тъканите и органите, които са метаболитно активни (например сърце, панкреас и черен дроб) са изключително предизвикателство.

Фигура 2. 3D стратегия за биопринтиране

Един от аргументите за клиничния потенциал на биоотпечатаните тъкани и органи произлиза от самата технология за биопринтиране. То включва живи клетки в биомастило, като използването на специфични за пациента клетки е сравнително ново в тази технология. Стволовите клетки, като ембрионални стволови клетки и индуцирани плурипотентни стволови клетки, са потенциални неограничени източници на специфични за пациента клетки за производство на тъкани и органи. Специфичните за пациента клетки могат да бъдат диференцирани и след това биопринтирани или биопринтирани и след това диференцирани към множество линии, за да се конструират тъкани и органи, които ще причинят минимален риск от имуногенност.

Друга ключова област, в която се очаква да успее 3D биопринтирането, е разработването на лекарства. Повечето от тестовете за лекарства в момента се извършват чрез използване на 2D клетъчни култури. Подобно на изследването на рака, тези култури не симулират поведението на естествените клетки. За да се подпопомогне за решаването на този проблем, понастоящем се използва ксенографтирането (трансплантация на човешки клетки) на животни. Този подход обаче е предизвикателен поради биохимичните, метаболитните и генетичните различия между видовете. Предполага се, че тези проблеми са основната причина за високия процент на неуспех при оценката на новите кандидати за лекарства. Въпреки продължаващите усилия за подобряване на процеса на разработване на лекарства, само едно от 10 000 нови химични вещества и един от десет кандидати за лекарства влизат в клинични изпитвания, достигат окончателния етап на одобрение и навлизат на пазара. От друга страна, използването на 3D биопринтиране за фармацевтични тестове, а не in vivo проучвания, не се нуждае от регулаторно одобрение. По този начин производителността на разработването на лекарства вероятно ще бъде значително повишена. Сред различните методи за проектиране на 3D in vitro системи, биопринтът има сериозни предимства като контролируемост на размера и микроархитектурата, голям капацитет, възможност за съвместно култивиране и нисък риск от кръстосано замърсяване. Ето защо биоотпечатаните тъкани и органи все повече се разглеждат като потенциални модели, които да се използват в лекарствената токсикология и високопроизводителния скрининг.

Фокус в изграждането на тъканни модели за фармацевтиката са чернодробната и туморната тъкан. В това отношение е изследвано изработването на биоотпечатан модел на чернодробни микрооргани с цел проследяване метаболизма на различни лекарствени препарати (Фиг. 3). Биопринтираният 3D чернодробен микроорган е използван за симулация на физиологичен отговор на черен дроб при прилагане на лекарства и излагане на токсични химикали. Метаболизирането на такова лекарство е демонстрирано чрез трансформирането на нефлуоресцентното пролекарство, 7-етокси-4-трифлуорометил кумарин (EFC), в флуоресцентния метаболит 7-хидрокси-4-трифлуорометил кумарин (HFC). Използвани са епителни клетки и хепатоцити, капсулирани в Matrigel, за да се покаже пътя на дифундиране на лекарството от кръвния поток към тъканта. Епителните клетки са клетките, покриващи лумена, през който лекарствата преминават от кръвния поток към целта, а хепатоцитите са използвани като тип целеви клетки. Въз основа на представения тъканен модел е разработен изчислителен макромащабен модел с помощта на числена рамка за конвекция-дифузия-клетъчна кинетика. Доказано е, че така представения подход е много полезен за бъдещи изследвания в 3D микроорганната фармакокинетика и токсичност.

Фигура 3. Биопечатани тъканни модели за тестване на лекарства и високопроизводителен скрининг. (а) Биоотпечатна чернодробна тъкан. (b) биопринтирана бъбречна тъкан (c) биоотпечатна кожна тъкан (d) 3D биоотпечатан материал за възстановяване на костите (e) отпечатан хидрогел съдържащ клетки (f) многоклетъчни 3D биопринтирани конструкции на сърдечна тъкан

Развиващите се технологии за микроинженерство позволяват адаптивно производство на 3D клетъчни микрочипове, включително мека литография, повърхностни модели, микрофлуидни манипулации и биопринтиране. Сред тях, технологията за биопринт има предимството да създава ко-култури и едноклетъчни чипове с много прецизен контрол върху плътността на клетките. В резултат на неотдавнашно проучване, използващо нов метод, базиран на мастиленоструйно биопринтиране, бе разработена високопроизводителна миниатюрна платформа за скрининг на лекарства. Авторите отпечатват алгинат, натоварен с Escherichia coli, за да създадат биочипове върху покривни стъкла. Използвайки подхода слой по слой, капчици от три антибиотика са отпечатани върху клетките. Резултатите показват сходна клетъчна жизнеспособност, функционалност и антибактериални ефекти на антибиотиците в мастиленоструйно биопринтирани и микропипетирани проби. По този начин биопринтирането на високопроизводителни чипове с мастиленоструен биопечат се оказва ефективен метод за минимизиране на типичните тестове за скрининг на лекарства. Освен това бяха представени клетъчно-базирани биосензори (CBBs), където с помощта на акустично базиран биопринт е създаден микрочип от капчици на гладкомускулни клетки в колаген. След това биоотпечатаният микрочип е подложен на въздействието на различни условия на околната среда (например температура) и е оценен ефектът на приложените стимули, както и параметрите на процеса на биопечат върху жизнеспособността на клетките. В допълнение към 3D биопринтирането на високопроизводителни клетъчни микрочипове, контролираното доставяне на кандидати за лекарства в клетъчни микрочипове също е важен фактор за ефективен скрининг на лекарства. Предложени са различни подходи, включително моделиране на лекарства, запечатване на лекарства, аерозолни спрейове и микрофлуидно зареждане с лекарствени препарати.

Огромните бъдещи възможности на технологията за 3D биопринтиране в областта на биомедицината вече са добре документирани. Една от областите, в които учените се надяват 3D биопринтирането да се окаже полезно, е изследването на рака. Туморната микросреда, както и биологичните структури и вещества, заобикалящи тумора, са съществени елементи на поведението на рака и все още не са напълно изяснени. Досега в тези изследвания са използвани животински модели и 2D клетъчни култури. Те обаче не демонстрират точно поведението на човешките ракови клетки in vivo, което включва сложно взаимодействие между туморните клетки както с клетъчната среда, така и с други клетки. Последните изследвания показват, че 3D моделите отразяват по-точно поведението на туморните клетки и биопринтирането е обещаваща техника, която може да бъде ефективна при подобни изследвания. Едно предимство, което притежава 3D биопринтирането, е, че клетките могат да бъдат изрично проектирани в 3D модел с неговите извънклетъчни и структурни елементи. Алтернативните подходи се различават по това, че изискват самостоятелно сглобяване, което отнема много повече време, или скеле, при което опорната матрица се разработва независимо от клетъчната култура. Освен това, 3D биопринтирането предоставя както възможност за отпечатване на определени тъканни и клетъчни структури, така и те да бъдат специфични за пациента. Клетките на пациента могат да бъдат биопсирани, култивирани и отпечатани в подходящи структури, след което да бъдат изследвани по отношение на лекарствен отговор или ефективна доза.

Въпреки това, използването на подхода за биопринтиране в изследванията на рака е ново и са проведени само няколко проучвания в тази нововъзникваща област на приложение. За първи път биопринтирането на туморна тъкан беше демонстрирано с клетки от човешки рак на яйчниците (OVCAR-5) и MRC-5 фибробласти. В това проучване е използвана мастиленоструйна платформа за биопринтиране с двойни ежектори. Предложеният подход не само представлява инструмент за изследване на рака, но предлага и страхотна платформа за високопроизводителен скрининг. Същите изследователи осъществяват биопринтиране на HeLa клетки, за да образуват модели на тумор на шийката на матката. Въпреки че тези две проучвания представляват биопроизводство на туморни сфероиди с помощта на технология за биопринтиране, изграждането на по-големи тъканни модели за изследване на миграцията и метастазите на раковите клетки също е от решаващо значение. Друг подход беше съсредоточен върху използването на базирана на лазер система за 3D биопринтиране на HeLa клетки и неракови 10 T1/2 фибробласти в PEGDA заедно с микроваскуларна мрежа с ширини на каналите от 25, 45 и 120 μm за симулиране на диаметъра на кръвоносните съдове . В допълнение към подходите, базирани на скелета, беше извършено и биопринтиране без скеле на модел на рак на гърдата с помощта на платформата NovoGen Bioprinting™. При този опит раковите клетки са заобиколени от физиологично релевантна стромална среда, включваща MSC-диференцирани мастни клетки, фибробласти на млечна жлеза и ендотелни клетки.

Изследванията през последните години показаха, че 3D биопринтирането е нововъзникващ подход с широко приложение в различни области, включително основни изследвания в тъканното инженерство, регенеративната медицина, патогенезата на рака, тъканен биопринт за клинични трансплантации, както и може да се приложи успешно във фармацевтиката за тестване на лекарства и високо-производителен скрининг. В момента има около 15 различни вида тъкани, използвани в различни експериментални изследвания. Въпреки това, все още съществуват няколко човешки тъкани, които все още не са използвани. В тази връзка трябва да се направят бъдещи опити за биопринтиране на други модели на тъкани и органи, които са предизвикателство, но могат да революционизират медицината. Това зависи и от иновациите в областта на тъканното инженерство, тъй като тези изследвания жизнено зависят от нашето разбиране за неизследваните типове тъкани. Освен това едно от новите направления в биопринтирането трябва да се фокусира върху биопроизводството на нови видове органи, като бионични органи или органи, които не съществуват в природата.

По-голямата част от изследванията за 3D биопринтиране се развиват около хомоцелуларни тъканни модели, използващи един тип клетка. Въпреки това, нативните тъкани имат хетероклетъчна природа с множество типове клетки, организирани в изключително сложна анатомия. Въпреки че простите тъканни модели за биопринт са относително приемливи за фундаменталните изследвания, производството на функционална тъкан за клинични или фармацевтични проучвания изисква включване на множество типове клетки. По този начин част от функционалността на клетките може да бъде активирана или допълнително засилена от взаимодействията клетка-клетка. Следователно, биопринтирането на множество типове клетки се нуждае от допълнителни изследвания на оптималните условия за култивиране, включително правилната среда и реагенти, които да подпомогнат техния растеж и поведение.

Съвременните опити за прилагане на биопринтирането в трансплантационната медицина са ограничени главно до миши модели. Мичите модели обаче са малки с физиологични условия, които значително се различават от тези на хората. Например, панкреатична тъкан с 3D биопринтирани Лангерхансови острови може да бъде имплантирана в диабетен миши модел и да регулира секрецията на инсулин. От друга страна, средният обем на Лангерхансовите острови в панкреаса на мишка е приблизително 100 000 пъти по-малък от този в човешкия панкреас. Следователно мащабирането на процеса на биопринтиране на тъкани и органи е изключително важно за конструирането на клинично значими размери. По-големите животни, като свине, могат да бъдат преходна стъпка към изпитанията върху хора, тъй като те отговарят на човешката физиология по-точно от малките животни. За разширяване на биопринтираните органи за клинична употреба, производството на йерархични съдови мрежи е от решаващо значение в допълнение към тяхната механична здравина, еластичност и дългосрочна структурна стабилност. Освен това, интегрирането на нервните тъкани е критична стъпка към функционалното производство на тъкани и органи, тъй като тъкани като сърдечна, мускулна и кожна изискват инервация, което в момента е предизвикателство пред биопринтирането. По-голямата част от изследванията за биопечат включват използването на биомастила на базата на хидрогелове, тъй като те са благоприятна среда за 3D растежа на клетките. Въпреки това, хидрогеловете имат слаби механични свойства, когато се използват при ниски концентрации за подпомагане на клетъчната пролиферация. В допълнение, биоразградими материали като термопласмаси могат да се използват като фонова рамка за мащабиране на процесите за получаване на тъкани и органи. Наличните биоматериали, като синтетичните полимери, са здрави, но тяхното разграждане е трудно, отнема много време и не съвпада с процеса на регенерация на тъканите. Следователно разработването на нови биоматериали е жизненоважно за прогресията в биопринтирането на тъкани и органи за клинична употреба. Освен биоматериалите, изборът на правилния клетъчен източник също е критичен фактор за успешната клинична и фармацевтична употреба. За персонализираната медицина е предизвикателство да се получат различни първични типове клетки. Тъй като стволовите клетки представляват обещаващ източник на клетки, са необходими допълнителни изследвания за установяване на стандартни протоколи за диференциация на стволови клетки в различни стабилни и функционални клетъчни линии.

Друг известен начин за производство на тъкани за високопроизводителен скрининг са миниатюрните 3D – тъкан върху чип или орган върху чип. Комбинацията от технология за биопринтиране с други технологии като микрофлуидиката е от съществено значение за производството на физиологично симулирани, сложни и дългосрочно жизнеспособни чипове от целеви микрооргани. При биопринтиране на клетъчни микрочипове трябва да се насърчава прилагането на технологии, генериращи капчици с обем от пиколитри, с ниско ниво на увреждане на клетките и притежаващи възможности за сортиране на единични клетки. Трябва също да се разработят и приложат технологии за контролирано доставяне на лекарства върху клетъчните микрочипове.

Въпреки че са направени няколко опита за проектиране на ракова микросреда с помощта на технологията за биопринтиране, са необходими по-нататъшни изследвания за изграждане на физиологично релевантна цялостна микросреда, включваща туморно място, здраво място и микросъдова мрежа между тях, за извършване на изследване на процеса на метастазиране. Моделите на туморни тъкани трябва да бъдат точно поставени в биопринтирани васкуларизирани паренхимни тъкани, за да се изследва техният растеж, интравазация и екстравазация.

Областта на синтетичната биология е в разцвет през последното десетилетие, оказвайки голямо влияние върху области като метаболитно инженерство, протеиново инженерство, дигитална биология и инженерство на целия геном.

Биосензори и биочип технологии: Принос към бъдещия устойчив живот

Областта на синтетичната биология е в разцвет през последното десетилетие, оказвайки голямо влияние върху области като метаболитно инженерство, протеиново инженерство, дигитална биология и инженерство на целия геном. В рамките на итеративните цикли на развитие „дизайн-изграждане-тест“ се е осъществила значителна част от иновациите в синтетичната биология. В областта на синтетичната биология напредъкът може да бъде свързан с иновации във всеки от процесите на „дизайн“, „изграждане“ и „тестване“. Например, имаше голям натиск за стандартизиране на елементите в рамките на синтетичната биология, като значително внимание се отделя на модулността и компонентите „включи и играй“. Тази модулация, заедно с ускорения напредък в системната биология, позволи на етапа „дизайн“ да стане по-малко отнемащ време и по-малко зависим от напредналите знания. През последните години разходите за ДНК секвениране и синтез също драстично намаляха, което позволи да се синтезират евтини големи конструкции. Във фазата „изграждане“ това улесни бързо подобрение, като помогна на изследователите да изследват по-голям процент от пространството на биологичния разтвор. И накрая, в рамките на „тестовата“ фаза на синтетичната биология, високопроизводителният скрининг също се превърна във фокусна точка. Увеличеният потенциал за „дизайн“ и „изграждане“ допринесе за повишено търсене на успех в оценката на изобилието от нови проекти. На свой ред това беше направено чрез включване на роботи и анализи с висока производителност в лабораторните условия, при които новите модели могат да бъдат оценени до ниво, което не е постижимо за човешки изследователи.

Биосензорите представляват новаторска развиваща се технология за високопроизводителен скрининг, която може да бъде лесно внедрена в практиката. Най-точно те са класифицирани като аналитичен инструмент, състоящ се от биологични компоненти, използвани за откриване и генериране на сигнал за наличието на целеви лиганд. Синтетичната биология е в челните редици на биосензорите, както като инструмент за високопроизводителен скрининг, така и като пряк резултат от развитието в областта на самата синтетична биология. В допълнение, поради несравнимата специфичност и чувствителност, която биологичните части предоставят по отношение на конвенционалните аналитични методи, биосензорите придобиха разширен интерес като алтернатива на традиционните анализи.

Дизайнът и изграждането на биосензори е мултидисциплинарно начинание и може да включва опит в области като протеиново инженерство, молекулярна биология, афинитетна химия, молекулярна динамика на нуклеинова киселина, материалознание и нанотехнологии. Биосензорите се свързват с целевия лиганд на най-простия им етап, претърпяват някакъв вид модификация и извеждат сигнал. Има голямо разнообразие от потенциални конфигурации във всички части на този процес. Таргетните лиганди варират от единични атоми като калций до цели протеини като тромбин през цялото време. Различни процеси като ензимна активност, флуоресценция, генериране на електрически ток и транскрипционна активност представляват изходни сигнали. Механизмите, които превръщат разпознаването на лиганди във функционални сигнали, са също толкова разнообразни.

В областта на анализа биосензорите представляват значителна стъпка напред. За да се отдалечи анализа от чисто физически или химически базирани рамки, започна интеграцията на биологичните компоненти в сензорната диагностика. Това позволи на аналитичните функции, които не са добре адаптирани към конвенционалните методи, да провеждат голямо разнообразие и специфичност на биологичните компоненти. Теоретичните и демонстрирани биосензорни приложения обхващат значителен кръг от човешкото общество и дейност. Приложенията за биосензори са групирани в три широки категории, в зависимост от скалата им за измерване.

• Групова диагностика: екологични, селскостопански и промишлени приложения
• Диагностика на точка на употреба: Медицински приложения и приложения за сигурност
• Едноклетъчна диагностика: Метаболитно инженерство и приложения за синтетична биология

Настоящото производство на храни е изправено пред огромни предизвикателства от нарастващото човешко население, поддържането на чисти ресурси и качеството на храните и опазването на околната среда и климата. Устойчивостта на храните е основно съвместно усилие, което води до развитието на технологии, финансирани както от правителства, така и от компании. Подкрепени са няколко опита за преодоляване на предизвикателствата и подобряване на двигателите в производството на храни. Чрез своите приложения биосензорите и биосензорните технологии се използват широко за решаване на основните предизвикателства на производството на храни и тяхната устойчивост. В резултат на това нараства нуждата от биосензорна технология в областта на устойчивостта на храните. Една такава технологична система, съчетаваща няколко технологии е микрофлуидиката. Наноматериалите, с тяхната биосензорна технология, са известни като най-иновативният инструмент, подпомагащи световното население при справяне със здравните, енергийните и екологичните проблеми. Необходимостта от технология за точково обслужване (POC) в тази област се фокусира върху аналитични инструменти, които са бързи, прости, прецизни, компактни и евтини.

За нашето съществуване и живот храната с нейната производствена индустрия е от съществено значение, както и нейната устойчивост има важна  роля за непрекъснатия човешки растеж на планетата. Настоящото производство на храни е изправено пред огромни трудности от увеличаването на човешкото население, поддържането на чисти ресурси и качество на храните, както и опазването на околната среда и климата. Някои от тези въпроси произтичат от самото производство на храни, а други произтичат от други индустрии, свързани с производството на храни. Оплакванията от храни например нанасят сериозни щети на доверието и престижа на различните марки, с прогноза от 15 милиона долара на инцидент през последните няколко години. 48 милиона случаи на заболявания са отговорни за 3000 смъртни случая годишно поради патогени, пренасяни с храна.

Безопасността на храните е до голяма степен съвместни усилия, произтичащи както от правителствата, така и от компаниите в технологичното развитие. За да поставят нови предизвикателства по въпросите за безопасността на храните, информационните технологии като „blockchain“ технологията могат да ускорят комуникацията между институциите, отговорни за качеството на храните, медиите и потребителите. Пет предизвикателства могат да бъдат обобщени като основни за устойчивостта на производството на храни: предизвикателство за производството на безопасни и сигурни храни; предизвикателство за качество на разнообразието и качество на храните; икономическо предизвикателство във водещата хранителна система, включително нейната опаковка и верига на доставки; екологично предизвикателство, включително преработката на хранителни отпадъци и инженерно предизвикателство при създаването и генерирането на нова храна.

По принцип биосензорът е аналитичен инструмент, използван за измерване на интересуваща ни молекула в дадена проба (мишена). Като цяло се използва уникален за мишената фактор за биоразпознаване (аптамер, антитяло, ензим и др.). Физиохимичен или биологичен сигнал се предизвиква от събитията на молекулно разпознаване между разпознаващия елемент и целевото съединение, което се трансформира в измеримо количество от преобразувателя. Сигналите се показват или в оптичен (колориметричен, флуоресцентен, хемилуминесцентен и плазмонен повърхностен резонанс), електрически (волтаметрия, импеданс и капацитет) или в друг избран формат (Фигура 3).

Фигура 3 – Класификация на биосензорите въз основа на преобразуватели и елементи за биоразпознаване, използвани при анализа на храните

Като една от основните цели на анализа на храните, безопасността на храните е основен здравен проблем както за животните, така и при човека. Напредъкът на аналитичната технология за безопасност на храните означава, че тя процъфтява в съответствие с нарастващия интерес и акцент върху проблемите на безопасността на доставките на храни. В анализа на безопасността на храните традиционните подходи са трудоемки, отнемат много време и се нуждаят от обучени техници. Прилагането на микрофлуиди в анализа на безопасността на храните дава нова наскока за това как ефективно и бързо да се открият хранителни токсини, алергени, патогени, опасни вещества, тежки метали и други замърсители. Характеристиките на микрофлуидиката, като например способността за миниатюризиране, компактните и редуцируеми количества проби и реактиви, го правят перфектна технология за развитие на устойчивостта на храните. Сложното приготвяне на хранителна матрица и трудните етапи на производство са настоящите предизвикателства при прилагането на микрофлуиди към определяне устойчивостта на храните. Тези предизвикателства могат да бъдат решени чрез използване на физични свойства в зависимост от конкретни целеви цели, проектиране на сложни микрофлуидни платформи за анализ на реални храни и включване в микрофлуидни системи на биомолекули като хранителни протеини и ДНК.

Наноматериали в биосензорната технология

Със своята биосензорна технология наноматериалите са най-обещаващият инструмент за справяне със здравните, енергийните и екологичните проблеми, свързани с населението по света. Частици, по-малки от 100 nm, са известни като наноматериали. Тези наноматериали са биокомпозитни полимери на базата на метал, метален оксид и въглерод и са установени различни видове наночастици, като магнитно желязо, алуминий, злато, сребро, мед, силициев диоксид, цинк, цинков оксид, цериев оксид и наночастици от титанов диоксид и единични/многостенни въглеродни нанотръби (CNTs). Нанотехнологиите и тяхното селскостопанско приложение бяха значително разширени в различни области. Тези области включват производство на храни, растителна защита, откриване на патогени и токсини, пречистване на води, пакетиране на храни, изхвърляне на отпадъчни води и възстановяване на околната среда. Подобряването на продуктивността и производителността на приложенията е приоритет на тези селскостопански области.

В областта на безопасността и защитата на храните са разработени биосензорни технологии за откриване на хранителни вещества, патогени и токсини, както е изброено по-долу.

Откриване на хранителни вещества

Мерките за защита на храните могат да бъдат разделени на две категории: загуба след прибиране на реколтата и биосигурност на храните. Биосигурността на храните означава замърсяване и разграждане на храните, което е разгледано в по-късните раздели чрез екологична, политическа, несправедлива икономическа печалба, война или отмъщение. Загубата след прибиране на реколтата, от друга страна, предполага хранителните вещества и ядивните условия в храните, които трябва да се поддържат между периода на прибиране на реколтата и момента на консумация. Тъй като времето се различава от минути до години, за поддържане и намаляване на загубите, технологиите, фокусирани върху намаляване на загубите след прибиране на реколтата, са важни.

За да се поддържа качеството на храната и да се избегнат загубите след прибиране на реколтата, могат да се използват нови технологии като биосензорите. Такива са разработени например за откриване и анализ на количества подсладители в храни, като могат да се използват за откриване както на естествени, така и на изкуствени подсладители. Подсладителите се използват широко в производството и преработката на храни, но наскоро бяха идентифицирани при хората като причиняващи здравословни проблеми. Разработен е многоканален биосензор за използване на електро-физиологично наблюдение от вкусовия епител за откриване и анализ както на естествени, така и на изкуствени подсладители. За откриване на дългосрочни сигнали съответно от захароза, глюкоза, цикламат и захарин, сигналите се изследват чрез пространствено-времеви техники. Биосензорът може да прави разлика между различни концентрации с дозозависими повишени реакции на вкусовия епител от различни подсладители. Той също така може да прави разлика между два естествени подсладителя: захароза и глюкоза, с два сигнала. За глюкозата обхватът на откриване е 50-150 mM, а за захарозата 5-15 mM.

Откриване на патогени

Поради намаленият си формат, биосензори, предназначени за откриване на патогени, като бактерии (Таблица 1) и гъби (Таблица 2), бяха разработени преди повече от две десетилетия – едно устройство за справяне с множество проблеми и откриване на сигнал от няколко панела. Мотивът на лиганда е решаващ елемент в дизайна на биосензора за откриване на патогени, тъй като определя чувствителността и ефективността на устройството. Целта е да се създаде бърза, специфична и чувствителна платформа за откриване в проби от храни за наличието или отсъствието на патогени. Открито е, че няма идеален лиганд, а различните лиганди имат различни предимства. Комбинацията от биорецептори за откриване на голямо разнообразие от микроорганизми в различни проби поставя настоящи предизвикателства при разработването на биосензори за патогени; нов дизайн на синтетичен лиганд като аптамери, малки молекули и пептиди, както и включването на различни лиганди в преносимо устройство за постигане на бърза, ефективна и евтина детекция.

Откриване на токсини

Основно направление в развитието на безопасността на храните са електрохимичните биосензори за бързо откриване и оценка на хранителни токсини. Разработени са множество платформи, които позволяват на персонализирани и индивидуализирани устройства да отговарят на определени екологични и организационни изисквания и да достигнат нивата на лимитите на детекция от nM до fM. Например, за да се насърчат уникалните профили на свързване, биорецепторните масиви се насочват към отделни електроди, функционализирани с различни биорецептори. В допълнение към електрохимичното биологично изследване, откриването на токсини и химикали в производството на храни е постигнато и с друг тип биосензори като оптично и пиезоелектрично измерване (Фигура 4). За да се установят токсините, флуоресцентни наночастици се свързват с храните, което може да се осъществи на повърхността и вътре в храните.

Фигура 4 – Преобладаващи замърсители на храните и целевите аналити в хранително-вкусовата промишленост [56] Екстракцията на токсини от сложни хранителни проби е една от основните пречки при създаването на напълно автоматизиран детектор на токсини. За да се оценят автоматично техните вредни нива от проби от храни и вода, се очаква потенциалните системи да извличат, обработват и измерват токсините. При идентифицирането, дискриминирането и количественото определяне на химичните токсини в хранителните матрици, се съчетават сложни стратегии за разделяне с повърхностно усилено раманово разсейване (SERS). Освен това, въпреки че обикновено са в по-ниски количества, химическите замърсители от преработката на храни могат да бъдат предизвикателство. По-ниската стабилност, селективност и чувствителност са друго предизвикателство при откриването на токсини в храните, където молекулярно отпечатаните полимери (MIPs) могат да бъдат решение за осигуряване на стабилни и евтини алтернативи.

Тежките метали като Ag⁺, As³⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Pb²⁺ и Zn²⁺ са известни като химически замърсители, които образуват стабилни окислени състояния и пречат на метаболитните пътища, което води до здравословни проблеми. Биосензорите на базата на аптамер и ДНК могат да откриват тежки метали както на наноразмерни, така и на много мащабни нива, които са подходящи за скрининг и мониторинг на безопасността на храните. За да се открие арсенат в храната, биосензорът за откриване на тежки метали се основава на генетично модифицирани бактериални клетки и зелен, флуоресцентен усилвател на сигнал. С обхват на откриване от 5-140 μg/L арсен, неговото установяване продължава само един час и може да бъде интегрирано с оптична изходна мощност. Други технологии за биосензор, като аптамери, наночастици и графенови електроди, са успешно приложени за идентифициране и оценка на арсен, с потенциал да бъдат произведени като бързи, прости, лесни за използване и евтини устройства.

Нанотехнологиите са адаптирани към две отделни области на селскостопанските хранителни пестициди: като пестициден вектор за доставка на пестициди за управление на пестициди и като детектор за следи от пестициди. В първото направление наночастиците са в състояние бавно да насочват пестицидите към инсектите-вредители, което помага за предотвратяване на замърсяването на подземните води и горния слой на почвата, намаляване на нивата на пестициди и подобряване на ефективността. Във втората област, био- или биомиметично базирани нанотехнологии, като антитела, ензими, аптамери и MIP-подобни макромолекули, подобряват стабилността, селективността, чувствителността и скоростта на откриване на остатъчни концентрации от тях. Освен това, бактериалните, гъбните, водорасловите и клетките на бозайници са биосензори на клетъчна основа, използвани при откриването на пестициди и хербициди, помагайки за създаването на бързи, надеждни и рентабилни инструменти в реално време за процедури за обеззаразяване и превантивни мерки при инциденти.

Канцерогените, миризмите и морските замърсители са други токсини, които са значителни при производството на храни. Канцерогените са сложна група от токсини в следови концентрации, като пестициди, тежки метали, микотоксини и акриламид, при които трудността при идентифицирането е предизвикателство. Прилагането на аптамери, нанотехнологии и биочувствителни материали са оптимистични подходи с обещаваща бъдеща употреба. Чувствителни и разтворими молекули, ефективни при откриване на миризми, са свързващи миризмата протеини. В тази насока е разработен наносензор, съчетаващ локализиран повърхностен плазмонен резонанс (SPR) и малки свързващи аромати протеини от пчели, чйито обхватът е 10 nM – 1 mM. За наблюдение и запазване на стабилна среда за морските хранителни системи се налага откриване и на морски замърсители. Поради тяхната висока чувствителност, миниатюрни размери, безжична комуникация и малки мрежи, биосензорите могат да бъдат приложени към безопасността на морските храни, за да бъдат утвърдени като усъвършенствани инструменти за анализ и мониторинг.

Друг комплект за разработване на биосензори за безопасност на храните се фокусира върху откриването на генетично модифицирани организми (ГМО) в хранителните продукти. От 90-те години на миналият век ГМО във всички области на селскостопанските продукти се считат за биотехнологична революция. Понастоящем, повече от 45 % от соята в света, 40 % от царевицата и 50 % от памука са ГМ продукти и ГМ се използва и за фуражи за добитъка. Последните изследвания обаче показват, че ГМО продуктите могат да повлияят на човешките и животинските органи чрез стомашно-чревни проблеми, резистентност към антибиотици, алергенност, разновидност от разграждане на селскостопанските продукти и нежелан приток на гени към други видове. Биосензорите са предназначени за измерване на ГМО в храни и фуражи, използвайки изотермична амплификация на ДНК и бързо откриване на сигнали за идентифициране на гени за ГМ. Откриването на неидентифицирани ДНК гени, които могат да бъдат разрешени чрез високопроизводителна технология като комбинацията от биочувствителност и масиви, и разработването на бази данни за гени с ГМО са ключовите предизвикателства при детекцията на ГМО.

Биосензори и биочипове за мониторинг на околната среда

Поради силната връзка между замърсяването на околната среда и човешкото здраве/социално-икономическия прогрес, мониторингът на околната среда се превърна в един от приоритетите в европейски и световен мащаб. Биосензорите обикновено се използват като икономически ефективни, бързи, in situ и аналитични техники в реално време в тази област. Неотдавнашното развитие на биосензори с нови трансдукционни материали, получени от нанотехнологиите и за мултиплексно откриване на замърсители, включващи мултидисциплинарни експерти, обяснява необходимостта от компактни, бързи и интелигентни биосензорни устройства. Съществуват няколко скорошни разработки в мониторинга на замърсителите на въздуха, водата и почвата чрез биосензори при реални условия, които установяват наличието на пестициди, силно токсични компоненти и малки органични молекули, включително токсини и химикали, разрушаващи ендокринната система.

Биосензорите, използвани при мониторинга на околната среда, могат да бъдат категоризирани като оптични (включително оптични влакна и повърхностни плазмонни резонансни биосензори), електрохимични (включително амперометрични и импедансни биосензори) и пиезоелектрични (включително биосензори с кварцов кристал за микробаланс) въз основа на тяхната трансдукция или като имуносензори, аптасензори, геносензори и ензимни биосензори въз основа на техните разпознаващи елементи, съответно когато се използват антитела, аптамери, нуклеинови киселини и ензими. По-голямата част от биосензорите в мониторинга на околната среда са признати като имуносензори и ензимни биосензори, но развитието на аптасензорите напоследък се увеличава поради полезните характеристики на аптамерите, като лекота на модификация, термична стабилност, in vitro синтез и способността да се проектира тяхната структура, да се диференцират мишени с различни функционални групи и да се рехибридизира.

Проучването на дизайна на биосензори за мониторинг на органични замърсители, потенциално токсични елементи и патогени в околната среда ще доведе до устойчиво развитие на цивилизацията поради разрешаването на проблемите със замърсяването на околната среда, рефлектиращи върху човешкото здраве. Различните хроматографски техники (като газова хроматография и високоефективна течна хроматография, комбинирани с капилярна електрофореза или масспектрометрия) са конвенционални аналитични методи, използвани за мониторинг на замърсителите в околната среда, но изискват скъпи реактиви, отнемат време за предварителна обработка на пробите и скъпо оборудване. Следователно, за мониторинг на замърсителите, отговорни за неблагоприятното въздействие върху местообитанията и човешкото здраве, са отчаяно необходими по-чувствителни, рентабилни, бързи, лесни за работа и компактни биосензорни устройства за преодоляване на увеличаването на екологичните проблеми. В случай на случайно освобождаване на пестициди или остро отравяне, например, обичайните методи не са подходящи за измервания in situ, където се изисква бързо, миниатюризирано и преносимо оборудване като биосензори за мониторинг на околната среда. В тази връзка, ролята на нанотехнологиите в създаването на бързи и интелигентни биосензорни устройства е от решаващо значение за успеха на детекцията на замърсители на околната среда. Най-новите биосензори включват наноматериали и нови нанокомпозити в техните системи, които са полезни за подобряване на аналитичните показатели, като чувствителност и лимити на детекция.

За детекция и мониторинг на различни замърсители на околната среда, биосензори, включително имуносензори, аптасензори, геносензори и ензимни биосензори са документирани, като се използват антитела, аптамери, нуклеинови киселини и ензими като разпознаващи елементи.

Пестициди

Пестицидите са сред най-значимите екологични замърсители поради голямото им присъствие в околната среда. Органофосфорните инсектициди, например, обикновено се използват в селското стопанство и представляват група пестициди, които поради високата си токсичност са от огромно значение за околната среда. Следователно са необходими лесни, отзивчиви и миниатюрни методологии in situ, а именно биосензори, като аналитични стратегии за тяхното откриване и наблюдение, без да е необходимо цялостно предварително третиране на пробата.

Амперометрични ензимни (ацетилхолинестеразни) биосензори за еднократна употреба бяха предложени за детекция на фосфорорганични инсектициди, използвайки параоксон като шаблонен аналит, прилагащ самосглобен монослой от цистеамин върху златно-отпечатани електроди. Биосензорите за еднократна употреба показват линеен спектър до 40 ppb с лимит на детекция 2 ppb и чувствителност 113 μA mM cm^-2. Използвайки самосглобяемия монослой, добрият аналитичен резултат може да се дължи на силно ориентираната ензимна имобилизация. Съобщават се възпроизводимост от 97 ± 5 % (n = 3) след тестване в проби от речна вода, добавени с 10 ppb параоксон, което показва ефективността на такива ензимни биосензори. Освен това, използването на електроди за ситопечат за еднократна употреба води до елиминирането на отнемащи време методи като реактивиране на имобилизирани ензими, използващи, например, разтвор на обидоксим и пралидоксим йодид (PAM) или използването на възобновяема ензимна мембрана, необходима за повторното прилагане на биосензора.

Наночастици на основата на иридиев оксид са използвани в еднократния ензимен биосензор с тирозиназа на базата на евтини ситопечатни въглеродни електроди за детекция на хлорпирифос в проби от речна вода. Съобщава се за линеен биосензорен отговор (0,01-0,1 μM) и е отчетен нисък лимит на детекция (3 nM), което може да се дължи на високата проводимост на наночастиците на иридиевия оксид и ефективността на тирозиназата. Тестовете за възпроизводимост бяха проведени в проби от речна вода с добавяне на 0.1 μM хлорпирифос и бяха получени възпроизводимост от 90 ± 9.6 % с остатъчно стандартно отклонение (RSD) по-малко от 10 % (n = 3), за да се демонстрира приложимостта на биосензора.

Ацетамиприд е детектиран чрез колориметрични аптасензори във водни проби и чрез импедиметрични аптасензори в реални проби от околната среда, като проби от прясна повърхностна почва. Линейният диапазон от 75 nM до 7.5 μM и лимит на детекция от 5 nM бяха наблюдавани с колориметричния аптасензор, докато по-широк линеен диапазон (50 fM до 10 μM) и по-нисък лимит на детекция (17 fM) бяха наблюдавани с импедиметричния аптасензор. В този биосензор са използвани златни наночастици, многостенни въглеродни нанотръби (MWCNT) и редуцирани наноленти от графен оксид като композит за поддържане на повърхността на електрода ацетамиприд аптамер, който може да бъде отговорен за по-висок електронен пренос и подобрени аналитични показатели на биосензора. Подобен лимит на детекция (33 fM) се наблюдава от аптасензор на базата на сребърни наночастици, закотвени върху легиран с азот нанокомпозитен графенов оксид, конструиран за откриване на ацетамиприд в проби от отпадъчни води.

Патогени

Наличието на патогени в околната среда и особено във водите може да представлява сериозен риск за човешкото здраве и наскоро бяха предложени някои биосензори за мониторинг на околната среда. Например, за детекция на метаболитно активна Legionella pneumophila в комплексни водни проби от околната среда са предложени бързи и прецизни оптични биосензори, базирани на повърхностен плазмонен резонанс. В едно от проучванията принципът на детекция се основава на идентифицирането на бактериална РНК чрез имобилизираната РНК детекторна сонда върху златната повърхност на биочипа. За усилване на сигнала бяха използвани квантови точки, конюгирани със стрептавидин и периодът на детекция беше приблизително три часа, което показва жизнеспособността на биосензорното устройство за успешно откриване на бактерии в диапазона 10⁴-10⁸ CFU mL^-1.

Потенциално токсични елементи

Замърсяването с тежки метали и съответните йони на естествените водоеми може да представлява значителен риск за човешкото здраве, а компактните, евтини и бързи анализи на тежки метали са глобален приоритет. Като мишена за тестване на оптичен ДНК биосензор за детектиране на йони на тежки метали, които са изключително токсични и често срещани замърсители в околната среда, бяха използвани живачни йони (Hg²⁺). Биосензорът е компактен, евтин и бърз с in situ скрининг на Hg²⁺ в естествени води за по-малко от 10 минути. Принципът на детекция е фокусиран върху способността на определени метални йони да се свързват селективно с определени основи, за да образуват стабилни, метал-медиирани ДНК дуплекси; в случая на Hg²⁺, тиминовите бази могат да бъдат селективно координирани, за да образуват стабилни тимин-Hg²⁺-тиминови комплекси. В диапазонът на детекция между 0 и 1000 nM е достигнат лимит на детецкия от 1,2 nM, което е по-ниско от максималната стойност, поискана от Агенцията за опазване на околната среда на САЩ (10 nM).

За детектиране на Pb²⁺ във водни проби (проби от изкуствена и естествена езерна вода), използващи ДНК ензими/карбоксилирани магнитни перли и ДНК аптамери, наскоро бяха предложени два оптични биосензора на флуоресцентна основа. Лимитите на детекция съответно 5 nM и 61 nM бяха наблюдавани от биосензори на базата на ДНК ензими и ДНК аптамери, със съответния линеен диапазон на детекция от 0 до 50 nM и 100 до 1000 nM. Използвано на уникално багрило (SYBER Green I), което беше вмъкнато с двуверижна ДНК, показващо силен интензитет на флуоресценция, както се вижда на Фигура 5. Освен това, липсата на интензивност на флуоресценция на биосензор се наблюдава само с багрилото (крива a). С ДНК ензим + Pb²⁺ (крива b) интензитетът на флуоресценция се увеличава с добавянето на багрилото + ДНК ензим + Pb²⁺, илюстрирайки чувствителността на биосензора към Pb²⁺.

Фигура 5 – Спектри на флуоресцентни емисии, получени с биосензора с багрилото (крива a), с ДНК ензим и Pb²⁺ (крива b) и с багрилото, ДНК ензим/карбоксилирани магнитни перли и Pb²⁺ (крива c); λex = 490 nm и λem = 530 nm (Препечатано от [89] с любезно разрешение от Springer)

Токсини

Вредни токсини като бреветоксини и микроцистини се създават чрез еутрофикация на водните системи чрез цъфтежа на водораслите на цианобактерии и по този начин са необходими точни и рентабилни системи за ранна детекция на такива токсини. За чувствителното детектиране на бреветоксин-2, морски невротоксин, е използван електрохимичен аптасензор, съставен от златни електроди, функционализирани със самосглобени монослоеве от цистеамин. Постига се лимит на детекция от 106 pg mL^-1 и се наблюдава силна селективност за бреветоксин-2 спрямо други токсини от различни групи, като окадаинова киселина и микроцистин. Възможността на аптасензора за детекция на бреветоксин-2 в реални проби е постигната чрез анализ на миди и са докладвани силни възстановявания (102-110 %), което показва, че няма взаимодействие с отговора на аптасензора от структурата на черупчестите.

Разрушаващи ендокринната система химикали

Във водни проби чрез аптасензори на базата на флуоресцентния принцип с функционализирани аптамери (флуоресцеин амидит) и златни наночастици и на базата на оптично влакно е открит бисфенол А, който разрушава ендокринната система. Аптасензорът с оптични влакна е компактен и се оказава бърз, рентабилен, чувствителен и селективен за детекция на бисфенол А във водни проби, без да се изискват предварително концентриране или етапи на обработка. Освен това, аптасензорът може да се използва повторно за 90 s чрез регенериране с 0,5% разтвор на натриев додецил сулфат (SDS) и по-нататъшно измиване с фосфатно буфериран физиологичен разтвор (PBS) (рН 7,2) за над сто цикъла на анализ без забележима загуба на ефективност. Подобни лимити на детекция (0,1 и 0,45 ng mL^-1) са наблюдавани и в двата оптични биосензора, където ДНК сонда, която е с консенсусна последователност на малка фракция от бисфенол А аптамер, е адсорбирана чрез електростатично взаимодействие на повърхността на наночастиците от злато и ковалентно имобилизирани на повърхността на влакното. Напоследък за детектиране на бисфенол А в проби от речна вода, използвайки нанотръби от молибденов карбид, беше предложен друг аптасензор на флуоресцентна основа. С такъв евтин и лесен за използване аптасензор е получен нисък лимит на детекция от 0,23 ng mL^-1. Специфичността на аптасензора беше оценена чрез анализ на други молекули със структури, подобни на тази на бисфенол А (например, 4,4J-бифенол, бисфенол AF и 4,4J-сулфонилдифенол) и бяха идентифицирани само фонови сигнали, показващи висока специфичност за бисфенол А.

Електрохимичен имуносензор за еднократна употреба, базиран на полеви транзистор със SWCNT, наскоро беше използван в проби от морска вода за оценка на друг разрушаващ ендокринните вещества химикал – 4-нонилфенол. Имуносензорът има висока възпроизводимост (0,56 ± 0,08%), средна възпроизводимост от 97,8% до 104,6% и нисък лимит на детекция (5 μg L^-1), която е по-ниска от препоръчителната максимална концентрация от 7 μg L^-1 по съответните разпоредби. В проби от морска вода, като 4-нонилфенол, биосензорът може да се използва за детекция на опасни приоритетни вещества, дори при ниски концентрации и с лесна и евтина методология.

Други съединения на околната среда

Нови, бързи и точни аналитични подходи са необходими за ранната детекция и мониторинг на различни други опасни съединения, отделяни по време на цъфтежа на водорасли. Поради отличната чувствителност и специфичност на пробите за нуклеинови киселини към техните комплементарни свързващи партньори, са разработени биосензори за детекция на РНК на водорасли. За засилено селективно и чувствително детектиране на РНК от 13 вредни водорасли, наскоро беше докладван електрохимичен геносензор на базата на ситоотпечатан златен електрод; геносензорът може да различи РНК мишени от проби от околната среда (проби от морска вода с шипове), съдържащи 10⁵ клетки, считани за лимит на детекция.

Биотехнологиите са модерна развита технология, основана на научни дисциплини като молекулярна биология, биохимия, клетъчна биология.

Биотехнологиите са модерна развита технология, основана на научни дисциплини като молекулярна биология, биохимия, клетъчна биология. Те прилагат много нови методи, напр. култивиране на клетки и тъкани, фузия на клетки, рекомбинация на гени, микробна ферментация, както и дупликация и рекомбинация на организми на клетъчно, хромозомно и генно ниво. По този начин те могат да създават организми, отговарящи на човешките нужди, да произвеждат нови продукти и да отглеждат нови растения с нови характеристики с висока производителност и устойчивост към стрес. Съвременните биотехнологии се състоят от четири технологични системи. Това са генното, клетъчното, ензимното и ферментационното инженерство, от които генното и клетъчното инженерство са най-модерните.

Освен големите социални и икономически ползи от съвременните биотехнологии, съществува възможност те да навредят на човешкото здраве и околната среда. Това може да доведе до много социално-икономически проблеми, като например разрушаване на първоначалните социални и икономически модели, създаване на заплаха за биологичното разнообразие и традиционните сортове култури, нарушаване на социално-икономическото благосъстояние на държавите или общностите, потъпкване на традиционните етични, морални и религиозни ценности.

Съвременната биотехнологична практика при производството на влакна, фармацевтични продукти и храни претърпява мощно развитие в края на ХХ и началото на ХХІ век. Тези пробиващи си път технологии често се приемат като поредната технологична революция, притежаваща потенциала да промени фундаментално начина на обществена организация по отношение на производството и разпространението на стоки. Вече са направени значителни инвестиции в биотехнологични изследвания за разработване на нови продукти. В момента се очаква науката и технологиите да предоставят на потребителите голямо разнообразие от генетично модифицирани (ГМ) продукти. Освен това много ГМ продукти вече са влезли във веригите за дистрибуция на храни. Въпреки обещанието си да донесе значителни ползи за обществото, обществените нагласи относно приемливостта на съвременните биотехнологии са доста разнообразни в световен мащаб. За да се даде възможност на биотехнологиите да допринесат големи ползи за хората, международната общественост обръща сериозно внимание на биобезопасността на цялостното биотехнологично производство, за да насърчи по-доброто му приемане.

В днешни дни биотехнологиите са подразделят на няколко категории въз основа на своите приложения. Те са представени на Фиг. 1.

Като цяло биотехнологиите целят да подчертаят потенциалните ползи за обществото чрез намаляване на глада и недохранването, справяне със и излекуване на болести и повишаване на здравето и общото благосъстояние. От друга страна, има мнение, че генетично модифицираните (ГМ) продукти се използват като ненужна намеса в природата и могат да причинят неизвестни и потенциално пагубни последици. Същевременно в САЩ генетично модифицираните култури са навлезли във веригите за доставка на зърно, без да предизвикат сериозно обществено безпокойство. Освен това селскостопанските биотехнологии са изправени пред значително противопоставяне в Европа и много други развити страни. По отношение на очевидните обществени тревоги относно възприеманите рискове за хората и околната среда, Европейският съюз (ЕС) е приел доста ограничени разпоредби за всички трансгенни култури във всяка част от хранителната система на ЕС. На световно ниво ситуацията е още по-разнообразна: в Обединеното кралство опониращите движения хвърлят ГМ култури по различни поводи. Доскоро Бразилия и Индия отказваха да одобрят каквито и да било генетично модифицирани култури. Поради сходни опасения на потребителите, някои вериги за бързо хранене са решили да не използват ГМ картофи в своите продукти.

Аргументът срещу прилагането на генни технологии в селскостопанското производство се основава на факта, че някои хора и институции виждат рискове за хората и околната среда, докато други се противопоставят на това, като вземат под внимание морални, етични и социални проблеми. Биотехнологиите често губят позиции поради приложението на инструментите им при растения и животни, особено за трансфер на гени между видовете, въз основа на разбирането за „царствата Божи“ и нарушаването на „Природния закон“. Съществува и мнение, че тъй като гените са естествено срещащи се части, които са обект на откриване (не на изобретение), патентната собственост върху генетичните находки и процеси е морално и етично несъстоятелна.

Обществените дискусии относно биотехнологиите в селското стопанство също предизвикват някои социални и политически дебати. Говори се за прилагането на съвременни генетични технологии при производството на стоки в развитите страни, които в момента се внасят в развиващите се страни. Твърди се, че подобно развитие ще има значителни отрицателни ефекти върху положението с бедността в Третия свят и ще доведе до глобална нестабилност. В същото време други изследователи са на противоположно мнение. Друг източник на притеснения е възможността земеделските стопани да станат постоянно зависими от мултинационалните корпорации заради техните „средства за производство“, довеждайки до вредни икономически, социални и политически ефекти.

Значението на тази тема определя необходимостта от пълно разбиране на обществените интереси и опасения относно едно съгласие между частни и държавни решения, касаещи хранителните биотехнологии. Приемането на биотехнологиите от страна на потребителите е силно свързано не само с очакваните рискове и ползи, свързани с ГМ продуктите, но и с тяхното морално и етично измерение. Освен това обществените възгледи за мултинационалните корпорации, доверието в правителството, науката и развитието на технологиите също разкриват отношението им към биотехнологиите. Установено е, че когнитивните фактори на потребителите (например нива на избягване на риска, мнения за ГМ храни) са повлияли на приемането на ГМ хранителни продукти, докато социално-икономическите фактори не са оказали значителни ефекти. Така, обществените възприятия за биотехнологиите притежават много измерения и вероятно са засегнати от множество сили, предпочитания и събития. Например, положителните аспекти (като хранителни ползи от подобрени/нови продукти, ползи за околната среда чрез намалена употреба на пестициди и т.н.) могат да насърчат приемането на хранителните биотехнологии от страна на потребителите. От друга гледна точка, чувствителността относно рисковете за хората и околната среда се очаква да има неблагоприятно въздействие върху общественото приемане на ГМ продукти. По този начин дейностите по анализ и определяне на факторите, влияещи върху нагласите на потребителите спрямо биотехнологиите, трябва да следват процедурата, представена на Фиг. 2.

Обществено въздействие

За да се оцени въздействието на съвременните биотехнологии върху обществото, не е достатъчно то само да се измери чрез конкретни показатели. Когато акцентът е върху такива измерения като увеличаване на броя на патентите за генетично модифицирани организми (ГМО), това няма да показва динамичните сили, оформящи въздействието на биотехнологиите върху индустриалните и обществените структури. Анализът на въздействието съчетава комплексни проблеми и работи с разнообразни   изходни данни, които притежават както краткосрочни, така и дългосрочни ефекти и влияят на резултатите от проблема или използването на технологии по непочтен начин. От основно значение е да се осъзнае смисълът за естеството на връзките между общества, индивиди и баланса на силите между социалните групи, изправени пред новите технологии.

Изграждане и разпространение на знания

Отправна точка е резултатът от технологичното въздействие, което зависи от изграждането и разпространението на знания. Счита се за предпочитани ценности, социални практики и норми на поведение на участващите страни в развитието и използването на биотехнологиите. Знанията се простират отвъд събирането на информация за биотехнологиите, като техники, рискове и т.н. Те също така обхващат начина, по който те се показват и коментират от отделни лица. Рискът и безопасността за обществеността не могат да бъдат анализирани по същия начин, както се прави за научния риск. За да се отчетат тези различия, е необходимо да се обясни как се създава доверие между потребителите и производителите. Накратко, такова определение на знанието дава анализ на въздействието на биотехнологиите и в по-широк план – на политиките и практиките в областта на околната среда.

От концептуална гледна точка този подход може да се третира като дискурс, основан на знанието. Полезно е да се има предвид изразяването на биотехнологичното въздействие в смисъл на образователната, социалната и политическата среда. Вземат се предвид и екологичните дискурси на биотехнологичните знания и по-конкретно – как те се изграждат, приемат, и може би най-важното, разпространяват и поддържат в обществото.

Влияние на науката и технологиите (Н&Т) върху обществото

В ЕС се води дискусия относно биотехнологиите и по-специално относно генното инженерство и въздействията, произтичащи от тази технология. Този въпрос трябва да бъде решен в тясна връзка с резултата от социалните взаимодействия. Следователно начинът на реализация на тези динамични сили трябва да отчита взаимовръзките и формата на произтичащата от това сложност между участниците.

Друг момент, който трябва да се прецени, са две основни теми при изследване на потенциалните въздействия на дадена технология. Те са: 1) непосредственото въздействие от използването и развитието на технологията и 2) рисковете отвъд технологията. Това зависи от дългосрочното ѝ прилагане и от начините да се постигне и поддържа доминираща позиция в нейното въздействие върху обществото от образователна, политическа и социална гледна точка. Това би могло да бъде поддържано като цяло чрез по-голяма загриженост относно дългосрочните последици от дейностите на Н&Т, отбелязани по-долу:

– Публикуване на образователни усилия в обществото: Извършване на интензивни усилия за присъединяване на учени, ключови лидери на общественото мнение и медии в съществуващ дебат за биотехнологиите и особено за генното инженерство. Основната цел е да се избегне информационен вакуум, който може да улесни антибиотехнологичната дейност и да генерира негативизъм в структурите на знанието.

– Роля на регулаторната политика в обществото: Фокусиране върху ефективна комуникация за риска и разбиране на факта, че общественото възприятие за риска може да бъде много различно от това на научната общност.

Обществени възприятия относно приложенията на биотехнологиите

Три основни теми се идентифицират и градят около: 1) науката, етиката и пола при възприемането на биотехнологиите; 2) международната политическа икономия, търговията и околната среда; 3) сигурността на държавата и системата и войната чрез биотехнологиите. Тези общи теми произтичат от разглеждане на международните отношения при биотехнологиите. Те предполагат концепцията за власт в Международната политическа икономия (МПИ), за да рамкират различните дискурси и сложните въпроси на технологичните въздействия. Въз основа на тези теми се разглеждат няколко показателя (Фиг. 3):

Съвременните биотехнологии се разглеждат като комплексна нововъзникваща област, която демонстрира наука на високо ниво, съчетана с ограничени познания от част от обществото. Това е свързано с отношението към естествената среда, технологичния прогрес, религиозните и моралните схващания и други. Матрица от променливи, включваща интересите на държавните сфери, като наука и политика, оптимизъм относно технологиите, социалните и културните ценности, ангажираност с въпроса за биотехнологиите и доверие в индустрията, регулации и други групи от гражданското общество – всички тези фактори допринасят за начина на представяне пред обществото и мненията за биотехнологиите (Фиг. 4). Установено е, че основните характеристики, като пол, образование, възраст и религия, също влияят на нагласите на хората.

Сериозният дебат относно приемането на генното инженерство е придружен от много доказателства, които се противопоставят срещу фокусирането върху специфични приложения на технологията, отколкото срещу генното инженерство само по себе си. Изследванията показват, че нагласите на потребителите по отношение на генните трансфери се влияят от вида на трансферите. Обхватът на приемливост включва следното: 1) трансфер на гени от растения към растения; 2) прехвърляне от животно на животно; 3) животно–растение или човек–животно, като последното е най-малко приемливо.

Едно проучване на възприятието за приложенията на съвременните биотехнологии, проведено сред хора от различни страни/континенти, показва, че медицинските приложения (водещи до разработване на лекарства и ваксини и генетични тестове) са до голяма степен приемливи в сравнение с биотехнологичните приложения за храни или културни растения. Въпреки това, медицинските приложения, свързани с ксенотрансплантация или клониране на животни за производство на мляко, срещат сериозни проблеми. Азиатците, например, са по-слабо обезпокоени от медицинските генетично модифицирани продукти, отколкото от генетично модифицираните храни. Изследванията относно клонирането на човешки клетки и биоремедиацията сред европейците е поставено на междинно ниво, предполагаемо под генетичното тестване, но по-добре признато за приемливо от генетично модифицираните култури и храни.

Друго проучване съобщава, че генетичните тестове все още получават най-високата подкрепа сред европейското население, последвани от клонирането на човешки клетки, производството на генетично модифицирани ензими за екологично чисти сапуни и ксенотрансплантацията. В дъното на този диапазон попадат генетично модифицираните култури и храни. Също така, по-голяма подкрепа се дава на методите за манипулиране на бактерии за почистване на нефтени разливи, последвано от устойчиви на болести култури; след това – приложения за мазнините в месото и домати с по-добър вкус, а по-малко подкрепа получават технологиите за подобряване на производството на мляко при крави.

Потребителите в Малайзия са по-отворени към приложенията на съвременните биотехнологии, които не включват междувидови трансфери на гени, като производство на храни и генетично модифицирани култури, които засягат само трансфер на растителни гени. За тях генните модификации са по-приемливи в следния ред: 1) прехвърляне на гени от маслена палма, за да се намали съдържанието на мазнини (наситени), 2) прехвърляне на човешки гени в бактерии за производство на инсулин, 3) прехвърляне на бактериални гени в соя, за да стане устойчива на хербициди.

Отношението на един човек към дадена нова технология зависи от няколко свързани фактора, като например неговото/нейното възприемане на рисковете и ползите от нея, и социално комуникираните ценности и доверие в институциите, представляващи тези технологии. По отношение на общественото възприемане на биотехнологиите се спекулира, че отношението към генното инженерство се определя от стойността на предлаганите потенциални ползи, познанията за генното инженерство и научния мироглед, от който трябва да бъдат изключени възприетият риск (рационални притеснения) и тревогите или страховете (ирационални притеснения). Освен това трябва да се добавят различни второстепенни фактори, като например фонови фактори. Смята се, че основният ефект върху приемането изглежда се основава на нивото на знания, осъзнаване на ползите, увереност и доверие.

Изследванията на общественото отношение към биотехнологиите показват много сходства с проучванията за възприемане на риска. Някои автори са използвали психометричния подход, основан на когнитивната психология, и той е приет като най-зрялата и доминираща парадигма в изследванията за възприемане на риска. Тези психометрични методи са установени въз основа на следните възгледи:

• да представят „риска“ като субективна идея, а не като обективна;
• да включват технически/физически и социални/психологически възгледи в критериите за риск;
• да приемат мненията на „обществеността“ (т.е. на неспециалисти, а не експерти) като предмет на интерес.

По този начин общественото приемане на съвременните биотехнологии се основава на анализ на когнитивната структура на преценките за риска, като обикновено се използват многовариантни статистически процедури като факторен анализ, многоизмерно мащабиране и множествена регресия. Този психометричен подход предполага, че обществеността не възприема технологичния риск като породен от едно-единствено измерение, свързано с очакваните наранявания или смъртни случаи, близки до гледната точка на оценителя на риска, а интерпретира риска като многоизмерна концепция, свързана с по-широки качествени измерения.

Ключовите разновидности на изследването за възприемане на риска са възприеманата величина на риска или страха, приемането на риска, запознатостта с опасността и най-малко – ползата от фактора. Значението на едно друго измерение – „намесата в природата“ в проучванията за възприемане на риска в областта на генното инженерство, също е много важно.

Биотехнологиите са на границата на науката и етиката. Развитието на технологиите е свързано с етична визия, която от своя страна се формира от специфични спорни въпроси. Много биотехнологии могат да бъдат оценени по отношение на тяхната полза за човешкото общество. Но трябва да се има предвид, че биотехнологиите имат и опасна страна. Тя може да предизвика неочаквани последици, които могат да причинят вредни ефекти или да отнемат човешката същност на хората. Затова етичните въпроси на предложените ефекти трябва да бъдат внимателно проучени.

Етичната оценка на новите технологии, включително на биотехнологиите, изисква различен подход към етиката. Съществува необходимост от промени, тъй като дадена нова технология може да окаже по-дълбоко въздействие върху света поради: 1) ограничения на етичния подход, основан на правата; 2) важността и трудността на прогнозиране на последствията; 3) възможност за манипулиране на самите хора сега.

Етичните въпроси относно биотехнологиите са много различни. Поради потенциала за дълбоки промени в бъдещето на човечеството, тези въпроси трябва да бъдат внимателно обмислени. На първо място е необходимо да се формулират и предскажат отговорностите спрямо природата и другите, включително бъдещите поколения, а след това да се съсредоточи върху правата и свободите. Реалната сила и потенциал на биотехнологиите изискват силна предпазливост, за да се осигури етичен прогрес, тъй като биотехнологиите се приемат като значителна сила за подобряване на качеството на живота на хората през ХХІ век.

Биотехнологите са неразривно свързани с науката и научното познание. Но понякога се поражда допускане, че биотехнологиите са тясно свързани с етиката. И накрая, различните биотехнологични тенденции насърчават определена визия за живота, някои от които са добри за живота и заслужават да бъдат насърчавани или развивани, но други са вредни и трябва да бъдат премахнати. Тази визия влияе върху избора на хората и върху усещането им за етично подходящи биотехнологии.

Понякога връзката между биотехнологиите и етиката се описва като конфликтна точка. Веднъж се създава впечатление, че етиката е необходима само в случай че човек иска да каже на другите, че правят грешни неща. До известна степен това е ясно, тъй като обсъжданията, дебатите и споровете са общи части на консултациите по етика. Но етиката е също толкова важна в случай на консенсус, че избраният път е добър и правилен. Разбира се, няма нужда от етичен дебат, когато търсенето е лек за рак. По този начин решението за извършване на такова търсене се предвижда чрез общоприето разбиране, че за лечение на рак има етична причина. Усилията, ресурсите и творчеството, посветени на разработването на по-добри лечения, са етично приемливи и по-голямата част от тези постижения се дължат на биотехнологиите.

Обществената приемливост на ползите и рисковете, наложени от съвременните биотехнологични приложения, засяга:

• обществено обсъждане на ползите спрямо рисковете;
• приемане на риска като ключов елемент при възприемането на риска;
• инструменти за имерване на обществените нагласи относно рисковете и ползите: управление на риска.

Обществено обсъждане на ползите спрямо рисковете

За определяне на приемливостта на биотехнологичните приложения е много важно да се оценят възприеманите ползи и рискове. Диаграмата на Фиг. 5 ги обобщава.

Приемане на риска

Друга ключова променлива е приемането на риска, което е важно за измерване на възприемането на риска. Рядко обаче се използва при отношението към биотехнологичните изследвания. Изтъквайки тежката ситуация със съвременните технологии, те винаги са свързани с някакъв риск, който създава сериозни проблеми за обществата. Политиците разглеждат анализа на разходите и ползите като основа на методологията за вземане на решения за приемане на социалния риск. Основният въпрос, който трябва да бъде решен при анализа на съотношението риск/полза, е: дали този продукт (дейност, технология) е допустим като безопасност или доколко безопасен е достатъчно безопасен? Два са основните подходи за извършване на анализ на рисковете и ползите (Фиг. 6).

Управление на риска

Управлението на риска е процесът, който има за цел да намали ефекта и да балансира начина, по който хората реагират на него. Ако искаме да отблъснем всички рискове, това не е осъществима цел. Хората с готовност поемат рискове, изпълнявайки широк спектър от дейности. Следователно въпросът за приемливия риск не е изцяло технически; неговият отговор зависи от ценностите. Опростено казано, възможно е да се определи прост праг за приемлив риск, например – риск от един на милион през целия живот. Всички дейности, по-рискови от този праг, са „неприемливи“, както и всички по-малко рискови са „приемливи“.

Има обаче две причини, поради които този подход не работи. Първата е свързана с гореспоменатото възприемане на риска. Хората не реагират просто на риск; приемливостта на риска в съзнанието на обществеността не е просто въпрос на предполагаемите фатални неща, а включва и други елементи на дейността. Например, дали дейностите се предприемат доброволно; дали процесът, водещ до риск, е нов/стар или познат; дали процесът предизвиква интуитивна, емоционална реакция на страх или не. Ето защо, за да се дефинира приемлив риск, трябва да бъдат включени описаните по-горе процеси на съобщаване на риска и ангажираност. Във втория случай някои дейности са от съществено значение и трябва да бъдат изпълнени дори ако причиняват относително високи рискове.

Освен това може да има и други случаи, при които съществуват евтини алтернативи за извършване на по-малко рискови или модифицирани дейности. Тогава рискът може да бъде добре предвиден като неприемлив поради готовите алтернативи. Това е икономически въпрос, който се занимава с няколко ресурса, предназначени за намаляване на риска. Освен икономическите проблеми, рисковете е възможно да се разглеждат не по отношение на абсолютните стойности, а на вътрешните различия между алтернативите.

Много често обаче не е възможно напълно да се избегне рискът; по-скоро човек трябва да избира между различни рискове. Следователно не съществува определен приемлив праг на допустимия риск, както и няма единна удобна монетизирана стойност за намаляване на риска. Желанието на обществото да инвестира в намаляване на риска зависи от широк спектър от фактори, които управляват възприемането на риска, като страх, свързан с риска, неговия катастрофален потенциал и т.н.

Обществени ползи от съвременните биотехнологии

Биотехнологиите се използват широко в такива области като медицината и хигиената, селското стопанство, горското стопанство, развъждането, рибарството, енергийната и химическата промишленост, металургичната и минната промишленост, хранителната и леката промишленост, опазването на околната среда. Съвременните биотехнологии постепенно демонстрират огромния си потенциален принос към производителността, макар че имат кратко минало от само няколко десетилетия насам. Съвременните биотехнологии ще се превърнат в мощно средство за намаляване на световните ограничения в областта на храните, здравето, енергията, ресурсите и околната среда. Развитието и прилагането на съвременните биотехнологии ще засегнат в дълбочина хората и обществото за дълъг период от време.

Биотехнологичните индустрии вероятно ще се превърнат във водещите индустрии през ХХІ век. Например, сортове култури, произведени чрез биотехнологии, с нови признаци на висока производителност и устойчивост на стрес (засушаване, студ, засоляване и т.н.), се очаква не само да увеличат производството на зърно, но и да намалят използването на селскостопански химикали (като пестициди , хербициди и торове), което ще бъде полезно за околната среда. По отношение на медицината и хигиената, редица лекарства, като ДНК ваксини, медикаменти, създадени чрез протеиново инженерство, моноклонални антитела, лекарства на основата на антисенс РНК, са разработени от биотехнологиите. Трансгенните животни и растения, произвеждащи някои видове лекарства (като ваксини и хормони), могат да помогнат за намаляване на заболяванията в процеса на ежедневното хранене. Проектът за секвениране на човешкия геном (HGP) и изследването на някои гени, свързани с болести, ще разкрият генетичните причини за някои заболявания. В момента замърсяването на околната среда се влошава, но реакторите за биологична трансформация, създадени от биотехнологиите, обещават да абсорбират замърсители или отпадъци и да ги разлагат до материали с ниска или никаква токсичност.

Следователно, в днешното общество, характеризиращо се с наукоемки индустрии, държавите по целия свят, особено индустриализираните, приемат биотехнологиите сериозно. Големи количества работна ръка и финансови ресурси се разпределят за научни и развойни дейности в областта на биотехнологиите. Съставят се съответни стратегии и политики за развитие и се създават механизми за подкрепа, за да се стимулира развитието на биотехнологиите.

Въпреки че общественото отношение или възприятие относно биотехнологиите е изследвано много и някои учени са се опитвали да идентифицират фактори, предсказващи отношението, използвайки или регресия, или корелация, проучванията, които се опитват да конструират структурен модел, предвиждащ отношението към биотехнологиите, са ограничени.

Първият документиран модел е разработен от Kelley (1995), като предлага структуриран начин за одобрение на генното инженерство сред австралийците (Фиг. 7). По-късно Pardo et al. (2002) представят друг модел за обяснение на европейското отношение към биотехнологичните приложения. Кели установява, че одобрението на генното инженерство се предвижда главно от селскостопански и здравни цели (благоприятни аспекти). От друга страна, научните и генноинженерните познания не предвиждат одобрение. Демографските променливи също не повлияват пряко одобрението на генното инженерство (техните ефекти не са статистически достоверни). Установява, че полът влияе върху знанието и научния мироглед, докато възрастта влияе върху знанията, целта и научния мироглед, като по този начин оказва много слаб (косвен) ефект върху одобрението. Образованието оказва голям ефект върху знанията, но не и по отношение на нагласите. Професията и религията нямат никакъв ефект върху нито една от междинните променливи. Зелените поддръжници са по-слабо благосклонни по отношение на генното инженерство (отрицателен пряк ефект върху одобрението на генното инженерство) в сравнение със симпатизантите на Лейбъристката коалиция (политически).

Често се смята, че биотехнологиите са технологията за дълбока трансформация на икономиката и обществото. Следвайки тези становища, развитието и прилагането на биотехнологиите имат значителен потенциал за мащабни икономически, социални и екологични въздействия. Ето защо биотехнологиите са от стратегическо значение за икономиките, основани на знанието, и техните правителства. Нациите, които не съумяха да развият биотехнологични възможности, не успяват да осъзнаят икономическите въздействия.

Приложенията, свързани с биотехнологиите, са се разпрострели в няколко много различни индустриални сектора, например производство на храни, довършителни работи на текстил, целулоза и хартия, селско стопанство, производство на електроенергия, химикали и нефтохимикали и фармацевтични продукти. Продуктите, произведени от тези сектори, обикновено не отразяват разликата между алтернативните производствени процеси. По този начин за много продукти би било необходимо да се прави разграничение между биотехнологичните и конвенционалните (например химически) производствени процеси, както и въвеждането на някои нови. Освен това биотехнологиите са динамично поле и някои биотехнологични методи на производство вероятно скоро ще бъдат преразгледани и ще се появят напълно нови продукти. Текущата официална статистика и проучванията на съществуващите компании могат да предоставят специализирана информация за разпространението на биотехнологичните приложения и тяхното икономическо въздействие. Данните непрекъснато се обновяват и се извършват различни технико-икономически проучвания, за да се осигури бъдеща производствена прогноза и сценарии. Прилагайки комбинация от методи и източници, те често се фокусират върху експертна преценка, казуси и различни статистически данни.

Алтернатива на измерването на разпространението на биотехнологиите, използвани в големите производствени сектори, е концепцията за продажби, свързани с биотехнологиите (англ. biotechnology-related-sales, BRS). Проучванията до момента са използвали различни подходи за измерване (определяне на нивото на агрегация на биотехнологиите, изследвани сектори, предположения за сценарии и др.). Освен това, за да се оцени въздействието на разпространението на биотехнологиите, е въведен модел на входящо производство и съответни показатели за изследване на неговия ефект върху заетостта. Моделът изследва на сравнителен принцип как биотехнологиите влияят върху основните сектори на приложение. Той сравнява проникването на пазара през 2004 и 2020 г. чрез скоростите на разпространение, измерени с горни и долни граници. Този подход помага да не се надценява въздействието на биотехнологиите, като същевременно се улавят определени иновативни биотехнологични приложения. Данните от това проучване показват почти сходен модел на разпространение във фармацевтичните продукти, преработката на храни и селското стопанство. Очаква се разпространението да се увеличи значително във всички сектори до 2025 г., както се вижда от навлизането на определени групи продукти. Беше показано обаче, че има сериозно ниво на подозрение относно разпространението на биотехнологиите; очакванията за 2025 г. са много несигурни. Анализът на тази тенденция показва, че има пречки, възпрепятсващи разпространението, посочени на Фиг. 7.

Социално-икономически въздействия

Мотивирани да възприемат голяма икономическа печалба, много известни международни бизнес корпорации направиха значителни инвестиции на капитал в НИРД на биотехнологиите и по този начин променят предишните световни социални и икономически тенденции. Такъв пример е компанията Monsanto (по-рано намираща се в САЩ, а сега част от глобалния консорциум BASF). Традиционно работеща в химическата промишленост, след 1985 г. компанията направи сериозни пренареждания на бизнеса, инвестира в 3 биотехнологични сектора и се превърна в основен консорциум, занимаващ се с научноизследователска и развойна дейност в областта на биологията. След 1998 г. около 20 милиона хектара ниви по целия свят бяха засадени с ГМ семена на Monsanto. Скоро след това Monsanto направи напредък на международния пазар на семена за култури чрез напълно интегрирана система за търговия с ГМ семена и селскостопански химикали. По този начин Monsanto получи контрол върху голяма част от хранителната верига на човешкото население, като направи огромна печалба, хранейки го с ГМ култури. Ето пример за това как в съвременния глобализиран свят се появява възможност няколко мултинационални корпорации да вземат решение относно консумацията на храна от хората.

При употреба в млечни продукти на говежди растежен хормон (BGH), произведен чрез генно инженерство, млечността на млечната крава може да се увеличи с 30 %, което означава 10 % по-малко разход на фураж. Така че резултатът е много впечатляващ за млечната индустрия.

Голям брой лекарства, като ваксини за лечение на малария и холера, се предоставят на пациентите чрез нови антигени, синтезирани чрез съвременни биотехнологични методи. Те карат процентите на заболяванията и смъртността в много страни (особено в развиващите се) да намаляват бързо, което съвпада с темповете на растеж на населението. В този контекст възниква въпросът за въздействието върху и без това недостатъчната икономика и инфраструктура на посочените държави.

Въздействия върху биоразнообразието и устойчивото селско стопанство

Редица ГМ култури съдържат чужди гени от други растения, животни и микроби. Всички тези чужди гени могат да бъдат прехвърлени в други растения в природата чрез полените на генетично трансформирани растения и ще причинят замърсяване на естествения генофонд. Следователно, прогнозираната опасност за природните ресурси е сериозна, тъй като по-голямата част от трансгенните растения притежават икономически полезни характеристики, като висока производителност, устойчивост на болести-вредители, устойчивост на стрес, а фермерите са привлечени от икономически интереси да отглеждат тези растения, а не традиционните сортове култури. Също така, технологиите за отглеждане на монокултура от даден сорт в някои области могат да увеличат загубата на биологично разнообразие. Така че в дългосрочен план това влошаване на генетичната основа може да намали естествената устойчивост на растенията към болести и вредители от насекоми и това да доведе до намаляване на добивите на културите. По този начин може да се компрометира глобалното устойчиво развитие.

Bacillus thuringiensis (Bt) е почвена бактерия, която се използва за синтезиране на токсин срещу насекоми в самите растения. Използва се като микробен пестицид в продължение на много години, а гените, кодиращи тези инсектицидни токсини, могат да бъдат въведени в клетките на много култури, като памук, соя и рапица, за да се създадат растения, устойчиви на вредители. В този случай експертите по опазване на околната среда и организацията „Грийнпийс“ са обезпокоени от факта, че производството на токсини се осъществява в късния жизнен цикъл на трансгенните растения и има възможност за повишаване на обичайната устойчивост на вредителите към Bt токсините . Така че тази ситуация би довела до по-голямо използване на пестициди на базата на Bt поради загуба на тяхната ефикасност, и причиняване на големи икономически загуби.

Въздействия върху общественото благосъстояние

Експлоатацията на технологиите за генно инженерство у хората би могла да улесни диагностицирането и излекуването на някои заболявания с генетична основа, като някои видове рак, хемофилия и т.н. Но диагностицирането на такива гени може също да окаже противоположен ефект върху перспективите за заетост и брак на тези хора. Чрез генно инженерство, животни, растения и микроби могат да бъдат превърнати в био-фабрики за производство на различни видове химикали. По този начин те могат да бъдат третирани като постоянни биологични производители, а същевременно нарастващият потенциал за последствия от продуктите може да причини социално-икономически проблеми. Да приемем, че специфични микробни щамове са проектирани да произвеждат дадено ценно вещество в голям мащаб. В такъв случай е важно да се прогнозира въздействието на това производство върху големите световни производители на същото вещество. Ако това вещество допринася за значителен процент от дохода на дадена държава, какво би било влиянието и последиците от това биотехнологично производство върху селското стопанство и финансовата инфраструктура на страната?

Едно неподходящото приложение на биотехнологиите би създало много рискове, подобно на други модерни технологии. Например нововъведените гени в културните растения, създадени чрез генно инженерство, могат да предизвикат алергични реакции. Икономически важните характеристики на устойчивост към вредители, хербициди или към стрес, въведени в растенията, могат да отделят тези трансгенни гостоприемници от земеделските системи за отглеждане. Гените за устойчивост у трансгенни растения могат да бъдат прехвърлени на техни близкородствени плевели, а те от своя страна – да бъдат трансформирани до „супер“ плевели, борбата с които ще бъде много трудна. По този начин мащабните изпускания в околната среда на трансгенни култури, устойчиви на вредители, ще предизвикат сериозен еволюционен натиск за изграждане на устойчивост у целевите вредители.

Трансгенните устойчиви на вируси растения, които вече са трансформирани с чужди вирусни гени, притежават кодирани от вируси протеини, които могат да се рекомбинират с генетичния материал на други вируси, с което да се получат нови видове вируси с по-висока токсичност. Ако селективното унищожаване на целевите вредители и патогени не е възможно, трансгенните култури, устойчиви на вредители и болести, могат бързо да отровят други организми и също така да окажат вредно действие върху полезни микроорганизми, насекоми, птици и бозайници чрез хранителните вериги.

Освен това много биотехнологични продукти са живи организми и могат да се движат и възпроизвеждат сами. Веднъж изпуснати в околната среда и доказали се като токсични, тогава е почти невъзможно да се отстранят, а вредата, която създават, може да нарасне с времето, като става все по-сериозна. По този начин изпусканията на трансгенни растения в околната среда в големи количества могат да увредят естествения екологичен баланс в дългосрочен план.

Загрижеността за биологичната безопасност възпрепятства научноизследователската и развойната дейност на биотехнологиите. Обществото в много страни изразява негативното си мнение, чувство на отблъскване, дори страх по отношение на биотехнологични продукти. Това се проявява дори чрез демонстрации, стъпкване на полски култури, забраняване на вноса или изкупуване на биотехнологичните продукти. Така въпросите на биологичната безопасност се поставят на най-предна позиция в дневния ред на много страни и международни сдружения. В редица страни са формулирани закони и разпоредби относно биологичната безопасност, а проблемите на биобезопасността се разглеждат в много международни документи и договори, като Програма 21 и Конвенцията за биологичното разнообразие.

Биотехнологиите са на път да станат от сериозна важност за икономиката и могат да придобият доста голямо значение в няколко сектора на приложение през следващите 10–15 години. Въпреки това общите ефекти на съвременните биотехнологии върху икономиката са доста разнообразни. Например оценките на заетостта показват, че увеличаването на дела на биотехнологиите в секторите на приложение и връзката им с доставчиците показват тенденция за намаляване на заетостта поради ефектите върху производителността. Икономическото значение на биотехнологиите се увеличава поради навлизането им в напълно развити производствени сектори. Разпространението в тези основни сектори на приложение обаче може да повлияе само на малки части от общата заетост. Съществено въздействие върху цялата икономика може да се прояви само ако биотехнологиите се увеличат в други сектори.

Дълбочината на биотехнологичната трансформация на икономиката силно зависи от нейния потенциал да предложи създаването на нови продукти и да подобри ефективността при производството на съществуващи такива. Следователно се очаква биотехнологиите да позволят създаването на много продукти, но потенциалът за повишаване на производителността на труда да бъде ограничен. Един важен възглед е, че биотехнологиите могат да трансформират икономиката и обществото по различен начин, като се допълват с други технологии като ИКТ. Големи стимули за такъв икономически растеж могат да се появят в комбинация с други технологии или повишаване на ефективността, които увеличават производителността и покупателната способност, за да реализират плодовете на биотехнологиите.

Синтетичната биология е наскоро възникнало подразделение на биотехнологията, при което гените и протеините се разглеждат като единици, които могат да се пренареждат и/или сглобяват по нови начини с цел създаване на нови и полезни функционалности.

Въведение

През 1997 г. на света бе представена клонираната овца Доли. Оттогава насам темата за клонирането неведнъж е попадала в заглавията на вестниците. Тя има три майки, няма биологичен баща и е генетично идентична с една от майките си. Доли е първият клониран бозайник, който не е в резултат на нова комбинация между баща и майка, а е заченат от телесна клетка на една от майките си. Докато по времето на Доли, някои изследователи са се противопоставяли яростно на клонирането на човешки клетки, днес самите те работят с ембрионални стволови клетки с надеждата един ден да се борят с болести като рак или Паркинсон. Клонирането в областта на медицината, биотехнологиите и молекулярната биология е създаването на единици, индивиди и популации, които са генетично идентични или почти идентични с оригиналния организъм или част от този, от който са получени. В спонтанно възникналата си форма клонирането е начинът, по който бактериите и някои растения и животни, се размножават безполово.

Най-драматично, спорната област е клонирането на хора за репродуктивни цели, т.е. за създаването на бебета, които ще се превърнат в пълноценни възрастни и пълноправни членове на обществото. Изследванията върху човешки ембриони, включително клонирането с прехвърляне на ядро, са разрешени до четиринадесет дни след зачеването; а последващото култивиране и научната и терапевтична употреба на човешки ембрионални стволови клетки е разрешено в повечето страни (не във всички). Човешкото възпроизводство е в основата на въпроса за клонирането от етична гледна точка, заедно с идеите за дизайн и исторически все по-популярната тема за подобряване на индивидите и усъвършенстване на човешката раса.

Изкуственото клониране използва потенциала на определени, недиференцирани клетки да се диференцират в такива от определен тип при подходящи условия. Тези клетки се наричат стволови клетки. Те се срещат както в малък брой в тялото на възрастен човек, за да заменят липсващи или мъртви клетки, така и в ранните ембрионални стадии, от около четвъртия до седмия ден след оплождането. Само ембрионалните стволови клетки до около осемклетъчния стадий все още могат да се развиват във всички видове тъкани и по този начин в цял организъм; те са тотипотентни (= всемогъщи). За разлика от тях, от всички останали стволови клетки не може да се образува цял организъм. Те могат да дадат началото на много различни видове клетки или само на един специфичен вид клетки; те са плурипотентни или мултипотентни.

Биомедицински изследвания и приложения

Клонингите на висши организми представляват голям интерес за фундаменталните биомедицински изследвания, както и за медицинските изследвания с приложна насоченост. Понастоящем се обсъждат четири основни възможни области на приложение на клонирането, основано на ядрен трансфер, за медицински цели. Първата област е т.нар. генна фармация, т.е. използването на трансгенни животни за производство на терапевтично полезни (човешки) протеини, напр. в млякото. В обозримо бъдеще това ще бъде едно от основните, потенциални приложения на клонирането, базирано на ядрен трансфер, тъй като то прави производството на съответните трансгенни животни по-ефективно и целенасочено, в сравнение с конвенционалните методи. Предимствата на тези активни вещества, получени чрез биогенетични производствени процеси, като инсулин или кръвни фактори, или други човешки ендогенни вещества, са, че те могат да бъдат получени по много по-чист начин, отколкото при конвенционалния метод чрез животински и човешки междинни продукти. Ако са налични такива животни, активните вещества могат да се произвеждат в големи количества и сравнително евтино. Съществуват обаче и рискове за животните, свързани с генетичната (трансгенна) манипулация, биологичната активност на произвеждания протеин и самия процес на клониране. Рисковете за хората могат да възникнат от промените в продуктите, както и от възможното предаване на болести (патогени). Затова те трябва да бъдат елиминирани, доколкото е възможно, чрез внимателно тестване на лекарствата.

Друга област, в която клонирането би могло да се използва, е производството на трансгенни животни като животински модели за човешки заболявания. Основна пречка пред по-нататъшното развитие на животинските модели се оказа фактът, че досега това е било възможно само при мишки – да се интегрират генетично манипулирани клетки в зародишна линия на животно-реципиент, по такъв стабилен начин, че генетичните промени да могат да бъдат унаследени. Въпреки това физиологичните и анатомичните различия между мишките и хората са толкова големи, че симптомите на генетичната модификация, въведена при мишките, често не съответстват на клиничната картина, наблюдавана при хората. Клонирането чрез ядрен трансфер, използвайки соматични клетки, открива възможност за предизвикване на целенасочени генетични промени в различни видове (генно насочване и генно изключване). Това също така би позволило за първи път да се създадат модели на заболявания при трансгенни големи животни, които в зависимост от изследваното заболяване биха могли да превъзхождат предишните такива на мишки, по отношение на анатомични, физиологични или генетични характеристики. Като цяло се очаква, че в средносрочен план това ще допринесе за по-доброто разбиране на клиничните картини на генетично обусловените човешки заболявания и въз основа на това – за разработването на ефективни начини на лечение. Клонирането би могло също така да допринесе технически за трансплантацията на автоложна тъкан и за т.нар. клетъчна терапия. Оптималната тъкан за трансплантация е лесна за характеризиране: нейните клетки трябва да бъдат генетично възможно най-идентични с тези на реципиента. В този случай имунната система на пациента няма да я разпознава като чужда и проблемът с отхвърлянето ще бъде елиминиран. Ето защо оптималното решение би било да се създаде генетично идентична заместваща тъкан. Резултатите от изследванията показват, че това вече може да бъде постигнато чрез клониране на базата на ядрен трансфер. По принцип е възможен и друг начин за култивиране на човешка заместваща тъкан: С помощта на метода на ядрения трансфер ще се създаде ранен ембрион, от който в култура ще могат да се получат плурипотентни ембрионални стволови клетки. Все още обаче не е възможно да се получат такива клетки при хора, дори от ембриони, създадени in vitro. Освен това подобна процедура би изисквала създаването и използването на човешки ембрион, което е много проблематично от етична и правна гледна точка, освен ако не могат да се използват яйцеклетки от животни като реципиенти на клетъчни ядра. Но това развитие е все още в начален стадий и е свързано със собствени проблеми, особено етични, които също са сериозни.

Четвърта област, в която е възможно използването на (трансгенни) клонирани животни, е ксенотрансплантацията (присаждане на животински органи на хора). Въпреки това, за да се създадат „животни донори“, ще трябва да се променят до десетина гена при прасетата, например. Това е практически невъзможно с конвенционалните методи за генетично модифициране. Сега клонирането би могло да направи възможно да се осигурят клетъчни култури с желаните генетични промени, преди от тях да бъде създадено многократно генетично модифицирано животно с помощта на клониране на базата на ядрен трансфер. Но дори ако „идеалното“ животно-донор може да бъде създадено по този начин, основните проблеми на отхвърлянето вероятно ще останат. Не е сигурно също така дали чуждият животински орган действително ще изпълнява функциите си в човешкия реципиент. Остава и проблемът с адаптацията на животински вируси към човека, което може да доведе до епидемии.

Правни аспекти

От правна гледна точка е особено важно да се отговори на въпроса кои разпоредби ръководят клонирането на животни и при какви условия клонирането е или не е законово допустимо. Например, в Закона за защита на животните във Федерална Република Германия, няма ясно разглеждане на техниките за клониране. Клонирането на животни обаче би могло да бъде обхванато от разпоредбите на чл. 7, ал. 1 от Закона за защита на животните, тъй като този параграф съдържа разпоредби относно опитите с животни, а процедурите по клониране са предимно все още на експериментален етап. Прилагането и въздействието на този параграф обаче се обсъждат по много различни начини: Ако не се счита, че премахването на ядрото на яйцеклетката е генетична модификация в правен смисъл, прехвърлянето на яйцеклетката в бременното животно също не представлява експеримент върху животни. Ако обаче се стигне до заключението, че клонирането чрез пренасяне на ядро попада в обхвата на разпоредбите на член 7, параграф 1, ред 2 от Закона за защита на животните, тъй като става въпрос за интервенции върху генетичния материал и освен това опитите за клониране могат да бъдат свързани с болка или вреда за генетично модифицираните животни (или животните носители), то опитите за клониране чрез пренасяне на ядро, очевидно, ще подлежат на разрешение.

От конституционна гледна точка забраната на клонирането във Федерална Република Германия би нарушила основните права на изследователите и специалистите по член 5, параграф 3 (свобода на научните изследвания) и член 12, параграф 1 от ДГ (свобода на професията). Забраната на клонирането или други ограничения върху него, биха представлявали и посегателство върху гарантираната от Конституцията свобода на науката. Конституционна пречка, която би могла да оправдае това посегателство, очевидно не съществува. Следователно съгласно член 12, параграф 1 от Основния закон забраната на клонирането например би била противоконституционна, тъй като не би била съвместима с общественото благо и не би била обхваната от правната резерва на член 12, параграф 1, ред 2 от Основния закон. По този начин клонирането на животни е допустимо при настоящите условия и подлежи само на дадени ограничения съгласно действащото право. „Държавната цел за защита на животните“ сама по себе си не изключва използването на животни, но повишава изискванията за необходимата обосновка.

Етични аспекти

Различните позиции в социалната дискусия и оценка на клонирането на животни могат отчасти да бъдат проследени до различни основни ценностни предположения. Те определят и дали клонирането на животни се счита за ново качество в сравнение с конвенционалните или други нови методи за развъждане на животни. Някои теологично обосновани позиции разглеждат клонирането например като намеса в творението, на която хората нямат право. Тези, които приписват на животните „вътрешна стойност“ или „достойнство на творението“, обикновено смятат клонирането на животни най-малко морално проблематично. От антропоцентрична гледна точка на преден план излиза въпросът за безопасността на продуктите, произведени с помощта на процедурата по клониране, и за екологичните (обедняване на генетичното разнообразие) и социалните (масово индустриално производство, концентрация на капитала, нови отношения на зависимост) рискове и опасности, които евентуално са свързани с нейното използване. С оглед на трудностите при постигането на морален консенсус е необходимо да се обмисли кои етични принципи следва да ръководят евентуалното използване на клонирането на животни.

По правило етиците смятат, че целите в биомедицинските изследвания и приложения са с висок приоритет, ако те са особено спешни или дори жизненоважни за здравето на хората и могат да бъдат постигнати само с помощта на клониране от висши животни. Целите в областта на фундаменталните изследвания също могат да се считат за високоприоритетни и да оправдаят клонирането на висши животни, ако не съществуват алтернативни методи. Ако обаче клонирането е свързано със значително страдание за съответното животно, трябва да се провери дали самият интерес на хората към познанието вече представлява достатъчна причина за оправдание или оправданията са възможни само за определени цели, т.е. когато са необходими за избягване на значително човешко страдание. Целите в областта на животновъдството обикновено се споменават като подчинени на посочените, освен ако не служат за осигуряване на храна за хората.

Заключения и варианти за действие

В приложните изследвания клонирането, основано на ядрен трансфер, открива нови начини за създаване на трансгенни животни. Някои терапевтично ефективни протеини могат да бъдат произведени евтино. По този начин производството на автоложна заместваща тъкан изглежда обещаващо от медицинска и етична гледна точка, поради което съответните изследователски дейности заслужават дадена подкрепа. Не е ясно дали ще бъде възможно да се създадат по-добри модели за изследване на човешки заболявания при селскостопанските животни, но поради немалкото им медицинско значение усилията в тази област също трябва да се засилят и подкрепят. Като цяло потенциалната полза от клонирането, основано на ядрен трансфер, за областта на научните изследвания и медицината, изглежда относително голяма.

От етична гледна точка оценката на клонирането на животни трябва да се основава на същите критерии, които се прилагат (или трябва да се прилагат) към традиционното развъждане на животни. В тази връзка на различни места се възпрепятства и създаването на национална комисия по етика, която би трябвало да се занимава с морално-етичните въпроси спрямо напредъка на биологичните и биомедицинските технологии или с последиците от напредъка на биологията и медицината спрямо всички животински видове освен хората . Нейната задача би била да съветва лицата, вземащи политически решения, и да информира публиката.

Въведение

Принципът на устойчивостта или устойчивото развитие е предмет на широк кръг от международни, национални и местни дейности, теоретични усилия, правни и планови мерки. Те са придружени от почти неуправляемо изобилие от публикации и документация. Въпреки това съществени въпроси, свързани с тълкуването на този принцип, остават без отговор.

Принципът на устойчивост е широко разпространен въз основа на доклада на Световната комисия по околна среда и развитие от 1987 г. (т.нар. „доклад Брундтланд“), чието определение често се счита за стандарт: „Човечеството има способността да направи развитието устойчиво – да гарантира, че то отговаря на нуждите на настоящето, без да се компрометира способността на бъдещите поколения да задоволяват собствените си нужди.” Основният елемент на тази концептуализация е опазването на околната среда от гледна точка на справедливостта между поколенията и международната справедливост. Докладът обаче съдържа и второ, по-малко известно определение, което подчертава необходимите радикални социални промени и процесния характер на устойчивото развитие: „Устойчивото развитие е (…) процес на промяна, при който експлоатацията на ресурсите, насочването на инвестициите, ориентацията на технологичното развитие и институционалните промени се съобразяват както с бъдещите, така и с настоящите нужди.”

Ангажиментът на Европа за устойчиво развитие

Устойчивото развитие е в центъра на европейската политика от много години, а Договорите на Европа признават икономическите, социалните и екологичните му измерения. Икономическият просперитет, ефикасността, мирните общества, социалното включване и отговорността са в основата на устойчивото развитие. Следователно то е междусекторен въпрос, който засяга всички държави. Следователно, Европа е длъжна да посрещне нуждите на настоящето време и не трябва да рискува бъдещите поколения да нямат възможност да посрещат собствените си нужди.

Осигуряването на устойчивост е предизвикателство за Европа, тъй като то обхваща различни области – от младежката безработица, изменението на климата, замърсяването, енергийните и миграционните политики, до застаряването на населението. Трябва да се подготвим за настоящите и бъдещите предизвикателства и да отговорим на бързите и сложни глобални промени и на нуждите на нарастващото световно население. За да запазим европейския социален модел и социалното сближаване, е необходимо да инвестираме в нашата младеж, да насърчаваме приобщаващ и устойчив растеж, да се справим с неравенствата и да се справяме с миграцията разумно. Устойчивостта на нашите здравни и пенсионни системи ще бъде подобрена чрез провеждане на отговорни фискални политики и реформи, защото ако желаем да защитим природния си капитал, трябва да ускорим прехода към конкурентоспособна нисковъглеродна, устойчива на изменението на климата и ресурсно ефективна кръгова икономика. Ето защо е необходимо силно посвещаване на научните изследвания и иновациите, за да се превърнат тези предизвикателства във възможности за нови предприятия и работни места.

Регулиране на екологичното поведение

Така нареченият тристълбов модел е определението, което най-често се използва в дискусията за устойчивостта: „Устойчивостта е концепция за трайно устойчиво развитие на икономическите, екологичните и социалните измерения на човешкото съществуване. Тези три стълба на устойчивостта взаимодействат помежду си и изискват балансирана координация в дългосрочен план.“

Устойчивостта е ориентирана към бъдещето и в същото време е утопична, т.е. тя е утопия, но не в смисъла на „илюзорно безгрижие“, а по-скоро „като израз на напускане на бъдещето, офанзивно ориентирано към придобиване на нови перспективи“ – особено с оглед на стесняването на бъдещите възможности от икономически, екологични и социални проблеми.

Ето защо ЕС се ангажира с развитие, което отговаря на нуждите на настоящето, без да рискува възможността на бъдещите поколения да посрещнат собствените си нужди. Основата на устойчивото развитие е достойния живот за всички с наличните ресурси на тази планета, характеризиращ се с икономически просперитет, ефективност, мирни общества, социално приобщаване и отговорност към околната среда.

Инструменти

Инструменти за прилагане на политиката в областта на околната среда (екологично планиране)

Поради интензивното развитие на промишлеността в индустриализираните страни в началото на 70-те години на миналия век, се развива, така наречената, политика в областта на околната среда, като специален правителствен отдел. Първоначално тя се ограничава главно до дейностите на държавата. Междувременно обаче все повече и повече участници, имащи отношение към околната среда (т.нар. „заинтересовани страни“), са призовани да отговарят за проблемите, касаещи околната среда. Като пряката отговорност на причинителя на (потенциални) екологични проблеми играе все по-значима роля. Необходимо е също така да се интегрират екополитически цели и стратегии в други сфери: например в областта на енергетиката, транспорта и промишлеността, селското стопанство или строителната политика. „Твърдите“ еко-политически инструменти (като закони и разпоредби) се прилагат съвместно с „меките“ методи за поведенчески контрол.

Наред с екологичното законодателство, екологичното планиране формира основния набор от инструменти, които постановяват как екологичната политика да се прилага не само като регулаторна, но и като формираща. Екологичното планиране може да се разглежда като разработване на устойчиви екологични стратегии, които трябва да улеснят постигането на регионални и/или секторни цели за опазване на околната среда в рамките на определен период от време. Например намаляване на емисиите на CO₂ с 25 % в рамките на следващите десет години. През осемдесетте години на миналия век приемането на националните планове за околната среда в Дания, Нидерландия и Финландия изиграват пионерска роля в това отношение. Затова първо ще се спрем на възможностите за екологично планиране.

За прилагането на принципите и целите на политиката в областта на околната среда, в правната рамка на много държави в ЕС се прилагат два инструмента – различни видове екологично планиране и различни мерки за регулиране на екологичното поведение. Екологичното планиране е важно средство за защита. Такова планиране се осъществява като многоетапен процес, включващ регистриране на настоящата ситуация, прогнозиране на бъдещите конфликти на цели, развитие и интереси. Плановете могат да бъдат под формата на закони, законови разпоредби, устави, административни разпоредби или административни актове, като всеки от тях има различни правни последици.

Преобладават две форми на екологично планиране: Така нареченото „цялостно планиране“. Задачата на цялостното планиране по отношение на околната среда е да определи, като същевременно упражнява далновидност, за какви цели би се използвала дадена земя – за жилищни, икономически или развлекателни цели, независимо дали съществува даден проект, обхващащ тази територия и без да се ограничава до конкретен сектор. Втората задача е секторното планиране. Секторното планиране, противоположно на цялостното планиране, се отнася до околната среда и служи за изработване на планове с цел опазване на околната среда. Те се отнасят главно за ландшафта, за чист въздух, за намаляване на шума, за опазване на водите и за управление на отпадъците, като всички те изискват допълнителни мерки за прилагането си.

Друг важен инструмент, подпомагащ изпълнението на изискванията за прилагане на политиката в областта на околната среда е „Оценката на въздействието върху околната среда“ (ОВОС). Основната цел на този инструмент е администрацията да бъде своевременно и изчерпателно информирана за следите оставени от проектите, съсредоточени върху опазване на околната среда. Оценката на въздействието върху околната среда има за цел своевременно да идентифицира, опише и оцени всички преки и косвени въздействия, на даден проект, върху околната среда, включително екологичните взаимодействия, като по този начин се дава възможност за предприемане на предпазни мерки, във всички медии и сектори и с участието на обществото.

Инструменти за регулиране на екологичното поведение

Екологичното поведение е може би най-важната цел на политиката и обучението в областта на околната среда. Съществуват различни инструменти за регулиране на екологичното поведение, които могат да бъдат разграничени като преки или непреки форми за регулиране: като (1) пряко регулиране и (2) непряко регулиране на поведението.

Прякото регулиране на поведението се отнася до правните мерки, предназначени да повлияят незабавно на екологичното поведение. „Класическият“ инструмент от този тип е екологичното регулаторно право, което произлиза от полицейското и регулаторното право и обикновено наказва неспазването на изискванията чрез налагане на санкции. Съответно действията с неблагоприятно въздействие върху околната среда са обект на административен контрол, който се характеризира със законови изисквания за уведомяване, регистриране, лицензиране, упълномощаване, одобряване и други процедури за предоставяне на разрешение за извършване на такава дейност. Освен това прякото регулиране се упражнява и чрез изрична (абсолютна) забрана, или изискване на определено поведение по закон.

Принципи за политически и правни мерки

Важно е да се разграничат и обяснят принципите, от които се ръководи екологичното право както в национален, така и в международен план, и да се разбере значението на „екологична устойчивост“ и „устойчиво развитие“ в контекста за опазването на природата. Сериозното и съществено екологично право трябва да се ръководи от някои високопоставени принципи. За много международни и национални разпоредби в областта на екологичното право, в рамките на Европейския съюз (например в Германия), съществуват четири основни принципа, които са в основата на всички процеси на създаване на екологично законодателство по отношение на предпазливостта, принципа, че „замърсителят плаща“,  този за устойчивото развитие (относно интеграцията на опазването на околната среда и икономическото развитие) и сътрудничеството.

Често се споменават и други принципи, които допълват четирите основни или ги характеризират по определен начин. Някои примери са процесуалните права в областта на околната среда, общите, но диференцирани отговорности, международната справедливост и справедливостта между поколенията, общата грижа на човечеството и общото наследство.

Принцип за предпазливост

По своя произход, принципът на предпазливостта е по-скоро политически, отколкото философски  и за първи път е въведен като „Vorsorgeprinzip“ (принцип на предпазливостта) в немскоговорящата зона. Той е включен в няколко национални правни текста и международни договори, или декларации. Добро определение е дадено от Пер Сандин: „Основното послание на принципа на предпазливостта е, че в някои случаи трябва да се вземат мерки срещу възможна опасност, дори ако наличните доказателства не са достатъчни, за да се разглежда съществуването на такава като научен факт.“ Следователно може да се каже, че в основите на принципът за предпазливост са откриването на опасности и на научната несигурност. Вследствие на това тежестта за доказване (че дадено действие може да причини сериозна вреда на обществото или на околната среда) пада върху тези, които пледират за мерки за предотвратяване на такава вреда. Винаги, когато може да се предвиди вероятна вреда за обществото или околната среда, следва да се прилага принципът за предпазливостта. Често обаче не е ясно дали планираното действие ще причини щети върху обществото или околната среда, тъй като възможното влияние, в следствие на човешките действия върху околната среда или човешкото здраве, често зависи от динамиката на сложни системи, поради което реалните последици могат да бъдат непредсказуеми. Ето защо са необходими допълнителни научни изследвания – но също така и предпазливост, ако дадено действие се намесва в сложни (човешки или природни) системи.

В днешно време, принципът за предпазливостта е включен в много европейски и международни договори и спогодби. В своя доклад за околната среда от 1976 г.  германското федерално правителство описва принципа за предпазливостта по следния начин: Политиката в областта на околната среда не се ограничава до предотвратяване на непосредствена опасност или отстраняване на вече настъпили щети. Едно от изискванията й обаче е природната среда да бъде опазвана и третирана внимателно. Принципът на предпазливост е въплътен в редица разпоредби в областта на околната среда и освен предпазване от рискове включва и опазване на ресурсите.

Принципът за предпазливостта е особено важен при правните разпоредби и решенията, свързани с потенциални рискове за общественото здраве. Пример за това е допускането на генетично модифицирани храни на пазара, използването на растежни хормони при отглеждането на едър рогат добитък или при взимането на мерки за предотвратяване на болестта „луда крава“.

Въпреки това, в реалността, на създателите на политики често им се налага да се борят с липсата на валидна научна информация или с непреодолими конфликти между интересите на различните заинтересовани страни. Понякога е много трудно да се направи оценка на потенциалните вреди и да се намери приемлив политически компромис. Но така или иначе, строгото прилагане на принципа за предпазливостта следва да се избягва, когато няма достатъчно знание дали съществува реален потенциален риск от даден иновативен продукт или дейност, или не. В този случай принципът може да се възприеме като абсолютна забрана за всички действия – което може да спре всички технологични иновации и напредък.

Принцип „замърсителят плаща“ (в сравнение с принципа „общността плаща“)

Принципът „замърсителят плаща“ гласи, че ако някой повлиява по даден начин  върху околната среда, то той носи основна материална и финансова отговорност и е длъжен да предотврати, коригира или финансово компенсира за нанесените щети. Но проблемът възниква в случаите на наследствено замърсяване. То се изявява, когато виновните страни често не могат да бъдат държани отговорни и – ако никоя друга страна не може да бъде държана отговорна – обществото трябва да поеме разходите. В такива случаи принципът „замърсителят плаща“ ще бъде заменен с принципа „обществото плаща“.

В правото в областта на околната среда принципът „замърсителят плаща“ е въведен с цел страната, отговорна за замърсяването, да плати за щетите, нанесени върху природата. Той се счита за общ подход поради силната подкрепа, която е получил в повечето страни от Организацията за икономическо сътрудничество и развитие (ОИСР) и Европейската общност (ЕО). В международното право в областта на околната среда той е споменат в принцип 16 от Декларацията от Рио де Жанейро за околната среда и развитието (1992 г.).

Принципът „замърсителят плаща“ е важен елемент от политиката в областта на околната среда и оказва влияние, например, върху политическите мерки за намаляване на емисиите от парникови газове. Често този принцип се прилага като така наречената „разширена отговорност на замърсителя“ (РОЗ). Тази концепция вероятно е формулирана за първи път от шведското правителство през 1975 г. Например РОЗ би спомогнало с прехвърлянето на отговорността за справяне с отпадъците от правителствата и данъкоплатците към реалните производители на отпадъци. ОИСР определя РОЗ като: концепция, при която производителите и вносителите на продукти следва да носят значителна степен на отговорност за въздействието на техните продукти върху околната среда през целия жизнен цикъл на продукта, включително въздействията нагоре по веригата, присъщи за избора на материали за продуктите, въздействията от самия производствен процес на производителите и въздействията надолу по веригата, от използването и изхвърлянето на продуктите. Производителите поемат своята отговорност, когато измислят своите продукти, така че да сведат до минимум въздействията върху околната среда по време на жизнения цикъл, както и когато поемат правна, физическа или социално-икономическа отговорност за въздействията върху околната среда, които не могат да бъдат отстранени.

Принципът на устойчивост (устойчиво развитие)

Друг важен принцип е принципът на устойчивото развитие, който може да се разглежда като пример за прилагане на принципа за предпазливостта към ресурсите. Този принцип представлява модел на използване на ресурсите, който има за цел да задоволи човешките нужди, като същевременно опазва околната среда, така че тези нужди да могат да бъдат задоволени не само в настоящето, но и за бъдещите поколения. За първи път терминът „устойчиво развитие“ е използван от Комисията Брундтланд (1987 г.), която е дала най-известното определение на устойчивото развитие като развитие, което „задоволява потребностите на настоящето, без да застрашава способността на бъдещите поколения да задоволяват собствените си потребности“ (ООН, 1987 г.).

Терминът „устойчиво развитие“ има за цел да съчетае ресурсите и процесите на природните системи с човешките нужди и икономическите дейности на социалните системи. Още през 70-те години на миналия век терминът „устойчивост“ се използва за икономика, която е „в равновесие с основните системи за екологична подкрепа“. Базирана върху идеята за устойчивост и в съответствие с тревожните тези на „Границите на растежа“, много еколози се опитаха да създадат новата концепция за „икономика в стабилно състояние“, особено по отношение на екологичните проблеми. В този контекст „устойчивото развитие“ не се отнася единствено до екологичните въпроси, а взема предвид и социалните и икономическите съображения: разрешаването на конфликтите между различните конкуриращи се цели и заинтересовани страни, както и хармонизирането на икономическия растеж и социалното благосъстояние с качеството на околната среда. Концепцията за устойчиво развитие – както на природата, така и на обществото – показва, че оцеляването на човечеството зависи основно от оцеляването на природата (или природната среда), тъй като икономическото и социално-културното благосъстояние е пряко свързано с това на природата – ресурси, растения, животни и т.н. В крайна сметка експлоатацията и деградацията на природата могат да доведат до невъзможното поддържане на човешкия живот и дори до изчезване на човечеството. Ето защо теорията за устойчивото развитие се основава на предположението, че обществата трябва да управляват три форми на незаменим капитал: икономически, социален и природен.

Възможно е да намерим начини да заменим някои природни ресурси, но е малко вероятно някога да успеем да заменим това, което екосистемата предоставя: например да ни предпазва от опасната космическа радиация с непокътнат озонов слой или да ни осигурява достатъчно кислород, както правят тропическите гори или водораслите в океаните. Многофункционалността на много природни ресурси, както и биоразнообразието, са незаменими. Нещо повече, влошаването на състоянието на природните ресурси и загубата им (например усвояването на хранителни вещества от езерото) често са необратими процеси – подобно на загубата на етническо и културно разнообразие (например местните езици). Ето защо само устойчивото развитие може да осигури и двете: опазването на функционална непокътната околна среда и оцеляването и благосъстоянието на човешките същества.

Принцип на сътрудничество

Принципът на сътрудничество подчертава, че опазването на околната среда е отговорност на цялото общество, а не само на държавата: съответно всички части на обществото и държавата са призовани да си сътрудничат.“ (Knopp 2008: 49) Принципът на сътрудничество е най-слабият от четирите принципа на околната среда и трудно се счита за отговарящ на изискванията за ръководещ принцип на правото.

Други принципи в националното и международното право в областта на околната среда

Освен четирите основни принципа, съществуват и редица други, които ръководят националното и международното право в областта на околната среда. Едни от тях са „принципът на наследяване“ и „принципът, че действието може и да не доведе до значително влошаване на условията на околната среда“. Не на последно място трябва да споменем и принципа на трансграничната защита на околната среда: този принцип отразява прозрението, че екологичните проблеми не спират до националните граници. Например този принцип е в основата на голяма част от Рамковата директива за водите на Европейския съюз, където тя обхваща трансграничното управление на водните ресурси в естествените речни басейни.

Националните и международните закони в областта на околната среда често се основават на горепосочените принципи, особено на трансграничния принцип. Това е важно, тъй като много екологични проблеми са трансгранични проблеми, например изменението на климата, замърсяването на морската вода и въздуха.

Регулиране на поведението в околната среда

Така нареченият тристълбов модел е определението, което най-често се използва в дискусията за устойчивостта: „Устойчивостта е концепция за трайно устойчиво развитие на икономическите, екологичните и социалните измерения на човешкото съществуване. Тези три стълба на устойчивостта взаимодействат помежду си и изискват балансирана координация в дългосрочен план.“

Устойчивостта е ориентирана към бъдещето и в същото време е утопична, т.е. тя е утопия, но не в смисъла на „илюзорно безгрижие“, а по-скоро „като израз на напускане на бъдещето, офанзивно ориентирано към придобиване на нови перспективи“ – особено с оглед на стесняването на бъдещите възможности от икономически, екологични и социални проблеми.

Ето защо ЕС се ангажира с развитие, което отговаря на нуждите на настоящето, без да рискува възможността на бъдещите поколения да посрещнат собствените си нужди. Основата на устойчивото развитие е достойния живот за всички с наличните ресурси на тази планета, характеризиращ се с икономически просперитет, ефективност, мирни общества, социално приобщаване и отговорност към околната среда.

Инструменти за регулиране на екологичното поведение

Поради интензивното развитие на промишлеността в индустриализираните страни в началото на 70-те години на миналия век, се развива, така наречената, политика в областта на околната среда, като специален правителствен отдел. Първоначално тя се ограничава главно до дейностите на държавата. Междувременно обаче все повече и повече участници, имащи отношение към околната среда (т.нар. „заинтересовани страни“), са призовани да отговарят за проблемите, касаещи околната среда. Като пряката отговорност на причинителя на (потенциални) екологични проблеми играе все по-значима роля. Необходимо е също така да се интегрират екополитически цели и стратегии в други сфери: например в областта на енергетиката, транспорта и промишлеността, селското стопанство или строителната политика. „Твърдите“ еко-политически инструменти (като закони и разпоредби) се прилагат съвместно с „меките“ методи за поведенчески контрол.

Наред с екологичното законодателство, екологичното планиране формира основния набор от инструменти, които постановяват как екологичната политика да се прилага не само като регулаторна, но и като формираща. Екологичното планиране може да се разглежда като разработване на устойчиви екологични стратегии, които трябва да улеснят постигането на регионални и/или секторни цели за опазване на околната среда в рамките на определен период от време. Например намаляване на емисиите на CO₂ с 25 % в рамките на следващите десет години. През осемдесетте години на миналия век приемането на националните планове за околната среда в Дания, Нидерландия и Финландия изиграват пионерска роля в това отношение. Затова първо ще се спрем на възможностите за екологично планиране.

За прилагането на принципите и целите на политиката в областта на околната среда, в правната рамка на много държави в ЕС се прилагат два инструмента – различни видове екологично планиране и различни мерки за регулиране на екологичното поведение. Екологичното планиране е важно средство за защита. Такова планиране се осъществява като многоетапен процес, включващ регистриране на настоящата ситуация, прогнозиране на бъдещите конфликти на цели, развитие и интереси. Плановете могат да бъдат под формата на закони, законови разпоредби, устави, административни разпоредби или административни актове, като всеки от тях има различни правни последици.

Преобладават две форми на екологично планиране: Така нареченото „цялостно планиране“. Задачата на цялостното планиране по отношение на околната среда е да определи, като същевременно упражнява далновидност, за какви цели би се използвала дадена земя – за жилищни, икономически или развлекателни цели, независимо дали съществува даден проект, обхващащ тази територия и без да се ограничава до конкретен сектор. Втората задача е секторното планиране. Секторното планиране, противоположно на цялостното планиране, се отнася до околната среда и служи за изработване на планове с цел опазване на околната среда. Те се отнасят главно за ландшафта, за чист въздух, за намаляване на шума, за опазване на водите и за управление на отпадъците, като всички те изискват допълнителни мерки за прилагането си.

Друг важен инструмент, подпомагащ изпълнението на изискванията за прилагане на политиката в областта на околната среда е „Оценката на въздействието върху околната среда“ (ОВОС). Основната цел на този инструмент е администрацията да бъде своевременно и изчерпателно информирана за следите оставени от проектите, съсредоточени върху опазване на околната среда. Оценката на въздействието върху околната среда има за цел своевременно да идентифицира, опише и оцени всички преки и косвени въздействия, на даден проект, върху околната среда, включително екологичните взаимодействия, като по този начин се дава възможност за предприемане на предпазни мерки, във всички медии и сектори и с участието на обществото.

Инструменти за регулиране на екологичното поведение

Екологичното поведение е може би най-важната цел на политиката и образованието в областта на околната среда. Съществуват различни инструменти за регулиране на екологичното поведение, които могат да бъдат разграничени като преки или непреки форми на регулиране: като (1) пряко регулиране и (2) непряко регулиране на поведението.

Пряко регулиране на поведението

Прякото регулиране на поведението се отнася до правните мерки, предназначени да повлияят незабавно на екологичното поведение. „Класическият“ инструмент от този тип е екологичното регулаторно право, което произлиза от полицейското и регулаторното право и обикновено наказва неспазването на изискванията чрез налагане на санкции. Съответно действията с неблагоприятно въздействие върху околната среда са обект на административен контрол, който се характеризира със законови изисквания за уведомяване, регистриране, лицензиране, упълномощаване, одобряване и други процедури за предоставяне на разрешение за извършване на такава дейност. Освен това прякото регулиране се упражнява и чрез изрична (абсолютна) забрана, или изискване на определено поведение по закон.

Напълно законните забрани (например в Германия съгласно Федералния закон за защита на природата от 2002 г., §§ 23 [2], 42 [1] и [2]) пряко забраняват определено поведение с неблагоприятно въздействие върху околната среда. Въпреки това законодателите само в редки случаи прилагат мерки от този тип. За разлика от това процедурите за издаване на разрешителни са основният инструмент в действащото законодателство за регулиране на околната среда в много европейски държави. Проектите, които подлежат на разрешаване, са строго забранени, ако не получат такова. „Изграждането или експлоатацията на инсталация от значение за околната среда, използването на средства за защита на околната среда или производството и разпространението на определени продукти могат да бъдат предмет на разрешение“. По този начин разрешението е конститутивен административен акт, тъй като предоставя на заявителя правото да извършва законно дейност, която иначе е забранена. Правото в областта на околната среда включва редица така наречени екологични задължения, от които от особено значение са основните такива. Те налагат определени задължения или на всички, или на определена група хора. Обикновено тези основни задължения включват превантивни и предпазни мерки, най-вече опазването на ресурсите (напр. водата или почвата). Освен тези основни задължения съществуват „множество допълнителни задължения, които могат да бъдат от полза за околната среда, като например задължения за насърчаване и изпълнение, задължения за мониторинг и защита, задължения за сътрудничество и непрекъснато разкриване на информация, организационни задължения и задължения за толериране на определени действия.

Непряко регулиране на поведението

Косвеното регулиране на поведението не се основава на норми, които налагат дадено поведение, а има за цел да повлияе на мотивацията: предоставят се стимули за екологосъобразно поведение, като се оставя свобода на преценка на адресата. Средствата за непряко регулиране на поведението включват по-специално информационни инструменти, икономически инструменти, като например сертификати за налози, и субсидии.

Информацията, призивите и предупрежденията означават, че съгласно германския Закон за информацията за околната среда (1994 г.) предоставянето на свободен достъп до нея се разглежда като средство за повишаване на съзнателното отношение на гражданите и публичните органи за необходимостта от ефективно опазване на околната среда. Тези средства за повишаване на екологичната осведоменост варират от политически и морални призиви до предупреждения, препоръки и други форми за информиране, като например етикети и информация за продуктите и употребата им. Най-важните средства за непряко регулиране на поведението са екологичните такси. „Те поставят цена за използването на околната среда и оставят на участващите в пазара да решат дали и как ще реагират въз основа на индивидуалните си анализи върху разходите и ползите“. На практика неспособността да се въздейства точно  върху поведението чрез екологични такси може да представлява проблем. Ако те са твърде ниски, замърсителите ще предпочетат да платят таксата, вместо да променят поведението си, което вреди на околната среда. Ако таксите са твърде високи, те могат да попречат на икономическата конкурентоспособност. Например през 2012 г. в Германия се събират следните такси, свързани с околната среда, такси за отпадъчни води, изравнителни такси съгласно закона за опазване на природата, такси за опазване на горите в различни германски провинции, такси за водовземане в някои германски провинции („водни грошове“) и такси за транспортиране на отпадъци (закон за защита на потребителите).

Екологичните такси могат да се налагат като данъци, глоби или вноски за извършени ползи, както и като специални такива. Предоставяне на предимства на потребителите на екологосъобразни продукти, означава, че „предимства за употреба“ се отнася до разпоредби, които облекчават или отменят общите ограничения, наложени върху употребата на вредни за околната среда продукти, в случай на продукти, които отговарят на стандарти, които, въпреки че не се изискват от закона, се считат за желателни, като по този начин правят такъв продукт по-екологосъобразен от други от същия вид. „Въпреки че този инструмент не включва финансови стимули в средносрочен и дългосрочен план, могат да се очакват промени в поведението на потребителите, които могат да доведат до изтласкване от пазара на по-вредни за околната среда продукти“.

Или субсидиите, което означава, че предоставянето на финансова помощ е форма на непряко регулиране на поведението. Субсидиите са парични или непарични облаги, предоставяни от държавата, без да се предоставя продукт или услуга в замяна. Те обикновено се разглеждат скептично, тъй като се смята, че са склонни към злоупотреби и че прехвърлят тежестта на разходите за опазване на околната среда върху обществото. В Европейския съюз се наблюдава тенденция към намаляване на субсидиите за опазване на околната среда.

И накрая, идеята за екологични сертификати се основава на съвместима с пазара форма на контрол на количеството от страна на държавата. Схемите, основани на сертификати, не приемат цените за отправна точка, а определят допустимо ниво за бъдещо използване на околната среда в количествено отношение, като оставят формирането на процеса в ръцете на пазара. Този инструмент е използван за опазване на климата според Протокола от Киото. Разпределените квоти за емисии дават на притежателя правото да замърсява околната среда само до определена степен. Ако той замърсява околната среда в по-малка степен от разрешеното, той може да продаде неизползваните квоти за замърсяване на друг замърсител. „По този начин предприятията могат да изберат да намалят емисиите от своите инсталации или да придобият допълнителни квоти за емисии от други предприятия и да ги закупят на по-ниска цена“. Бъдещият опит ще покаже дали този инструмент наистина ще се окаже успешен за намаляване на емисиите на парникови газове. Икономическите инструменти придобиват все по-голямо значение като допълнение към регулаторното право в областта на околната среда. Не съществува еднозначен отговор на въпроса какъв всъщност е „правилният“ избор на инструменти, за да се постигне подходящ баланс между различните интереси на ползвателите на околната среда, интересите на засегнатите съседи, тези на обществото и опазването на околната среда. По този начин законодателите и администрациите в крайна сметка са принудени да разчитат на метода проба – грешка, за да достигнат до подходящо решение.

Многоизмерната стратегия за устойчивост

Социалната справедливост, просперитетът и мирът, трябва да се разглеждат като три взаимосвързани и равностойни цели на устойчивостта. Заедно с помощта на природата съществува реалният шанс да преодолеят глобалните кризи.  Въпреки това, все още не е ясно как една многоизмерна стратегия за устойчивост би се превърнала в политически жизнеспособна, както в отделните страни, така и в световната общност. Наистина съществува голяма опасност тази обещаваща обществена стратегия да се окаже в близост до утопията и мечтателното мислене, основано само на морално-нормативни основания.

Интегративната стратегия за устойчивост в пълния смисъл на думата означава, преди всичко, координиране на различните нормативно обосновани житейски перспективи на индивидите, социалните групи, нациите, настоящите и бъдещите поколения. В процеса на търсене и оформяне на глобално устойчиво развитие ще трябва да бъдат постигнати безброй споразумения, както в рамките на обществото, така и на международно ниво, които ще трябва да подбуждат морала у всички участници.  Толкова мотивиращи, че тези споразумения биха могли да придобият статут на задължителни, който да позволи, ако съществуват евентуални нарушения на споразуменията, то те да бъдат наказвани със санкции. Следователно консенсусът, който трябва да бъде постигнат, надхвърля простото съгласуване на различни нормативно обосновани гледни точки: по-скоро, той предполага общоприета етична рамка, както и принципите и стандартите, които са етично валидни за всички участници. С други думи: Устойчивостта се нуждае от морално подходяща, политически жизнеспособна и плуралистична водеща етика, която е социално, пространствено и времево трансцендентна, има висока степен на приемане сравнено с основните свободи, и която позволява да се разработят оперативни и целенасочени, подробни стандарти за екологичните, икономическите, социалните, политическите и културните измерения на устойчивостта. Тази етика обаче все още липсва.

Именно поради липсата на приемлива етика на устойчивостта се формира несигурност при формулирането на правилата за социална и икономическа устойчивост и обосноваването на морално консенсусните стъпки за действие. Нещо повече, липсата на приемлива и всеобхватна етика на устойчивостта благоприятства сегашното доминиране на едноизмерни, екологично-икономически съображения в дебата за устойчивостта. В същото време възпрепятства координацията, сътрудничеството и взаимното адаптиране на обещаващи интегративни подходи към устойчивостта и техните съответни цели.

Дебатът за етиката, който първоначално се води независимо от този за устойчивостта, също все още не е дава решителен тласък, въпреки че необратимите последици от научното и технологичното развитие предизвикат оживен етичен дебат за отговорността на настоящето към бъдещите поколения. Този дебат е последван от дискусията за екологичната справедливост, а напоследък и за устойчивостта. Разбираемо е, че първата стъпка в тази дискусия е да се проучи доколко приетата преди това етика на справедливостта може да бъде приложена към екологичната справедливост. Оскъдният резултат от тази дискусия обаче е предварително програмиран. Общоприетите етики на справедливостта страдат от едноизмерността на своята отправна система. При тях социалната справедливост е параметър на някаква друга всеобхватна цел.

• при Утилитаризма социалната справедливост зависи от максимизирането на общата полза;
• в Марксизма социалната справедливост е възможна само в комунистическо общество, т.е. когато условията за равенство на всички хора са исторически установени;
• в Либерализма социалната справедливост е параметър на целта за възможно най-големи основни свободи.

Погледнато в тази светлина, тази етика вече е незадоволителна за третирането на социалната справедливост като независима и непосредствена социално-политическа цел. Тяхната недостатъчност става още по-голяма, а обвързващата им сила за политика – още по-слаба, ако те са отговорни за осигуряването на морални стандарти и ценности и за допълнителни и качествено нови измерения на справедливостта, като например екологичната, международната справедливост, и тази между поколенията.

Възниква въпросът дали е възможно да се създаде различна етика, която да отчита изискванията на интегративната устойчивост. По мнението на автора и въз основа на досегашните му прозрения, които, разбира се, имат предварителен характер, равните възможности като самостоятелно замислена универсалистка етика биха могли да запълнят доказано съществуващата празнина в тази област. В основата на направените разсъждения е дефиницията за равни възможности като „равни изходни условия за индивидите, социалните групи, народите с различен цвят на кожата, религия, култура, език, за хората от различен пол и за различните поколения да определят своите потребности, начин на живот и възможности, както и да имат равен достъп до природни ресурси, блага и позиции. Равенството на възможностите е условие, което трябва постоянно да бъде възстановявано на фона както на исторически развилите се, така и на новопоявилите се тенденции на неравенство.“

Необходимо е обаче да се аргументира по-подробно дали и по какъв начин равенството на възможностите, разбирано по този начин като универсална етика, ориентирана към действия, може да допринесе основно за преодоляване на очертаните по-горе недостатъци на една политика за приобщаваща устойчивост. Като отправна точка са взети следните съображения: Заключението на преобладаващото либерално мнение, че осъществяването на равните възможности „именно поради разликите в отделните индивидуалности, те не могат да бъдат общо поставени в специфичен контекст“ и че „магията и очарованието, съблазнителността и неяснотата“ правят това понятие „универсално и всестранно, използваемо като термин за политическа борба“, логически съвсем не е убедително. Всяко организирано индивидуалистично общество трябва да следва общи норми и правила в интерес на всички индивиди.  Универсалността на идеята за равни възможности се състои именно във факта, че индивидите едновременно предявяват взаимни претенции, както и имат задължения помежду си. Тя съответства на моралните норми и концептуалната логика, че никой индивид не може да накърнява възможностите на други индивиди в смисъла на категоричния императив на Кант „действай така, че максимата на твоята воля да може едновременно и по всяко време да се разглежда като принцип на едно общо законодателство“. Освен това, същественото, както и необходимото условие за равни възможности е равенството на началните условия. Това условие е както морално, така и логически неразделна част от принципа.

Изключването на исторически появилите се неравенства, състояния и позиции, които не са възникнали от само себе си, а в резултат на произхода , не позволява да се осъществят равни възможности. В това отношение прилагането на политическите принципи за неяснота и пълна освободеност са случайни и са в резултат по-скоро на концепцията на класическия либерализъм за справедливост. Равните възможности биха могли да се тълкуват не само вътрешнопоколенчески, но и в междупоколенчески смисъл. Категоричният императив на Кант, строго погледнато, става следователно единствено на етиката на равните възможности, като по този начин преодолява репутацията си на чисто формален принцип, с който не могат да се обосноват/докажат конкретни цели или максими. С оглед на своя междупоколенчески универсален обхват идеята за равните възможности отчита и често проблематизираната от етиците, но нерешена дилема за легитимността: Всяко общество би имало свои собствени представи за нуждите и благосъстоянието си. Сегашните поколения не биха имали правото да определят потребностите на бъдещите и освен това да предполагат какви технологични и социални условия биха били най-добри за тях. На това възражение не може да се откаже разбираема морална обосновка.

Положителният обрат на това възражение обаче води до моралните максими за действие в полза на настоящите поколения, които дават на бъдещите равни възможности да използват природата според техните представи за нужда, благополучие и щастие. „Нашето невежество не бива да служи като оправдание за ограничаване на житейските шансове на бъдещите“.

По този начин се обобщават сериозни аргументи, които подкрепят мнението, че равните възможности могат да се превърнат в плодотворна основа за социална теория на интегралната устойчивост, която надхвърля пространството и времето в различни дисциплини. Равните възможности като универсална етика и интегралната устойчивост като многоизмерна рамка за действие изискват интер- или трансдисциплинарен (социално-икономически, екологичен, политологичен, социологически и философски) подход.

Следните принципи, които все още са предварителни, се считат за основополагащи за определянето и постигането на равни възможности

Принцип на свободата: “Всеки човек има равно право на най-обширната обща система от равни основни свободи, съвместима с подобна система на свобода за всички” (първи принцип на Ролс).

Принцип на разнообразието: Всяко човешко същество има право да развива и поддържа свои специфични характеристики, като способности, начин на живот и планиране на живота, и да ги използва за собствената си самореализация.

Принцип на автономията : всеки човек има право да взима самостоятелни решения, без да бъде контролиран от друг (идеята за самособственост според класическия либерализъм и марксизма).

Принцип за свободен достъп: Всеки човек има еднакво право на достъп до природните ресурси и до социалните позиции. Ограничаването на това право трябва да бъде еднакво за всички хора, живеещи в настоящето, както и за бъдещите поколения.

Принцип на грижа: Всеки е длъжен да се грижи за хора в неравностойно положение и зависими хора. Ограничаването на автономията, прието в този процес, трябва да бъде еднакво за всички. Дефиницията на равните възможности и формулирането на нейните принципи са предварителни. Остава да се провери доколко както определението за равни възможности, така и отделните му принципи са изчерпателни, доколко всеки отделен принцип е последователен сам по себе си и доколко те заедно могат да бъдат интегрирани в цялостна концепция, и накрая дали тези отделни принципи могат да бъдат подкрепени антропогенно.

Въпросът за йерархията на тези принципи засега трябва да остане открит; дали една оценъчна йерархия или еднакво подреждане са морално убедителни, изисква подробно проучване, въпреки че вече има много основания да се предполага, че тези принципи ще трябва да бъдат в неразривна връзка помежду си. Въпреки това има достатъчно доказателства на хипотезата, че равните възможности отговарят повече на изискванията на една многоизмерна етика и на политиката на интегралната устойчивост, отколкото на познатата досега етика на справедливостта. Тя е замислена като интегративно по-нататъшно развитие на онези общоприети етики на справедливостта, в които абсолютно доминира или принципът на равенството, или принципът на свободата. Свободата, автономията, самореализацията и грижата, справедливостта на постиженията и справедливостта на потребностите придават на равните възможности морална пригодност и политическа способност от най-висш порядък.