Η τρισδιάστατη εκτύπωση δημιουργεί ένα απτό αντικείμενο προσθέτοντας διαδοχικά στρώματα που αντιπροσωπεύουν διατομές του αντικειμένου.

Τύποι διαδικασιών της τρισδιάστατης εκτύπωσης

Υπάρχουν πολλοί τύποι τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης. Το κοινό τους είναι ότι τα απτά αντικείμενα δημιουργούνται με την εναπόθεση διαδοχικών στρωμάτων και όχι με την αποκοπή του αντικειμένου από ένα στερεό μπλοκ και/ή διάτρηση, άλεση βαρετού. Κάθε διαδοχικό στρώμα αντιπροσωπεύει μια διατομή του υπό κατασκευή αντικειμένου. Η διαδικασία ελέγχεται από έναν υπολογιστή εξοπλισμένο με καθορισμένο λογισμικό για τη δημιουργία αρχείων σχεδιασμού, επεξεργασίας αρχείων και εκτύπωσης αντικειμένων (δείτε περισσότερα για λεπτομέρειες).

Πολλές από τις πιο κοινές τεχνολογίες για τρισδιάστατη εκτύπωση παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω. Αυτή η λίστα δεν είναι σε καμία περίπτωση αποκλειστική.

• Τεχνολογίες υγρού ή ημιστερεού μελάνης: SLA, FDM, EXT, PolyJet

Και τα τρία αυτά βασίζονται στην εναπόθεση στρώσεων υγρού (περισσότερο ή λιγότερο ιξώδους) μελανιού που στη συνέχεια λιώνονται μεταξύ τους με θερμότητα ή κατευθυνόμενη δέσμη φωτός (που εκπέμπεται από λάμπα UV ή λέιζερ). Το μελάνι μπορεί να εξωθείται από ένα ακροφύσιο ή, όταν είναι υψηλότερης συνοχής, να τροφοδοτείται από ένα καρούλι.

– Στερεολιθογραφία (SLA)

Η στερεολιθογραφική τρισδιάστατη εκτύπωση είναι ίσως η πιο εύκολα κατανοητή από όλες τις τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης, πιθανώς επειδή ο φωτοπολυμερισμός χρησιμοποιείται συνήθως στη σύγχρονη οδοντιατρική. Βασικά, η στερεολιθογραφία είναι φωτοθεραπεία φωτοευαίσθητου υλικού που εξωθείται στρώμα-στρώμα σε κινητή πλατφόρμα. Το μήκος κύματος της πηγής φωτός είναι συχνότερα στην περιοχή UV, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθούν και άλλα μήκη κύματος. Τα υλικά SLA πολυμερίζονται μέσω πολυμερισμού ελεύθερων ριζών.

Διαφορετικά μέρη του αντικειμένου μπορεί να χρειαστεί να υποστηριχθούν κατά την κατασκευή του αντικειμένου έτσι ώστε να αποφευχθεί η κατάρρευση ολόκληρης της δομής. Οι διαδοχικές στιβάδες γίνονται για να προσκολλώνται μεταξύ τους με διασταυρωμένο πολυμερισμό της μόλις πολυμερισμένης στιβάδας στο πρόσφατα εναποτιθέμενο στρώμα όπου ο πολυμερισμός είναι ακόμη ατελής. Δεδομένου ότι ο πολυμερισμός μπορεί να πάρει λίγο χρόνο για να ολοκληρωθεί, το εκτυπωμένο αντικείμενο συνήθως χρειάζεται λίγο χρόνο για να σκληρύνει, στη συνέχεια αφαιρούνται τα στηρίγματα (εάν κάποιο από αυτά παραμείνει μετά την τελευταία εναπόθεση του στρώματος), τότε μπορεί να λάβει χώρα μια τελική μετα-επεξεργασία.

Ένα τυπωμένο 3D μοντέλο SLA παρουσιάζεται στην Εικόνα. 3.

Εικόνα 3. Στερεολιθογραφία οστικού λαβύρινθου του εσωτερικού αυτιού στον άνθρωπο. Πηγή: Didier Descouens, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons

Το μελάνι που χρησιμοποιείται στην εκτύπωση με βάση SLA είναι συνήθως υγρό στην μη πολυμερισμένη μορφή του. Είναι κυρίως εποξειδικό ή ακρυλικό, αν και ανθρακικό τριμεθυλένιο, πολυκαπρολακτόνη και μελάνια με βάση πολυλακτίδιο μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν. Η χρήση τέτοιων υλικών αποδίδει εκτυπωμένα αντικείμενα με σημαντική ακαμψία τα οποία, ωστόσο, είναι αρκετά εύθραυστα. Έτσι, το SLA είναι κατάλληλο για ταχεία πρωτοτυπία και ερευνητικούς σκοπούς (π.χ. σκαλωσιές μηχανικής ιστών) αλλά όχι για αντικείμενα που πρέπει να είναι ανθεκτικά. Το SLA έχει αρκετά υψηλή ανάλυση (το ελάχιστο πάχος του στρώματος είναι 50 μm) και ως εκ τούτου είναι πολύ αξιόπιστο όταν οι λεπτομέρειες είναι ζωτικής σημασίας.

Τα αντικείμενα που δημιουργούνται από το SLA μπορεί να είναι ευαίσθητα στο φως και να τείνουν να διαλύονται με την πάροδο του χρόνου, ειδικά όταν διατηρούνται σε φωτεινά περιβάλλοντα.

Οι διαλύτες χρησιμοποιούνται σπάνια στην εκτύπωση SLA, επομένως, ο κίνδυνος διαφυγής καπνών στην ατμόσφαιρα είναι χαμηλός. Ωστόσο, λόγω της ευθραυστότητας των αντικειμένων που εκτυπώνονται με SLA, τα αντικείμενα που απορρίπτονται ενδέχεται να αποτελούν περιβαλλοντικό κίνδυνο. Η χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας απαιτεί ειδικές προφυλάξεις προκειμένου να αποφευχθεί η τυχαία έκθεση επιφανειών, αντικειμένων και χειριστών στη δέσμη σκλήρυνσης. Μερικά από τα μελάνια που χρησιμοποιούνται για στερεολιθογραφία μπορεί να έχουν σημαντικό νευροτοξικό και καρκινογόνο δυναμικό. Επίσης, μπορεί να χρειαστεί να εξεταστεί ο σχηματισμός όζοντος που προκαλείται από την υπεριώδη ακτινοβολία.

– Μοντελοποίηση συντηγμένης εναπόθεσης (FDM), επίσης γνωστή ως κατασκευή σύντηξης νημάτων (FFF)

Προς το παρόν, αυτή είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνολογία για τρισδιάστατη εκτύπωση. Η τεχνολογία FDM βασίζεται στην εξώθηση ενός νήματος θερμοπλαστικού μελανιού που τροφοδοτείται από ένα καρούλι μέσω ενός κινούμενου θερμαινόμενου ακροφυσίου εκτυπωτή. Το μελάνι μέσα στο ακροφύσιο θερμαίνεται ακριβώς πάνω από το σημείο τήξης του και εξωθείται σε ημι-στερεή μορφή που στερεοποιείται σχεδόν αμέσως μετά την εναπόθεση ενός στρώματος. Το αντικείμενο είναι χτισμένο πάνω σε μια κινούμενη πλατφόρμα που χαμηλώνει σταδιακά καθώς μεγαλώνει η δομή (Εικ. 4).

Εικόνα 5. Εκτυπωτής PRUSA i3 MK2 FDM (Prusa Research, Πράγα, Τσεχία) με καρούλι και ολοκληρωμένο αντικείμενο. Πηγή εικόνας: By Gringer – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=73614647.

Το ελάχιστο πάχος στρώματος για FDM είναι 100 μm. Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά μελάνης για FDM είναι το ακρυλονιτρίλιο βουταδιένιο στυρόλιο (ABS), το πολυλακτίδιο (PLA) και η πολυαιθυλενο τερεφθαλική γλυκόλη (PETG). Άλλα, όπως πολυφαινυλαιθέρας (ΜΑΠ), πολυουρεθάνη (PU), πολυαιθυλενο τερεφθαλική γλυκόλη (PETG), πολυφαινυλοσουλφόνη (PPSP), πολυανθρακικό (PC), πολυαιθεριμίδιο (PEI), πολυαιθεροκετόνη (PEEK), πολυαμίδιο (PA, κοινώς γνωστό ως νάιλον) χρησιμοποιούνται επίσης. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί πολυβινυλική αλκοόλη (PVA), αλλά επειδή είναι υδρόφιλη, το PVA χρησιμοποιείται συχνότερα για την κατασκευή εύκολα αφαιρούμενων στηριγμάτων για μια δομή τυπωμένη με άλλο τύπο θερμοπλαστικού μελανιού.

Το θερμαινόμενο μελάνι για FDM μπορεί επίσης να έχει τη μορφή ράβδων ή κόκκων. Μια παραλλαγή του FDM χρησιμοποιεί ψυχρή εξώθηση μη θερμαινόμενου μελανιού, που συνήθως παρέχεται ως πολτός ή πάστα.

Ένας εκτυπωτής FDM με μπομπίνα νήματος παρουσιάζεται στην Εικόνα 5.

Εικόνα 5. Εκτυπωτής PRUSA i3 MK2 FDM (Prusa Research, Πράγα, Τσεχία) με καρούλι και ολοκληρωμένο αντικείμενο. Πηγή εικόνας: Wikimedia Commons, http://reprap.org/wiki/File:Prusai3-MK2.jpg.

Όντας σχετικά χαμηλού κόστους, το FDM είναι ιδιαίτερα δημοφιλές στους χομπίστες και στους κατασκευαστές μοντέλων επιφάνειας εργασίας. Επιπλέον, το FDM χρησιμοποιείται συνήθως για ταχεία πρωτοτυπία στη μηχανική, στην κατασκευή εξαρτημάτων και μηχανημάτων υψηλής απόδοσης, στην εκπαίδευση και στην τέχνη.

Τα αντικείμενα που κατασκευάζονται από την FDM είναι σημαντικά πιο ανθεκτικά από αυτά που παράγονται από την SLA και με πολύ καλή ποιότητα αναπαραγωγής λεπτομερειών. Διαφορετικής ποιότητας μελάνια FDM αποδίδουν αντικείμενα με διαφορετικές ιδιότητες σε σχέση με την ανθεκτικότητα, την ακαμψία και την ευκαμψία (βλέπε παρακάτω).

Τα μειονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης από το FDM σχετίζονται κυρίως με πιθανούς περιβαλλοντικούς κινδύνους (χρήση διαλυτών, εκπομπή μικρών σωματιδίων κατά τη μετα-επεξεργασία και το γεγονός ότι τα απορριμμένα αντικείμενα είναι αρκετά ανθεκτικά).

– Ημι-στερεή τρισδιάστατη εκτύπωση

Η εκτύπωση 3D 3D είναι μια άλλη τεχνολογία που βασίζεται στην εξώθηση. Το μελάνι είναι συνήθως μίγμα πολυμερούς-διαλύτη με τη σύσταση της πάστας. Τα υλικά EXT δεν είναι θερμοπλαστικά, επιτρέποντας την εκτύπωση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Και πάλι, το αντικείμενο είναι χτισμένο πάνω σε μια κινητή πλατφόρμα.

Το EXT χρησιμοποιείται συνήθως στην έρευνα (π.χ. σκαλωσιές ιστών) και για φαρμακευτικούς σκοπούς (στοχευμένη και/ή χρονική παράδοση φαρμάκων). Η βιοασφάλεια διασφαλίζεται με τη χρήση μελανιών που βασίζονται σε πολυβινυλοπυρρολιδόνη, πολυαιθυλενογλυκόλη, μεθυκελουλόζη, υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνη, πολυκαπρολακτόνη και άλλα υλικά. Το EXT είναι μία από τις ισχυρές προσεγγίσεις για τον τρυπισμό ζωντανών ιστών από μια υδρογέλη που περιέχει ζωντανά κύτταρα. Επίσης, η εξώθηση χρησιμοποιώντας παχύρρευστη πάστα τροφίμων (γλάσο, σοκολάτα, ζελέ, κ.λπ.) είναι μια προτιμώμενη μέθοδος για τρισδιάστατη εκτύπωση για τη βιομηχανία τροφίμων (Εικ. 6).

Εικόνα 6. Εκτύπωση εξώθησης για τη βιομηχανία τροφίμων. Πηγή: 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

Δεδομένου ότι το υλικό για την εκτύπωση EXT 3D δεν είναι ούτε φωτοευαίσθητο ούτε θερμοπλαστικό, τα στρώματα συνήθως δεν στερεοποιούνται αμέσως. Έτσι, το τρισδιάστατο αντικείμενο που εκτυπώθηκε μπορεί να χρειαστεί χρόνο για να σταθεροποιηθεί ή/και να στεγνώσει μετά την ολοκλήρωση καθώς ο διαλύτης εξατμίζεται. Μπορεί επίσης να είναι επιρρεπής σε στρέβλωση, συρρίκνωση και παραμόρφωση. Το ελάχιστο πάχος στρώματος για EXT είναι 800 μm. Αυτή η χαμηλή ανάλυση είναι εγγενής στις τεχνικές εξώθησης ημιστερεού.

•  PolyJet

Το PolyJet είναι μια άλλη τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης με βάση το υγρό. Όπως και το SLA, βασίζεται στη στρώση-στρώση που UV-σκλήρυνση ενός φωτοευαίσθητου πολυμερούς. Το μελάνι, ωστόσο, απελευθερώνεται από την κεφαλή του εκτυπωτή σε σταγονίδια που συσσωρεύονται σε μια οικοδομική πλατφόρμα σύμφωνα με το καθορισμένο λογισμικό. Η τεχνολογία PolyJet επιτρέπει την ανάμειξη μελανιών, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ποικιλία ιδιοτήτων για τα κατασκευασμένα αντικείμενα.

Τα μελάνια PolyJet περιλαμβάνουν μεγάλη ποικιλία υλικών. Μεταξύ των συνηθέστερα χρησιμοποιούμενων είναι το ABS (διαφορετικές τροποποιήσεις), η σχετική ένωση ακρυλικό στυρόλιο ακρυλονιτρίλιο (ASA, πιο ανθεκτικό στη θερμότητα και ανθεκτικό στην υπεριώδη ακτινοβολία από το ABS), πολυανθρακικό και πολυαιθερκετόνη κετόνη (PEKK). Διάφορα φωτοευαίσθητα υλικά που χρησιμοποιούνται σε άλλες τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης με βάση το υγρό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθούν στο Polyjet. Υπάρχει επίσης η ειδικά σχεδιασμένη σειρά μελανιών Vero Polyjet M κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από έναν από τους ηγέτες της αγοράς σε 3D εκτυπωτές και υλικά, Stratasys. Σημαντικά μέλη των βιοσυμβατών υλικών PolyJet είναι τα MED610 και MED620, μια ρητίνη με βάση μεθακρυλικό που χρησιμοποιείται στην ιατρική και την οδοντιατρική για γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων.

Τα πλεονεκτήματα της χρήσης του PolyJet είναι η σχετικά υψηλή ανάλυση (το ελάχιστο πάχος του στρώματος είναι 160 μm, επιτρέποντας τη δημιουργία σταθερών δομών με πολύπλοκη γεωμετρία και εξαιρετική λεπτομέρεια) και η μεγάλη ποικιλία ιδιοτήτων (δύναμη, ευελιξία, χρώματα κ.λπ.). Τα μειονεκτήματα είναι (εκτός από τα κοινά μειονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης που περιγράφηκαν παραπάνω) τα εγγενώς υψηλά επίπεδα εκπομπής μικρών σωματιδίων, η χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας και η εκπομπή τοξικών καπνών κατά τη σκλήρυνση αντικειμένων που κατασκευάζονται με μερικούς τύπους μελανιών (π.χ. ASA). Τα εκτυπωμένα αντικείμενα ενδέχεται να χρειάζονται μετα-επεξεργασία και μπορεί να είναι φωτοευαίσθητα.

• 3D Τρισδιάστατη εκτύπωση σε σκόνη (PB)

Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης PB βασίζεται στην εναπόθεση διαδοχικών στρωμάτων κονιοποιημένου υλικού και τη δέσμευσή τους μέσω ενός διαλύματος υγρού συνδετικού υλικού ή τη σύντηξη με άλλες μεθόδους (βλ. Παρακάτω). Η σκόνη εναποτίθεται σε κλίνη σκόνης ή παράγεται με εκτόξευση σκόνης και στη συνέχεια ψεκάζεται ή εκτοξεύεται με συνδετικό υλικό, ακτινοβολείται με φως ή θερμαίνεται προκειμένου να επιτευχθεί η ακεραιότητα του αντικειμένου.

Το ελάχιστο πάχος στρώματος μπορεί να ποικίλλει σημαντικά στην εκτύπωση 3D PB και τα στρώματα μπορεί να είναι τόσο λεπτά όσο 20-30 μm με ορισμένα υλικά. Αυτή η πολύ υψηλή ανάλυση επιτρέπει τη δημιουργία πολύπλοκων δομών με εξαιρετική λεπτομέρεια. Γενικά, ωστόσο, το πάχος του στρώματος είναι περίπου 200 μm.

Τα κονιοποιημένα υλικά συνήθως παράγονται με κρυογενική άλεση σε μύλο σφαιρών σε θερμοκρασία κάτω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης γυαλιού του υλικού. Η άλεση μπορεί να χρησιμοποιεί αέρια χαμηλής θερμοκρασίας (υγρό CO2 ή υγρό άζωτο-ξηρή σκόνη) ή μίγμα αερίου χαμηλής θερμοκρασίας και οργανικών διαλυτών (υγρή άλεση). Στην απλούστερη μορφή του, η τρισδιάστατη εκτύπωση PB είναι εφικτή χρησιμοποιώντας υλικά όπως άμυλο σε σκόνη ή γύψο δεμένο μαζί με κόλλα (Εικ. 7). Μπορούν να προστεθούν χρωστικές και ενώσεις πλαστικοποίησης στο διάλυμα σύνδεσης προκειμένου να επιτευχθούν οι επιθυμητές ιδιότητες.

Εικόνα 7. Πρωτότυπα που κατασκευάζονται με τρισδιάστατη εκτύπωση σε σκόνη. Πηγή: S Zillayali, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons.

Τα μειονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης που βασίζεται σε PB σχετίζονται, αφενός, με τις φυσικές ιδιότητες των αντικειμένων που δημιουργήθηκαν με αυτόν τον τύπο τεχνολογίας και, αφετέρου, με την ανάγκη για μετα-επεξεργασία προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη ποιότητα. Τα αντικείμενα που κατασκευάστηκαν από το PB 3D είναι εγγενώς πολύ πορώδη και, ως εκ τούτου, παρουσιάζουν χαμηλή μηχανική αντίσταση και μπορεί να είναι εύθραυστα.

Τα αντικείμενα που εκτυπώνονται με ΡΒ χρειάζονται πάντα χρόνο για εξάτμιση διαλυτών. Η μετεπεξεργασία είναι συνήθως απαραίτητη για την απομάκρυνση της περίσσειας σκόνης (επομένως μια ορισμένη ποσότητα υλικού σπαταλάται πάντα) και για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των κατασκευασμένων αντικειμένων (αντοχή, χρώμα, γυάλισμα κ.λπ.). Η εκπομπή δυνητικά επιβλαβών μικρών σωματιδίων αποτελεί σοβαρή ανησυχία σε όλες τις τεχνολογίες που βασίζονται σε PB για τρισδιάστατη εκτύπωση.

Το PB έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς στην έρευνα, την οδοντιατρική και την ιατρική για την κατασκευή εμφυτευμάτων και την κατασκευή φαρμάκων με συγκεκριμένες φαρμακοκινητικές ιδιότητες, όπως ταμπλέτες ταχείας αποσύνθεσης, φάρμακα με καθυστερημένη, παλλόμενη ή παρατεταμένη αποδέσμευση. Η βιοασφάλεια αυτών των μορφών δοσολογίας διασφαλίζεται με τη χρήση μεθακρυλικού ή αιθυλοκυτταρίνης ως φορέων της βιοδραστικής ουσίας.

•  ColorJet

Το ColorJet δεν είναι ακριβώς μια τεχνολογία, αλλά μια μάρκα τρισδιάστατων εκτυπωτών και αναλωσίμων σε σκόνη που κατασκευάζονται στην Ινδία. Προσφέρει μία από τις πιο απλές λύσεις στην τρισδιάστατη εκτύπωση PB. Το υλικό που χρησιμοποιείται είναι συνήθως η σκόνη λευκού γύψου, αν και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και πλαστικό (π.χ., η κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σκόνη Visijet C4 Spectrum της εταιρείας). Το υλικό είναι στρωμένο σε μια κινητή πλατφόρμα και δένεται με κόλλα. Το συνδετικό υλικό μπορεί να περιέχει διαφορετικές βαφές, προσδίδοντας διαφορετικά χρώματα στο μοντέλο που κατασκευάζεται.

Το ColorJet χρησιμοποιείται συχνότερα για γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων. Το ελάχιστο πάχος στρώματος είναι περίπου 100 μm, αλλά μπορεί να ποικίλει με διαφορετικά υλικά.

Το Colorjet παρέχει μια οικονομική λύση όπου η ανθεκτικότητα, η ευθραυστότητα και το πορώδες δεν προκαλούν μεγάλη ανησυχία. Ως εκ τούτου, είναι μια αποδεκτή λύση για την κατασκευή μοντέλων για εκπαιδευτικούς, ερευνητικούς και εμπορικούς σκοπούς (π.χ. μοντέλα πωλήσεων) και στην τέχνη. Μια παρόμοια διαδικασία με χρήση βρώσιμης σκόνης και συνδετικού διαλύματος χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία τροφίμων για τη δημιουργία προσαρμοσμένων γλυκών και πιάτων.

Τα αντικείμενα που εκτυπώνονται από το ColorJet ενδέχεται να χρειάζονται εκτεταμένη μετα-επεξεργασία. Οι σοβάδες πρέπει να σκληρύνουν μετά την ολοκλήρωσή τους και οι διαλύτες πρέπει να εξατμιστούν. Στη συνέχεια, το αντικείμενο γυαλίζεται και εμποτίζεται με άλλο τύπο συνδετικού υλικού (συνήθως ακρυλικό) για να επιτευχθεί η μέγιστη αντοχή και να μειωθεί το πορώδες της επιφάνειας. Οι αναθυμιάσεις διαλυτών μπορεί να αποτελούν περιβαλλοντική ανησυχία, καθώς και εκπομπές μικρών σωματιδίων.

•  Επιλεκτική τήξη λέιζερ (SLS)

Το SLS μοιράζεται τα κοινά χαρακτηριστικά που αναφέρονται παραπάνω για εκτύπωση 3D PB. Στο SLS το κονιοποιημένο υλικό είναι στρωματοποιημένο και μια κατευθυνόμενη δέσμη φωτός που δημιουργείται από την κεφαλή του εκτυπωτή υγροποιείται εν μέρει και λιώνει τα στρώματα μεταξύ τους καθώς η δομή χτίζεται σε μια διαδικασία που συνήθως ονομάζεται λαιμόκοψη (Εικ. 8)

Εικόνα 8. Σχηματισμός «λαιμού» μεταξύ δύο στρώσεων σύντηξης (βέλη). Πηγή:  Mendoza.755 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76830144

Το ελάχιστο πάχος στρώματος στο SLS είναι περίπου 100 μm.

Το SLS λειτουργεί πολύ καλά με υλικά με υψηλό σημείο τήξης και ως εκ τούτου χρησιμοποιείται συχνότερα με μελάνια με βάση το μέταλλο. Πλαστικό (πολυαμίδιο, πολυανθρακικό, πολυστυρόλιο και άλλα), θερμοπλαστική ρητίνη, γυαλί και κεραμικές σκόνες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν. Το SLS χρησιμοποιείται συχνά για ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων στην έρευνα (ειδικά σκαλωσιές ιστών) και στην οδοντιατρική. Προς το παρόν, οι ευκαιρίες για ανάπτυξη τεχνολογίας που βασίζεται σε SLS στη φαρμακευτική βιομηχανία είναι αρκετά περιορισμένες καθώς η ακτινοβολία και η θερμότητα που παράγεται κατά τη σύντηξη στρώσεων μπορεί να θέσει σε σοβαρό κίνδυνο τις ιδιότητες της βιοδραστικής ουσίας.

Τα τρόφιμα σε σκόνη (κακάο, ζάχαρη κ.λπ.) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τρισδιάστατη εκτύπωση στη βιομηχανία τροφίμων.

•  Επιλεκτική τήξη λέιζερ (SLM)

Το SLM συχνά θεωρείται παράγωγο του SLS, καθώς χρησιμοποιείται κυρίως για εκτύπωση με σκόνες μετάλλων και μεταλλικών κραμάτων. Παρ ‘όλα αυτά, ενώ το λέιζερ κεφαλής εκτυπωτή SLS παράγει μόνο αρκετή ενέργεια για να συγχωνεύσει τα στρώματα μεταξύ τους, το SLM χρησιμοποιεί ένα λέιζερ υψηλής ισχύος που μπορεί να λιώσει τελείως ένα κομμάτι μετάλλου και στη συνέχεια να αφεθεί στο επιθυμητό σχήμα όπως και το χύτευση. Το SLM παράγει αντικείμενα που είναι σημαντικά λιγότερο πορώδη από το SLS και έχουν καλύτερη μηχανική ανθεκτικότητα λόγω της ομοιογενούς εσωτερικής δομής. Ένα μειονέκτημα του SLM είναι ότι τα αντικείμενα απαιτούν γυάλισμα μετά την ολοκλήρωσή τους καθώς δημιουργεί δομές με αυξημένη κοκκώδη επιφάνεια.

Η ηλεκτρονική τήξη δέσμης (EBM) είναι ένας υποτύπος SLM που χρησιμοποιεί παρόμοια και ηλεκτρονική δέσμη για να λιώσει μεταλλικές σκόνες.

• Επιλεκτική πυροσυσσωμάτωση (SHS)

Το SHS βασίζεται ουσιαστικά στην ίδια αρχή με το SLS, αλλά το μελάνι είναι θερμοπλαστικό και, αντίστοιχα, η σύντηξη στρώματος-στρώματος λαμβάνεται χρησιμοποιώντας θερμότητα που παράγεται από μια θερμική κεφαλή εκτυπωτή. Το πιο συνηθισμένο υλικό που χρησιμοποιείται στο SHS είναι το πλαστικό (συγκεκριμένα, το πολυαμίδιο, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθούν και άλλα πολυμερή).

Όλα τα αντικείμενα που παράγονται από SLS ή SHS είναι επιρρεπή σε στρέβλωση και συρρίκνωση. Οι μηχανικές ιδιότητες των εκτυπωμένων αντικειμένων ενδέχεται να είναι ασυνεπείς από αντικείμενο σε αντικείμενο καθώς και από παρτίδα σε παρτίδα. Τα αντικείμενα που κατασκευάζονται από SLS και SHS συχνά απαιτούν μετεπεξεργασία, όπως αφαίρεση στηριγμάτων και επικάλυψη με στεγανωτικά μέσα, προκειμένου να μειωθεί το πορώδες της επιφάνειας.

•  Σύντηξη πολλαπλών τζετ (MJF)

Η τρισδιάστατη εκτύπωση MJF είναι ένα υβρίδιο της προσέγγισης ColorJet (χρήση χημικών συνδετικών) και SHS (χρήση θερμότητας) που λειτουργεί κυρίως με πολυαμίδιο (Nylon). Βασικά, η λεπτόκοκκη σκόνη πολυαμιδίου τοποθετείται σε στρώση σε σκόνη, ψεκάζεται ή ψεκάζεται με συνδετικό υλικό και στη συνέχεια θερμαίνεται επιλεκτικά σύμφωνα με τις οδηγίες ενός προ-προγραμματισμένου λογισμικού. Το ελάχιστο πάχος του στρώματος είναι περίπου 80 μm. Όταν το αντικείμενο είναι πλήρες, πραγματοποιείται μετά την επεξεργασία (απομάκρυνση της περίσσειας σκόνης, γυάλισμα κ.λπ.). Το MJF παράγει αντικείμενα που είναι λιγότερο πορώδη και συνεπώς πιο συνεπή στις μηχανικές τους ιδιότητες από το SLS ή το SHS και έχει καλύτερη ικανότητα αναπαραγωγής λεπτών λεπτομερειών. Το φινίρισμα της επιφάνειας είναι επίσης καλύτερο με το MJF. Οι χημικοί καπνοί και η δημιουργία μικρών σωματιδίων είναι μια ανησυχία, όπως συμβαίνει με όλες τις τεχνολογίες PB 3D.

Απαιτήσεις μετά την επεξεργασία για διαφορετικές τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης

Δεν απαιτούν όλα τα αντικείμενα που δημιουργούνται με τρισδιάστατη εκτύπωση μετεπεξεργασία. Ωστόσο, πολλά χρειάζονται περισσότερη δουλειά μετά την ολοκλήρωση της δομής. Το αν ένα αντικείμενο χρειάζεται μετα-επεξεργασία εξαρτάται από το υλικό, την τεχνολογία, τις επιθυμητές αισθητικές ή μηχανικές ιδιότητες και άλλους παράγοντες.

Γενικά, υπάρχουν διάφοροι τύποι μετα-επεξεργασίας αντικειμένων με 3D εκτύπωση:

•  Ρύθμιση ή/και σκλήρυνση

Σχεδόν όλες οι τρισδιάστατες δομές εκτύπωσης χρειάζονται λίγο χρόνο μετά την ολοκλήρωσή τους για να ωριμάσουν και να επιτύχουν βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες. Τα αντικείμενα που κατασκευάζονται με διεργασίες με βάση την εξώθηση (ειδικά εκείνες που χρησιμοποιούν ημιστερεά μίγματα πολυμερών και διαλυτών) και μεθόδους που βασίζονται σε σκόνη χρησιμοποιώντας υλικά που έχουν εμποτιστεί με συνδετικά διαλύματα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στη μηχανική καταπόνηση αμέσως μετά την ολοκλήρωση. Στην περίπτωση αυτή, η μετα-επεξεργασία περιλαμβάνει το χρόνο εξάτμισης και σκλήρυνσης του διαλύτη. Σε ορισμένες περιπτώσεις (αλλά όχι πάντα), αυτό μπορεί να διευκολυνθεί με την αύξηση του εξαερισμού στις εγκαταστάσεις όπου φυλάσσονται ολοκληρωμένα αντικείμενα.

•  Υποστήριξη ημιτελών δομών

Σύνθετες κατασκευές που περιέχουν προεξοχές μπορεί να μην είναι σταθερές κατά την κατασκευή χωρίς στηρίγματα, αν και προσωρινές. Αυτά τα στηρίγματα πρέπει να αφαιρεθούν μετά την ολοκλήρωση της δομής, αυξάνοντας τον χρόνο ολοκλήρωσης και το κόστος παραγωγής (ειδικά εάν αυτό περιλαμβάνει χειρωνακτική εργασία). Στην τρισδιάστατη εκτύπωση SLA, τα στηρίγματα για μια δομή τυπωμένη με θερμοπλαστικό μελάνι είναι πιο συχνά κατασκευασμένα από πολυβινυλική αλκοόλη. Δεδομένου ότι είναι διαλυτό, τέτοια στηρίγματα μπορούν εύκολα να αφαιρεθούν κατά τη διάρκεια της μετα-επεξεργασίας με ένα πίδακα νερού. Το τελευταίο, ωστόσο, απαιτεί υδραυλικά, πρόσβαση σε νερό και σύστημα απολύμανσης των λυμάτων (που μπορεί επίσης να αυξήσει το κόστος). Οι προσωρινές δομές στήριξης σε SLS και SHS είναι συνήθως κατασκευασμένες από αδιάβροχο υλικό που μπορεί να απομακρυνθεί με ηλεκτρική σκούπα ή να εκτοξευθεί με αέρα.

•  Αφαίρεση περιττού υλικού

Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για αντικείμενα που κατασκευάζονται με τις περισσότερες μεθόδους που βασίζονται σε σκόνη. Η περίσσεια σκόνης πρέπει να αφαιρεθεί χρησιμοποιώντας κενό, έκρηξη αέρα ή πίδακα νερού (και πάλι, αυτό προκαλεί ανησυχίες σχετικά με την παροχή νερού και την απολύμανση των λυμάτων).

•  Γυάλισμα

Η στίλβωση είναι απαραίτητη για τη βελτίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών των μηχανικών μερών (ειδικά εκείνων που υπόκεινται σε κίνηση και τριβή) και αντικειμένων με αυξημένη κοκκώδη επιφάνεια (όπως αυτά που παράγονται από επιλεκτική τήξη λέιζερ). Τα αντικείμενα με αισθητικές ιδιότητες μπορεί επίσης να χρειάζονται γυάλισμα.

– Σφράγιση των επιφανειακών πόρων

Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα μετά την επεξεργασία για τεχνολογίες που αποδίδουν αντικείμενα με αυξημένο πορώδες, όπως το SLS ή το SHS. Οι επιφανειακοί πόροι μπορούν να σφραγιστούν με αδιαπέραστα επιχρίσματα όπως κυανοακρυλικές επικαλύψεις ή με θερμή ισοστατική πίεση.

• Ζωγραφική

Δεν απαιτείται συνήθως, καθώς οι περισσότερες διαδικασίες τρισδιάστατης εκτύπωσης χρησιμοποιούν διαφορετικά χρώματα υλικών ή διαφορετικά χρώματα συνδετικών.

Ποια διαδικασία για ποια; Βασικές σκέψεις κατά την επιλογή τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης κατάλληλης για μια συγκεκριμένη εφαρμογή

Ενώ όλες οι τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορεί να έχουν αλληλεπικαλυπτόμενες εφαρμογές (π.χ. ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων), υπάρχουν παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν την επιλογή μιας τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης για ένα συγκεκριμένο έργο ή μια συγκεκριμένη βιομηχανική λύση. Οι κύριες εκτιμήσεις είναι:

– Τύπος υλικού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτύπωση ενός αντικειμένου. Πολλοί εκτυπωτές 3D στην αγορά ενδέχεται να χρησιμοποιούν ποικιλία διαφορετικών υλικών. Αρχιτεκτονικά μοντέλα, μοντέλα πώλησης και έκθεσης, καθώς και μοντέλα που κατασκευάζονται για εκπαιδευτικούς σκοπούς, μπορούν εύκολα να δημιουργηθούν από τεχνολογίες ColorJet, SLA και FDM που χρησιμοποιούν γύψο ή διαφορετικούς τύπους πλαστικού. Μικρά επιτραπέζια μηχανήματα που εξυπηρετούν χομπίστες και καλλιτέχνες βασίζονται συνήθως στην τεχνολογία FDM. Τα SLS/SLM και SHS χρησιμοποιούνται συνήθως όταν τα αντικείμενα πρέπει να είναι κατασκευασμένα από μέταλλο και μεταλλικά κράματα.

– Διαθεσιμότητα μηχανής τρισδιάστατης εκτύπωσης. Συνήθως, οι παραγγελίες για ένα συγκεκριμένο μηχάνημα βρίσκονται στην ουρά και λειτουργούν με τον τρόπο «πρώτης προτεραιότητας». Σε περιοχές όπου οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές είναι ελάχιστα διαθέσιμοι, αυτός ο παράγοντας μπορεί να έχει πρωταρχική σημασία, επικρατώντας του τύπου υλικού.

– Διαθεσιμότητα υλικού. Το πλαστικό είναι ευπροσάρμοστο, διαθέσιμο και, εκτός από πολυμερή υψηλής απόδοσης, σχετικά φθηνό, ενώ το μέταλλο μπορεί να είναι πιο ακριβό.

– Κόστος παραγωγής ανά αντικείμενο. Αυτά σχετίζονται με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία αντικειμένων, το χρησιμοποιούμενο υλικό και τις ανάγκες για μετεπεξεργασία. Αναφέρθηκε ήδη ότι, σε αντίθεση με τη μετάδοση, η κλιμάκωση της τρισδιάστατης εκτύπωσης δεν μειώνει πάντα την τιμή μονάδας. Η τιμή ανά αντικείμενο περιλαμβάνει όχι μόνο το κόστος παραγωγής αλλά και το κόστος μετά την επεξεργασία (εάν χρειάζεται) καθώς και το κόστος που προκύπτει από μέτρα μείωσης της ρύπανσης του περιβάλλοντος. Μεταξύ των κοινώς χρησιμοποιούμενων τεχνολογιών PB, το SHS είναι μια πιο οικονομικά προσανατολισμένη λύση από το SLS, καθώς η αγορά και η συντήρηση μιας θερμικής κεφαλής εκτυπωτή είναι γενικά λιγότερο δαπανηρή από μια κεφαλή εκτυπωτή λέιζερ. Τα αντικείμενα που κατασκευάζονται από την SHS είναι επομένως γενικά φθηνότερα από αυτά που κατασκευάζονται από την SLS και η διαδικασία μπορεί εύκολα να μειωθεί για παραγγελίες μικρού μεγέθους.

– Ταχύτητα κατασκευής, συμπεριλαμβανομένης της μετεπεξεργασίας και του χρόνου παραμονής στην ουρά παραγγελιών. Τα μικρά αντικείμενα μπορούν να εκτυπωθούν σε λίγα λεπτά έως ώρες. Ο χρόνος εκτύπωσης αυξάνεται με το μέγεθος των αντικειμένων σε μια ολόκληρη ημέρα και, τελικά, με πολύ μεγάλα αντικείμενα, έως και αρκετές ημέρες, αν και το τελευταίο είναι σπάνιο. Οι χρόνοι μετά την επεξεργασία μπορεί επίσης να προβληματίσουν. Οι τεχνολογίες εξώθησης δεν χρειάζονται συνήθως φινίρισμα, αλλά το αντικείμενο μπορεί να χρειαστεί χρόνο για να σταθεροποιηθεί και να σκληρύνει. Τα αντικείμενα που κατασκευάζονται από το ColorJet χρειάζονται χρόνο για στέγνωμα και ρύθμιση. Οι τεχνολογίες που βασίζονται σε σκόνη χρειάζονται σχεδόν πάντα χρόνο για μετεπεξεργασία και αυξάνουν το κόστος καθώς και το χρόνο για την κατασκευή,

– Ιδιότητες του τελικού προϊόντος (μηχανικές ιδιότητες, αισθητική αξία)

Το πλαστικό μελάνι τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορεί να διατίθεται σε πολλές διαφορετικές ποικιλίες με διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες. Ανάλογα με τον σκοπό της χρήσης του αντικειμένου, οι προτιμήσεις μπορεί να είναι για το πλαστικό (ελαφρύ και, ταυτόχρονα, ανθεκτικό, εύκολα βαμμένο, εύκολα γυαλισμένο, θερμο-φωτοδιαλυτό) ή για μέταλλο (ανθεκτικό, ανθεκτικό στην υπεριώδη ακτινοβολία και τη θερμότητα) , ο χρωματισμός και η στίλβωση μπορεί να χρειάζονται ειδικό εξοπλισμό και διαδικασίες).

Ανάμεσα στην πληθώρα των ποικιλιών του πλαστικού, διατίθενται διαφορετικά πολυμερή με διαφορετική μηχανική ανθεκτικότητα. Γενικά, η εκτύπωση SLA επιτρέπει λεπτές στιλβωμένες κατασκευές με εξαιρετική λεπτομέρεια, ωστόσο, αρκετά εύθραυστες. Επομένως, δεν είναι κατάλληλο για εφαρμογές όπου η ανθεκτικότητα είναι ζωτικής σημασίας. Το FDM αποδίδει σημαντικά πιο ανθεκτικά αντικείμενα από το SLA, ωστόσο υπάρχουν διαφορετικοί βαθμοί μηχανικής ανθεκτικότητας ανάλογα με το υλικό που χρησιμοποιείται. Γενικά, τα PVA, ABS και PLA είναι μελάνια “βασικών” για FDM. Αυτά είναι σχετικά φθηνά, αλλά τα αντικείμενα που προκύπτουν είναι επιρρεπή σε στρέβλωση. Τα αντικείμενα που εκτυπώνονται με PLA είναι επίσης αρκετά εύθραυστα. Τα αντικείμενα που εκτυπώνονται με ABS είναι φωτοευαίσθητα. Η χρήση πολυουρεθάνης αποδίδει μέρη με σημαντικό βαθμό ευελιξίας. Το επόμενο βήμα στην ποιότητα FDM είναι PC, PETG και PPE. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται κυρίως ως υλικά μηχανικής για την κατασκευή μηχανικών μερών και εργαλείων. Το PETG είναι επίσης ασφαλές για τρόφιμα. Τα μελάνια FDM υψηλής αντοχής είναι PEI και PEEK που χρησιμοποιούνται για εξαρτήματα και συσκευές που πρέπει να παρουσιάζουν πολύ υψηλή αντίσταση, όπως κινούμενα ή/και μέρη που φέρουν καταπόνηση και όταν η θερμική σταθερότητα είναι ζωτικής σημασίας. Όλα τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα αντικείμενα μπορεί να είναι επιρρεπή σε αποκόλληση υπό πίεση, αλλά τα εκτυπωμένα αντικείμενα PEEK παρουσιάζουν εξαιρετική πρόσφυση από στρώμα σε στρώμα και ως εκ τούτου είναι πολύ ανθεκτικά. Είναι, ωστόσο, αρκετά ακριβό και καθώς το σημείο τήξης είναι υψηλότερο από τα άλλα μελάνια FDM, ο εκτυπωτής πρέπει να έχει την ικανότητα να θερμαίνει το ακροφύσιο σε υψηλές θερμοκρασίες.

Οι τρισδιάστατες εκτυπωμένες δοσολογικές μορφές φαρμάκων και η σκαλωσιά των ιστών έχουν συγκεκριμένες απαιτήσεις που γενικά ικανοποιούνται με μεθόδους εξώθησης (ειδικά ημιστερεή εξώθηση όπως η EXT) και μερικές από τις τεχνολογίες που βασίζονται σε σκόνη (αλλά όχι αυτές που απαιτούν μεγάλες ποσότητες ακτινοβολούμενης ή υπέρυθρης ενέργειας όπως το SLS και SHS). Καθώς το ελάχιστο πάχος στρώματος για το EXT είναι σχεδόν 1 mm, οι τυπωμένες δομές είναι πιο χοντρές και λιγότερο λεπτομερείς.

Οι μέθοδοι που βασίζονται σε σκόνη έχουν πολύ υψηλό βαθμό ανάλυσης και συνεπώς παρέχουν καλύτερη αναπαραγωγή των λεπτομερειών. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για το SLS (ωστόσο, λειτουργεί κυρίως με μεταλλικές σκόνες), αλλά το MJF (λειτουργεί εύκολα με το πλαστικό) συγκρίνεται επίσης ευνοϊκά ως προς την ανάλυση.

Οι δομές που παράγονται από τις περισσότερες τεχνολογίες PB είναι επίσης ανθεκτικές (εκτός από αντικείμενα γύψου με εκτύπωση ColorJet), αλλά το πορώδες μπορεί να θέσει σε κίνδυνο τις μηχανικές τους ιδιότητες. Όταν το τελευταίο είναι ένα σοβαρό ζήτημα, το SLM μπορεί να είναι μια λύση, υπό την προϋπόθεση ότι πραγματοποιείται η κατάλληλη μετεπεξεργασία.

– Περιβαλλοντικές ανησυχίες (που σχετίζονται με την κατασκευή ή τη μεταποίηση ή τη βιοδιασπασιμότητα των απορριμμένων αντικειμένων).

Με βάση την εξώθηση και μερικές από τις τεχνολογίες ΡΒ δημιουργούν αναθυμιάσεις διαλυτών. Οι τεχνολογίες που βασίζονται σε σκόνη παράγουν μεγάλες ποσότητες μικρών σωματιδίων. Όλα αυτά έχουν σημαντικές πιθανές επιβλαβείς επιδράσεις και πρέπει να φιλτραριστούν ή/και να απολυμανθούν.

Κοινά χρησιμοποιούμενα λογισμικά για τρισδιάστατη εκτύπωση

Η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιεί δεδομένα που έχουν συλλεχθεί προηγουμένως και έχουν αποθηκευτεί σε έναν φορέα ψηφιακών πληροφοριών. Κατά τη διάρκεια της τρισδιάστατης εκτύπωσης ενός πολύπλοκου αντικειμένου, οι στιγμιαίες αλλαγές στο μοτίβο εναπόθεσης του συνεχούς στρώματος υπαγορεύονται από τις πληροφορίες συγκεκριμένων διατομών στο ψηφιακό αρχείο που αντιπροσωπεύουν πώς ακριβώς πρέπει να μοιάζει η δομή στο συγκεκριμένο σημείο. Έτσι, δομές με απλά μοτίβα μπορεί να αντιπροσωπεύονται από λιγότερες διατομές ενώ τα ψηφιακά αρχεία για δομές με περίπλοκα σχέδια θα έπρεπε να περιέχουν περισσότερες διατομές, υποδεικνύοντας πού και πώς αλλάζει η δομή. Κάθε διατομή αντιπροσωπεύει ένα κλειστό πολύγωνο και αντιστοιχεί σε διαφορετική θέση κατά μήκος του άξονα z. Οι διατομές δεν πρέπει να επικαλύπτονται ή να τέμνονται και, στην καλύτερη περίπτωση, πρέπει να είναι χωρίς κενά ενδιάμεσα. Μικρές αποκλίσεις ενδέχεται να εξαλειφθούν από το λογισμικό χωρίς σημαντικές αλλαγές στο σχήμα και τη δομή.

Οι εικόνες σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD) χρησιμοποιούνται συχνότερα για εκτύπωση 3D. Αυτές μπορεί να είναι οι συμβατικές εικόνες 2D DWG που δημιουργούνται από το AutoCAD, αν και αυτές πρέπει να μετατραπούν σε 3D με καθορισμένο λογισμικό, π.χ., Sketchup Pro. Η μορφή αρχείου στερεολιθογραφίας (Standard Tessellation Language, STL) ήταν η πρώτη που ορίστηκε ειδικά για την παραγωγή προσθέτων. Αναπτύχθηκε και προσαρμόστηκε για χρήση στις δεκαετίες του 1980 από την 3D Systems, μια εταιρεία που ιδρύθηκε από τον Charles Hull, τον εφευρέτη της SLA. Εκτός από το AutoCAD, συνήθως χρησιμοποιούμενο λογισμικό CAD ικανό να εξάγει ή να μετατρέπει δεδομένα σε μορφή STL είναι τα Alibre, Mechanical Desktop, I-DEAS, SolidDesigner, ProE και άλλα. Οι μετατροπείς στο διαδίκτυο είναι επίσης άμεσα διαθέσιμοι, όπως το AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).

Οι εικόνες που δημιουργούνται από έναν τρισδιάστατο σαρωτή ή από τη φωτογραμμετρία μιας τυπικής 2D ψηφιακής εικόνας (που λαμβάνεται από μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή) μπορεί επίσης να χρησιμεύσουν για την κατασκευή προσθέτων. Ανάλογα με την πηγή των δεδομένων για το αντικείμενο, το τελικό αποτέλεσμα μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο πιστό στην αρχική εικόνα. Οι εικόνες CAD συνήθως οδηγούν σε αντικείμενα με σημαντικά λιγότερα σφάλματα από άλλους τύπους ψηφιακών δεδομένων. Αυτά τα σφάλματα μπορεί να διορθωθούν αργότερα. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μάρκες λογισμικού για φωτογραμμετρία, κυρίως Microsoft Windows (Zephyr3D, PhotoModeler, PhotoSynth και άλλα), αλλά ορισμένα μπορεί να χρησιμοποιούν άλλα λειτουργικά συστήματα όπως Linux και MacOS (π.χ. Pix4D Mapper, Metashape, OpenDroneMap και άλλα) Το Μπορείτε να δείτε εδώ μια λεπτομερή λίστα των συνηθισμένων λογισμικών φωτογραμμετρίας με τα βασικά χαρακτηριστικά τους:

https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_photogrammetry_software

Διατίθενται επίσης διαδικτυακά εργαλεία για φωτογραμμετρία, όπως τα παραπάνω AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).

Για να εκτυπωθεί ένα αντικείμενο, εάν ένα αρχείο STL δεν είναι διαθέσιμο, πρέπει να εξάγεται από ένα κομμάτι λογισμικού όπως το AutoCAD ή άλλα (βλ. Παραπάνω). Τα περισσότερα επαγγελματικά λογισμικά τρισδιάστατης μοντελοποίησης είναι ιδιόκτητα, αλλά διατίθεται και δωρεάν λογισμικό, κυρίως για εκπαιδευτικούς σκοπούς για αρχάριους στο χώρο και για χομπίστες (FreeCAD, 3D Slash, TinkerCAD, Vectary, SketchUp, Leopoly, Sculptris, Rhinoceros και άλλα). Στη συνέχεια, το αρχείο STL που προκύπτει χρησιμοποιείται από άλλο λογισμικό «slicer», όπως το Repetier, OctoPrint, Z-Suite, Tinkerine Suite, Cura, PrusaSlicer, Simplify3D και άλλα για τη δημιουργία ενός αρχείου που περιέχει σειρά λεπτών στρωμάτων. Το αρχείο που προκύπτει χρησιμοποιείται από τον κεντρικό υπολογιστή τρισδιάστατου εκτυπωτή για τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου αντικειμένου. Ορισμένα κομμάτια λογισμικού κοπής λειτουργούν επίσης ως κεντρικοί υπολογιστές εκτυπωτών, όπως Cura, 3DPrinterOS, OctoPrint, MatterControl και άλλοι. Ενώ τα περισσότερα επαγγελματικά λογισμικά τρισδιάστατης μοντελοποίησης είναι συνήθως αυτόνομα, το δωρεάν λογισμικό μπορεί να είναι διαθέσιμο ως πρόσθετο και είναι πολύ πιο πιθανό να είναι διαθέσιμο για λειτουργικά συστήματα εκτός των Windows.

Τα αρχεία STL περιέχουν ακατέργαστα δεδομένα πλέγματος βασισμένα σε τριγωνισμούς της επιφάνειας των μοντέλων CAD. Έτσι, η επιφάνεια κάθε όψης του αντικειμένου αντιπροσωπεύεται από ένα πλέγμα πολυγώνου που πρέπει να συμμορφώνεται με ένα σύνολο κανόνων. Οι βασικοί κανόνες είναι τέσσερις, δηλαδή:

– Ο κανόνας «κορυφή σε κορυφή» – κάθε τρίγωνο πρέπει να μοιράζεται 2 κορυφές με τα γειτονικά του τρίγωνα.

– Ο «κανόνας του δεξιού χεριού»- οι κορυφές πρέπει να αναγράφονται αριστερόστροφα.

– Ο κανόνας «δείχνοντας προς τα έξω» – η κατεύθυνση του κανονικού διανύσματος πρέπει να δείχνει προς τα έξω.

– Ο «θετικός κανόνας» – όλες οι συντεταγμένες των κορυφών των τριγώνων πρέπει να αναπαριστώνται με θετικούς αριθμούς.

Παράδειγμα στην Εικόνα 9.

Εικόνα 9Ένα πλέγμα πολυγώνου που αντιπροσωπεύει μια τρισδιάστατη εικόνα ενός δελφινιού. Πηγή: Chrschn, Public domain, via Wikimedia Commons.

Τα αρχεία STL ενδέχεται να αποθηκεύουν πληροφορίες σε δυαδική κωδικοποίηση ή σε κωδικοποίηση ASCII. Τα αρχεία σε δυαδικό αρχείο είναι, γενικά, μικρότερα και μπορούν να μοιραστούν εύκολα, ενώ τα αρχεία ASCII χρησιμοποιούνται για μη αυτόματη ανάγνωση και έλεγχο του αρχείου STL, π.χ. όταν δοκιμάζετε νέες διεπαφές CAD.

Τα σύνθετα αντικείμενα ενδέχεται να αποτελούν πρόκληση για τα αρχεία STL, καθώς υπάρχουν πάρα πολλές επιφάνειες για να ληφθούν υπόψη στους υπολογισμούς. Επιπλέον, τα πρώτα αρχεία STL είχαν πολύ περιορισμένες ιδιότητες για την αναπαράσταση του χρώματος, της υφής, του υλικού και της εσωτερικής δομής (αν και αυτό επιλύθηκε αργότερα). Ορισμένοι τύποι λογισμικού, όπως το πρωτότυπο AutoCAD, μπορούν να εξάγουν σχέδια στερεών αντικειμένων μόνο σε STL. Οι μη γειτονικές επιφάνειες (π.χ. που περιέχουν κενά ή επικαλύψεις) είναι δύσκολο να επεξεργαστούν ή να προσαρμοστούν σε αρχεία STL και δεν θα εκτυπωθούν. Έτσι, το 2006 κυκλοφόρησε μια βελτιωμένη έκδοση μορφών STL που τελικά μετατράπηκε σε μια άλλη, πιο ευέλικτη μορφή αρχείου CAD, τη μορφή πρόσθετου αρχείου κατασκευής (AMF). Παρ ‘όλα αυτά, πολλοί 3D εκτυπωτές που χρησιμοποιούνται σήμερα, ειδικά αυτοί που λειτουργούν σε μικρή κλίμακα, θα χρησιμοποιούν αρχεία STL.

Τα αρχεία AMF μπορούν εύκολα να αντιπροσωπεύσουν την εσωτερική δομή χρησιμοποιώντας διάταξη πολυγώνου προσώπου-κορυφής και καμπύλα τρίγωνα για να ορίσουν μια διακριτή μονάδα όγκου υλικού. Μπορεί να καθοριστούν πολλαπλοί τόμοι για ένα μόνο αντικείμενο. Τα αρχεία AMF περιέχουν επίσης πληροφορίες σχετικά με το υλικό, το χρώμα και την υφή του εκτυπωμένου αντικειμένου ή των μερών του και τη σειρά εκτύπωσης.

Ο Jonathan Hiller, ένας από τους εφευρέτες της μορφής αρχείου AMF, φιλοξενεί έναν λεπτομερή και φιλικό προς το χρήστη ιστότοπο που παρέχει λογισμικό CAD ή τρισδιάστατη μοντελοποίηση και σεμινάρια: https://sites.google.com/site/jonhiller/software.

Δωρεάν αρχιτεκτονικά σχέδια CAD για λογισμικό AutoCAD και τρισδιάστατης μοντελοποίησης είναι άμεσα διαθέσιμα στο Διαδίκτυο, π.χ. https://www.arcat.com/, https://www.tinkercad.com/, https://www.sketchup.com/ και άλλα. Μια δωρεάν εικόνα 3D CAD παρουσιάζεται στην Εικόνα. 10.

Εικόνα 10. Ένα μοντέλο 3D CAD για χρήση σε τρισδιάστατη εκτύπωση. Πηγή: OKFoundryCompany from Richmond, USA, CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons.

Διατίθενται δωρεάν αρχεία STL, αρχεία εκτυπωτή 3D και σχέδια εκτυπωτών 3D για χρήση από 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,  και άλλους ιστότοπους.

Το λογισμικό επεξεργασίας STL είναι διαθέσιμο για πολλές πηγές, όπως π.χ. https://www.meshlab.net/, https://www.blender.org/, https://www.freecadweb.org/, https://www.3dslash.net/index.php, https://www.sketchup.com/, και άλλες.

Η τρισδιάστατη βιοτυπία είναι μια εξελισσόμενη τεχνολογία με εφαρμογές σε όλο το φάσμα της βιοϊατρικής έρευνας.

Πεδία εφαρμογής της τρισδιάστατης βιοτυπίας

Η τρισδιάστατη βιοτυπία είναι μια εξελισσόμενη τεχνολογία με εφαρμογές σε όλο το φάσμα της βιοϊατρικής έρευνας. Η μέθοδος που χρησιμοποιεί ένα βιολογικό υπόστρωμα ή «βιοσύνδεση», κατασκευασμένη από δομικά συστατικά, μέσα ανάπτυξης και κύτταρα, μπορεί να παράγει σε εξοπλισμό τρισδιάστατης εκτύπωσης βιολογικές δομές που μιμούνται στενά τη δομή των κυττάρων στους ζωντανούς οργανισμούς. Χρησιμοποιώντας το ίδιο μοντέλο κατασκευής με την παραδοσιακή τρισδιάστατη εκτύπωση, ένας αριθμός 2D φέτες διαιρείται από ένα μοντέλο 3D από έναν υπολογιστή για να εκτυπώσει μια σωστή βιολογική σύνθεση στρώμα με στρώμα με ακριβή διάταξη ιστών και κυττάρων. Η τρισδιάστατη προσέγγιση βιοεκτύπωσης δίνει την ευκαιρία επίλυσης ζητημάτων στην ανάπτυξη φαρμάκων, στην αναγεννητική ιατρική, στη δωρεά οργάνων και στη θεραπεία του καρκίνου. Αυτή η αναδυόμενη τεχνολογία προσφέρει μεγάλη ακρίβεια στη χωρική τοποθέτηση των κυττάρων, των πρωτεϊνών, του DNA, των σωματιδίων του φαρμάκου, των αυξητικών παραγόντων και των βιολογικά δραστικών ουσιών για να καθοδηγήσει τον καλύτερο σχηματισμό ιστών. Αυτή η ισχυρή τεχνολογία φαίνεται να είναι πιο ελπιδοφόρα για τη βελτίωση της κατασκευής ιστών προς φυσιολογικά σχετικές κατασκευές ιστών, μοντέλα ιστών, ιστούς και όργανα και μοντέλα οργάνων σε τσιπ για ιατρική και φαρμακευτική.

Η τεχνολογία βιο-εκτύπωσης έχει ευρεία εφαρμογή σε διάφορους τομείς όπως η μηχανική ιστών και η αναγεννητική ιατρική, η μεταμόσχευση και οι κλινικές, ο έλεγχος φαρμάκων και οι δοκιμές υψηλής απόδοσης και η έρευνα για τον καρκίνο (Εικ. 1). Η βιοτυπία για τη μηχανική ιστών και την αναγεννητική ιατρική έχει μελετηθεί για περισσότερο από μια δεκαετία και έχουν δημιουργηθεί ανατομικά σωστές κυτταρικές κατασκευές και σκαλωσιές για διάφορους τύπους ιστών: από συνδετικούς και επιθηλιακούς ιστούς έως μυϊκούς και νευρικούς ιστούς. Με το μεγάλο πλεονέκτημά του στη μοντελοποίηση και την τοποθέτηση με ακρίβεια πολλών τύπων κυττάρων, η βιοτυπία έχει ξεπεράσει μία από τις σημαντικότερες ελλείψεις των παραδοσιακών τεχνικών κατασκευής σκαλωσιάς και έχει διευκολύνει την κατασκευή ιστών που μοιάζουν με ιθαγενείς με ετεροκυτταρικό μικροπεριβάλλον. Παρόλο που το μεγαλύτερο μέρος της προσπάθειας έχει στοχεύσει στη θεμελιώδη επιστήμη πίσω από σημαντικές τεχνικές βιοεκτύπωσης όπως η βιο-εκτύπωση με λέιζερ, σταγονίδια και εξώθηση, πρόσφατα δόθηκε σημαντική προσοχή στη βιοεκτύπωση για τη λειτουργική παραγωγή ιστών. Ειδικότερα, έχει αφιερωθεί σημαντική εργασία στη βιοεκτύπωση για μεταμόσχευση. Καθώς έχει επιτευχθεί πρόσθετη πρόοδος στα βιοϋλικά, τις τεχνολογίες κυττάρων και μεταμόσχευσης, η βιοτυπία θα χρησιμοποιηθεί «από πάγκο σε κρεβάτι» όταν επιτρέπεται για ανθρώπινη χρήση και έχει πολλά πλεονεκτήματα σε χειρουργεία στο εγγύς μέλλον. Πριν από τη μετάβαση στην κλινική πρακτική, η βιο-εκτύπωση έχει ήδη κάνει ένα μεγάλο άλμα στη φαρμακευτική χρήση επειδή δεν απαιτεί κανονιστικές εγκρίσεις και υπάρχει αυτή τη στιγμή μια αναδυόμενη αγορά βιο-εκτύπωσης για την κατασκευή ιστών για δοκιμές φαρμάκων και δοκιμές υψηλής απόδοσης. Μοντέλα βιοεκτυπωμένων ιστών (π.χ. συκώτι), κατασκευασμένα από πολλαπλούς τύπους κυττάρων και διευκολύνουν ένα σύνθετο ετεροκυτταρικό φυσιολογικό περιβάλλον, έχουν χρησιμοποιηθεί στον έλεγχο φαρμάκων. Επιπλέον, η βιοτυπία εφαρμόστηκε πρόσφατα στην έρευνα για τον καρκίνο για τη διερεύνηση της παθολογίας του καρκίνου, της ανάπτυξης και της μετάστασης σε ένα φυσιολογικά σχετικό μικροπεριβάλλον. Εδώ, παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση των τομέων εφαρμογής της τεχνολογίας βιοεκτύπωσης και παρουσιάζεται σε βάθος συζήτηση για επιτυχημένα βιοεκτυπωμένους τύπους ιστών για μηχανική ιστών και αναγεννητική ιατρική, μεταμόσχευση και κλινικές, διαλογή φαρμάκων και δοκιμές υψηλής απόδοσης και έρευνα για τον καρκίνο. Για κάθε τομέα εφαρμογής, συζητούνται τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί των υφιστάμενων τεχνολογιών.

Εικόνα 1. Πεδία εφαρμογής της τεχνολογίας βιοτυπίας

Η αναγεννητική ιατρική είναι ίσως μια από τις πιο συναρπαστικές μελλοντικές εφαρμογές της τρισδιάστατης βιοτυπίας. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η βιοτυπία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απευθείας εκτύπωση ιστών όπως το δέρμα και τη δημιουργία οργάνων, ιστών και δομών για μεταμόσχευση. Η τρισδιάστατη βιοτυπία πιστεύεται ότι εφαρμόζεται επιτυχώς για τη μεταμόσχευση και την παραγωγή τύπων ιστών πολλαπλών στρωμάτων όπως νεύρο, καρδιακό, αιμοφόρο αγγείο, οστό και δέρμα (Εικ. 2). Οι ερευνητές προβλέπουν ότι στο μέλλον ιστοί και τελικά ολόκληρα όργανα θα μπορούσαν να μεταμοσχευθούν σε ασθενείς που παράγονται από τα δικά τους κύτταρα. Με τη βοήθεια της τρισδιάστατης βιο -εκτύπωσης, η απόρριψη μοσχεύματος και οι μακρές λίστες δωρητών θα μπορούσαν να γίνουν ένα ζήτημα του παρελθόντος. Επιπλέον, πολυάριθμες κατασκευές ιστών βιοτυπώθηκαν και εμφυτεύθηκαν υποδόρια για να αξιολογηθεί in vivo η διαφοροποίηση των κυττάρων και η λειτουργικότητα των εμφυτευμάτων. Παρά τα πειράματα αυτά, κανένας από τους βιοτυπωμένους ιστούς δεν έχει χρησιμοποιηθεί κλινικά για τον άνθρωπο επειδή δεν έχει χορηγηθεί ακόμη έγκριση. Δεν προβλέπονται κανόνες για βιοεκτυπωτές ή βιο -εκτυπωμένα προϊόντα. Ωστόσο, με το αυξανόμενο ενδιαφέρον παγκοσμίως και τις αναδυόμενες επιχειρήσεις για την αγορά βιοτυπίας, η επιτυχία με την πρώτη τεχνολογία που θα περάσει από κανονισμούς θα είναι υποδειγματική για τις προηγούμενες τεχνολογίες και προϊόντα.

Παρόλο που η τεχνολογία βιοεκτύπωσης βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο στις κλινικές, πλαστικά, κεραμικά ή μεταλλικά εμφυτεύματα με τρισδιάστατη εκτύπωση για αντικατάσταση οστικού ιστού έχουν ήδη μεταμοσχευθεί επιτυχώς σε ανθρώπους. Εκτός από τα μόνιμα εμφυτεύματα, μια πρόσφατη εργασία που δημοσιεύθηκε στο New England Journal of Medicine παρουσίασε μια μοναδική περίπτωση μεταμόσχευσης ενός τρισδιάστατης εκτύπωσης βιοαπορροφήσιμου νάρθηκα αεραγωγού σε βρέφος. Δεν έχουν παρατηρηθεί απροσδόκητα προβλήματα με τον νάρθηκα και η πλήρης απορρόφηση της συσκευής αναμένεται να διαρκέσει περίπου 3 χρόνια. Αυτή ήταν μια υποδειγματική περίπτωση για κλινική χρήση σκαλωσιών με τρισδιάστατη εκτύπωση και αισιόδοξα θα οδηγήσει σε παρόμοια επιτυχία με βιοεκτυπωμένους ιστούς και όργανα. Παρά τα επιτεύγματα στον τομέα της βιολογικής εκτύπωσης, η βιοτυπία για μεταμόσχευση σε νοσοκομείο απαιτεί περαιτέρω βελτιώσεις και μεταφραστικές προσπάθειες. Όργανα και ιστοί που δεν χρειάζονται σημαντική αγγείωση (δηλαδή δέρμα και χόνδρος) αναμένεται να μεταφραστούν κλινικά πολύ σύντομα. Ωστόσο, οι ιστοί και τα όργανα που είναι μεταβολικά πολύ ενεργά (δηλαδή η καρδιά, το πάγκρεας και το ήπαρ) είναι εξαιρετικά προκλητικά.

Εικόνα 2. Στρατηγική τρισδιάστατης εκτύπωσης

Ένα από τα επιχειρήματα για το κλινικό δυναμικό μετάφρασης των βιοεκτυπωμένων ιστών και οργάνων προέρχεται από την ίδια την τεχνολογία βιοεκτύπωσης. Η βιοτυπία περιλαμβάνει ζωντανά κύτταρα σε βιοσύνδεση και η χρήση ειδικών για τον ασθενή κυττάρων είναι σχετικά νέα στη βιο-εκτύπωση. Τα βλαστικά κύτταρα, όπως τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα και τα επαγόμενα-πολυδύναμα βλαστοκύτταρα, αποτέλεσαν προοπτικές απεριόριστες πηγές ειδικών για τον ασθενή κυττάρων για την παραγωγή ιστών και οργάνων. Τα συγκεκριμένα για τον ασθενή κύτταρα μπορούν να διαφοροποιηθούν και στη συνέχεια να τυπωθούν βιολογικά ή να εκτυπωθούν και στη συνέχεια να διαφοροποιηθούν προς πολλαπλές γενεές για την κατασκευή ιστών και οργάνων που θα προκαλέσουν ελάχιστο κίνδυνο ανοσογονικότητας.

Ένας άλλος βασικός τομέας όπου αναμένεται να επιτύχει η τρισδιάστατη βιο -εκτύπωση είναι η ανάπτυξη φαρμάκων. Οι περισσότερες από τις δοκιμές φαρμάκων πραγματοποιούνται επί του παρόντος χρησιμοποιώντας καλλιέργειες 2D κυττάρων. Όπως και η έρευνα για τον καρκίνο, αυτές οι καλλιέργειες δεν προσομοιώνουν τη φυσική κυτταρική συμπεριφορά. Το ξένο μόσχευμα (μεταμόσχευση ανθρώπινων κυττάρων) σε ζώα χρησιμοποιείται τώρα για να βοηθήσει στην επίλυση αυτού του ζητήματος. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση είναι δύσκολη λόγω των βιοχημικών, μεταβολικών και γενετικών διαφορών μεταξύ των ειδών. Έχει προταθεί ότι αυτά τα ζητήματα είναι ο κύριος λόγος για το υψηλό ποσοστό αποτυχίας στην αξιολόγηση των νέων υποψήφιων φαρμάκων. Παρά τις συνεχείς προσπάθειες για τη βελτίωση της διαδικασίας ανάπτυξης φαρμάκων, μόνο μία στις 10.000 νέες χημικές ουσίες και ένας στους δέκα υποψήφιους για φάρμακα μπαίνει σε κλινικές δοκιμές, φτάνει στο τελικό στάδιο έγκρισης και εισέρχεται στην αγορά. Από την άλλη πλευρά, η χρήση τρισδιάστατης βιο -εκτύπωσης για φαρμακευτικές δοκιμές και όχι in vivo μελέτες δεν χρειάζονται κανονιστική έγκριση. Έτσι, η απόδοση της ανάπτυξης φαρμάκων πιθανόν να πολλαπλασιαστεί εκτενώς. Μεταξύ των διαφόρων μεθόδων για την κατασκευή τρισδιάστατων συστημάτων in vitro, η βιοτυπία έχει σοβαρά πλεονεκτήματα όπως η δυνατότητα ελέγχου του μεγέθους και της μικροαρχιτεκτονικής, η ικανότητα υψηλής απόδοσης, οι ευκαιρίες συν-καλλιέργειας και ο χαμηλός κίνδυνος διασταυρούμενης μόλυνσης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, οι βιο-εκτυπωμένοι ιστοί και όργανα θεωρούνται όλο και περισσότερο ως πιθανά μοντέλα που θα χρησιμοποιηθούν στην τοξικολογία φαρμάκων και τον έλεγχο υψηλής απόδοσης.

Το ήπαρ και ο ιστός όγκων έχουν στοχοποιηθεί για την κατασκευή μοντέλων ιστών για φαρμακευτικά προϊόντα. Από αυτή την άποψη, έχει διερευνηθεί η κατασκευή ενός μοντέλου βιο-εκτυπωμένου μικροοργανικού ήπατος για μεταβολισμό φαρμάκων (Εικ. 3). Το βιο-εκτυπωμένο τρισδιάστατο μικροοργανισμό του ήπατος έχει χρησιμοποιηθεί για προσομοίωση της φυσιολογικής απόκρισης του ήπατος σε χορήγηση φαρμάκων και τοξική χημική έκθεση. Ο μεταβολισμός του φαρμάκου αποδείχθηκε με τον μετασχηματισμό του μη-φθορίζοντος προφαρμάκου, 7-αιθοξυ-4-τριφθορομεθυλοκουμαρίνης (EFC), σε μεταβλητό φθορισμού εκροής 7-υδροξυ-4-τριφθορομεθυλο κουμαρίνη (HFC). Επιθηλιακά κύτταρα και ηπατοκύτταρα εγκλωβισμένα σε Matrigel ™ χρησιμοποιήθηκαν για να δείξουν την πορεία του φαρμάκου που διαχέεται από την κυκλοφορία του αίματος στον ιστό. Τα επιθηλιακά κύτταρα είναι τα κύτταρα που καλύπτουν τον αυλό μέσω του οποίου τα φάρμακα περνούν από την κυκλοφορία του αίματος στον στόχο, όπου τα ηπατοκύτταρα χρησιμοποιήθηκαν ως τύπος κυττάρου στόχου. Με βάση το παρουσιαζόμενο μοντέλο ιστού, αναπτύχθηκε ένα υπολογιστικό μοντέλο μακροκλίμακας χρησιμοποιώντας ένα αριθμητικό πλαίσιο κινητικής κινητικής μεταφοράς-διάχυσης-κυττάρων. Το τελευταίο έχει αποδειχθεί πολύ χρήσιμο για μελλοντική έρευνα στη φαρμακοκινητική και την τοξικότητα των τρισδιάστατων μικροοργανισμών.

Εικόνα 3. Βιοτυπημένα μοντέλα ιστών για δοκιμές φαρμάκων και διαλογή υψηλής απόδοσης. (a) Βιοεκτυπωμένος ιστός ήπατος. (b) βιοεκτυπωμένος νεφρικός ιστός (c) βιοεκτυπωμένος ιστός δέρματος (d) τρισδιάστατο βιο-εκτυπωμένο υλικό αποκατάστασης οστών (e) τυπωμένη υδρογέλη που περιέχει κύτταρα (f) πολυκυτταρικές τρισδιάστατες βιο-εκτυπωμένες κατασκευές καρδιακού ιστού.

Οι εξελισσόμενες τεχνολογίες μικρομηχανικής επιτρέπουν την προσαρμοστική παραγωγή τρισδιάστατων μικροσυστοιχιών με βάση τα κύτταρα, συμπεριλαμβανομένης της μαλακής λιθογραφίας, της σχεδίασης επιφανειών, του χειρισμού με μικρορευστό και της βιο-εκτύπωσης. Μεταξύ αυτών, η τεχνολογία βιο-εκτύπωσης έχει το πλεονέκτημα της δημιουργίας συστοιχίας καλλιέργειας και συστοιχίας με ένα κύτταρο με ακριβή έλεγχο της πυκνότητας των κυττάρων. Μια πρόσφατη μελέτη χρησιμοποίησε μια νέα μέθοδο βιο-εκτύπωσης βασισμένη σε inkjet για την κατασκευή μιας πλατφόρμας μικροσκοπικής εξέτασης φαρμάκων υψηλής απόδοσης. Οι συγγραφείς εκτύπωσαν βιολογικά το αλγινικό φορτωμένο Escherichia coli για να τοποθετήσουν ένα τσιπ στις καλυπτρίδες. Χρησιμοποιώντας την στρώμα-στρώμα προσέγγιση, σταγονίδια τριών αντιβιοτικών εκτυπώθηκαν στις κηλίδες των κυττάρων. Τα αποτελέσματα έδειξαν παρόμοια κυτταρική βιωσιμότητα, λειτουργικότητα και αντιβακτηριακές επιδράσεις των αντιβιοτικών σε βιογραφικά και μικροπιπετοποιημένα δείγματα inkjet. Έτσι, οι συστοιχίες υψηλής απόδοσης με βιογραφική εκτύπωση με inkjet είναι αποδεδειγμένα αποτελεσματική μέθοδος για την ελαχιστοποίηση της διάρκειας των τυπικών δοκιμών διαλογής φαρμάκων. Επιπλέον, παρουσιάστηκαν βιοαισθητήρες με βάση τα κύτταρα (CBBs), όπου η βιο-εκτύπωση με ακουστική βάση χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία μικροσυστοιχίας σταγονιδίων κυττάρων λείου μυός σε κολλαγόνο. Η βιοεκτυπωμένη μικροσυστοιχία στη συνέχεια υποβλήθηκε σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες (π.χ. θερμοκρασία) και εκτιμήθηκε η επίδραση των εφαρμοζόμενων ερεθισμάτων καθώς και οι παράμετροι της διαδικασίας βιοεκτύπωσης στη βιωσιμότητα των κυττάρων. Εκτός από την τρισδιάστατη βιο-εκτύπωση μικροσυστοιχιών κυττάρων υψηλής απόδοσης, η ελεγχόμενη χορήγηση υποψηφίων φαρμάκων σε μικροσυστοιχίες κυττάρων είναι επίσης σημαντικός παράγοντας για αποτελεσματικό έλεγχο του φαρμάκου. Διαφορετικές μέθοδοι έχουν προταθεί για ελεγχόμενη χορήγηση φαρμάκων σε μικροσυστοιχίες κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων των σχεδίων φαρμάκων, σφράγισης φαρμάκων, σπρέι αερολύματος και μικρορευστοποίησης του φαρμάκου.

Οι τεράστιες μελλοντικές δυνατότητες της τεχνολογίας της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης στον βιοϊατρικό τομέα έχουν ήδη τεκμηριωθεί καλά. Ένας από τους τομείς όπου οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η τρισδιάστατη βιοτυπία θα αποδειχθεί ευεργετική είναι η έρευνα για τον καρκίνο. Το μικρο-περιβάλλον του όγκου, καθώς και οι βιολογικές δομές και ουσίες που περιβάλλουν τον όγκο είναι βασικά στοιχεία της συμπεριφοράς του καρκίνου και δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητά. Μέχρι τώρα έχουν χρησιμοποιηθεί ζωικά μοντέλα και καλλιέργειες 2D κυττάρων σε αυτές τις έρευνες. Ωστόσο, δεν αποδεικνύουν με ακρίβεια τη συμπεριφορά των ανθρώπινων καρκινικών κυττάρων in vivo, η οποία περιλαμβάνει μια περίπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ των κυττάρων του όγκου τόσο με το κυτταρικό περιβάλλον όσο και με άλλα κύτταρα. Τελευταίες έρευνες δείχνουν ότι τα τρισδιάστατα μοντέλα αντανακλούν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη συμπεριφορά των κυττάρων του όγκου και η βιοτυπία είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνική που θα μπορούσε να είναι αποτελεσματική σε τέτοιες μελέτες. Ένα πλεονέκτημα που διαθέτει η τρισδιάστατη βιο -εκτύπωση είναι ότι τα κύτταρα μπορούν να σχεδιαστούν ρητά σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο με τα εξωκυτταρικά και δομικά στοιχεία του. Οι εναλλακτικές προσεγγίσεις διαφέρουν στο ότι απαιτούν αυτοσυναρμολόγηση, η οποία είναι πολύ πιο χρονοβόρα ή σκαλωσιά, όπου η μήτρα στήριξης αναπτύσσεται ανεξάρτητα από την κυτταρική καλλιέργεια. Επιπλέον, η τρισδιάστατη βιο -εκτύπωση παρέχει την ευκαιρία να εκτυπωθούν συγκεκριμένες δομές ιστού και κυττάρων και επίσης να είναι συγκεκριμένες για τον ασθενή. Τα κύτταρα ενός ασθενούς μπορούν να υποβληθούν σε βιοψία, να αναπτυχθούν και να εκτυπωθούν βιολογικά, να κατασκευαστούν οι κατάλληλες δομές και να διερευνηθεί η ανταπόκριση του φαρμάκου ή η αποτελεσματική δόση.

Ωστόσο, η χρήση της προσέγγισης βιοεκτύπωσης στην έρευνα για τον καρκίνο είναι νέα και μόνο μερικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί σε αυτόν τον αναδυόμενο τομέα εφαρμογής. Για πρώτη φορά η βιο-εκτύπωση ιστού όγκου αποδείχθηκε με ανθρώπινα κύτταρα καρκίνου των ωοθηκών (OVCAR-5) και ινοβλάστες MRC-5. Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε μια πλατφόρμα βιοεκτύπωσης που βασίζεται σε inkjet με διπλούς εκτοξευτές. Η προτεινόμενη προσέγγιση δεν έδειξε μόνο ένα εργαλείο για την έρευνα για τον καρκίνο, αλλά προσέφερε επίσης μια μεγάλη πλατφόρμα για διαλογή υψηλής απόδοσης. Οι ίδιοι ερευνητές πραγματοποίησαν βιοεκτύπωση κυττάρων HeLa για να σχηματίσουν μοντέλα όγκου τραχήλου της μήτρας. Παρόλο που αυτές οι δύο μελέτες παρουσίασαν βιοπαραγωγή όγκων σφαιροειδών χρησιμοποιώντας τεχνολογία βιοτύπωσης, η κατασκευή μεγαλύτερων μοντέλων ιστών για την εξέταση της μετανάστευσης και της μετάστασης των καρκινικών κυττάρων είναι επίσης ζωτικής σημασίας. Μια άλλη προσέγγιση επικεντρώθηκε στη χρήση ενός συστήματος εκτύπωσης 3D με βάση το λέιζερ για βιο-εκτύπωση κυττάρων HeLa και μη καρκινικών ινοβλαστών 10 T1/2 στο PEGDA μαζί με μικροαγγειακό δίκτυο με πλάτος καναλιού 25, 45 και 120 μm για προσομοίωση διαμέτρων αιμοφόρων αγγείων. Εκτός από τις προσεγγίσεις που βασίζονται σε σκαλωσιές, πραγματοποιήθηκε επίσης βιοεκτύπωση μοντέλου καρκίνου του μαστού χωρίς σκαλωσιά χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα NovoGen Bioprinting. Σε αυτή την προσπάθεια τα καρκινικά κύτταρα περιστοιχίστηκαν από ένα φυσιολογικά σχετικό στρωματικό μέσο που περιείχε διαφοροποιημένα με MSC λιπώδη κύτταρα, ινοβλάστες μαστών και ενδοθηλιακά κύτταρα.

Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι η τρισδιάστατη βιοτυπία είναι μια αναδυόμενη προσέγγιση που έχει ευρεία εφαρμογή σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της βασικής έρευνας στην μηχανική ιστών, της αναγεννητικής ιατρικής και της παθογένειας του καρκίνου, την βιοεκτύπωση ιστών για μεταμόσχευση και κλινικές και θα μπορούσε να εφαρμοστεί επιτυχώς στη φαρμακευτική για δοκιμές φαρμάκων και έλεγχος απόδοσης. Επί του παρόντος, υπάρχουν περίπου 15 διαφορετικοί τύποι ιστών που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές πειραματικές μελέτες. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμα αρκετοί άλλοι ανθρώπινοι ιστοί που δεν έχουν αγγιχτεί ακόμη. Από αυτή την άποψη, πρέπει να γίνουν μελλοντικές προσπάθειες για βιο -εκτύπωση άλλων μοντέλων ιστών και οργάνων που είναι προκλητικά αλλά μπορούν να φέρουν επανάσταση στην ιατρική. Αυτό εξαρτάται επίσης από τις καινοτομίες στον τομέα της μηχανικής ιστών καθώς η έρευνα για τη βιοτυπία εξαρτάται ζωτικά από την κατανόησή μας για ανεξερεύνητους τύπους ιστών. Επιπλέον, μία από τις νέες κατευθύνσεις στη βιοτυπία θα πρέπει να επικεντρωθεί στη βιοκατασκευή νέων τύπων οργάνων, όπως βιονικά όργανα ή όργανα που δεν υπάρχουν στη φύση.

Η πλειονότητα της έρευνας τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης έχει αναπτυχθεί γύρω από μοντέλα ομοκυτταρικών ιστών χρησιμοποιώντας έναν τύπο κυττάρου. Ωστόσο, οι φυσικοί ιστοί έχουν ετεροκυτταρική φύση με πολλαπλούς τύπους κυττάρων οργανωμένους σε εξαιρετικά πολύπλοκη ανατομία. Αν και τα απλά μοντέλα βιοεκτύπωσης ιστών είναι σχετικά αποδεκτά στη θεμελιώδη έρευνα, η κατασκευή λειτουργικού ιστού για κλινικές ή φαρμακευτικές μελέτες απαιτεί τη συμπερίληψη πολλών τύπων κυττάρων. Έτσι, ορισμένες από τις λειτουργίες των κυττάρων μπορούν να ενεργοποιηθούν ή να ενισχυθούν περαιτέρω από αλληλεπιδράσεις κυττάρου -κυττάρου. Επομένως, η βιοτυπία πολλαπλών τύπων κυττάρων χρειάζεται περαιτέρω διερεύνηση των βέλτιστων συνθηκών καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένου του κατάλληλου μέσου και αντιδραστηρίων για την υποστήριξη της ανάπτυξης και της συμπεριφοράς τους.

Οι σύγχρονες προσπάθειες μετάφρασης της βιοτυπίας σε μεταμόσχευση περιορίζονται κυρίως σε ποντίκια. Ωστόσο, τα μοντέλα ποντικών είναι μικρά με φυσιολογικές συνθήκες και διαφέρουν σημαντικά από αυτές των ανθρώπων. Για παράδειγμα, ένας μικρός παγκρεατικός ιστός με τρισδιάστατα βιογραφικά νησίδια μπορεί να εμφυτευθεί σε ένα διαβητικό μοντέλο ποντικού και να ρυθμίσει την έκκριση ινσουλίνης. Από την άλλη πλευρά, ο μέσος όγκος νησιδίων σε ένα πάγκρεας ποντικού είναι περίπου 100.000 φορές μικρότερος από εκείνους σε ένα ανθρώπινο πάγκρεας. Ως εκ τούτου, η βιο-εκτύπωση ιστών και οργάνων κλιμάκωσης είναι εξαιρετικά σημαντική για την κατασκευή τους σε κλινικά σχετικές διαστάσεις. Μεγαλύτερα ζώα, όπως ένα μοντέλο χοιρινού, μπορούν να αποτελέσουν ένα μεταβατικό βήμα προς δοκιμές σε ανθρώπους, επειδή αυτά τα ζώα αντιστοιχούν περισσότερο στην ανθρώπινη φυσιολογία από τα μικρά ζώα. Για την κλιμάκωση των βιοεκτυπωμένων οργάνων για κλινική χρήση, η κατασκευή ιεραρχικών αγγειακών δικτύων είναι ζωτικής σημασίας εκτός από τη μηχανική τους αντοχή, την ελαστικότητα και τη μακροπρόθεσμη δομική σταθερότητα. Επιπλέον, η ενσωμάτωση των νευρικών ιστών και ο σχηματισμός νεύρωσης είναι ένα κρίσιμο βήμα προς τη λειτουργική παραγωγή ιστών και οργάνων, διότι ιστοί όπως ο καρδιακός, ο μυς και το δέρμα απαιτούν νεύρωση, κάτι που σήμερα αποτελεί πρόκληση στη βιοεκτύπωση. Η πλειοψηφία της έρευνας της βιοεκτύπωσης περιλαμβάνει τη χρήση βιοσύνδεσμων με βάση υδρογέλη, καθώς αποτελούν ευνοϊκό περιβάλλον για την τρισδιάστατη ανάπτυξη των κυττάρων. Ωστόσο, οι υδρογέλες έχουν αδύναμες μηχανικές ιδιότητες όταν χρησιμοποιούνται σε χαμηλές συγκεντρώσεις για να υποστηρίξουν τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό. Επιπλέον, βιοδιασπώμενα υλικά όπως τα θερμοπλαστικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υπόβαθρο για την κλιμάκωση ιστών και οργάνων. Τα διαθέσιμα βιοϋλικά, όπως τα συνθετικά πολυμερή, είναι ισχυρά, αλλά η αποικοδόμησή τους είναι δύσκολη, χρονοβόρα και δεν ταιριάζει στενά με τη διαδικασία ανάπλασης των ιστών. Επομένως, η ανάπτυξη νέων βιοϋλικών είναι ζωτικής σημασίας για την πρόοδο στη βιο -εκτύπωση ιστών και οργάνων για κλινική χρήση. Εκτός από τα βιοϋλικά, η επιλογή της σωστής κυτταρικής πηγής είναι επίσης ένας κρίσιμος παράγοντας ή επιτυχής κλινική και φαρμακευτική χρήση. Για την εξατομικευμένη ιατρική είναι δύσκολο να αποκτήσουμε διαφορετικούς τύπους πρωτογενών κυττάρων. Τα βλαστικά κύτταρα αντιπροσωπεύουν μια πολλά υποσχόμενη πηγή κυττάρων και απαιτούνται περαιτέρω έρευνες για τη δημιουργία τυποποιημένων πρωτοκόλλων για τη διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων σε διάφορες σταθερές και λειτουργικές κυτταρικές γενεές.

Ένας άλλος σημαντικός τρόπος κατασκευής ιστών για διαλογή υψηλής απόδοσης είναι οι μικροσκοπικές πλατφόρμες τρισδιάστατης συστοιχίας, όπως μοντέλα ιστού σε τσιπ ή όργανο σε τσιπ. Ο συνδυασμός τεχνολογίας βιοεκτύπωσης με άλλες τεχνολογίες όπως οι μικρορευστοποιήσεις είναι απαραίτητος για την παραγωγή φυσιολογικά προσομοιωμένων, πολύπλοκων και μακροπρόθεσμων βιώσιμων συστοιχιών μικροοργανικών στόχων. Η εφαρμογή τεχνολογιών που δημιουργούν σταγονίδια πικολίθου με χαμηλό επίπεδο κυτταρικής βλάβης και έχουν δυνατότητες διαλογής μεμονωμένων κυττάρων θα πρέπει να ενθαρρύνεται στη βιοεκτύπωση κυτταρικών μικροσυστοιχιών. Θα πρέπει επίσης να εξεταστεί και να εφαρμοστεί η ελεγχόμενη χορήγηση φαρμάκων σε κυτταρικές μικροσυστοιχίες.

Παρόλο που γίνονται αρκετές προσπάθειες για τη μηχανική του μικρο-περιβάλλοντος του καρκίνου χρησιμοποιώντας τεχνολογία βιοεκτύπωσης, απαιτούνται περαιτέρω εξελίξεις για την κατασκευή ενός φυσιολογικά σχετικού πλήρους μικροπεριβάλλοντος, που περιλαμβάνει τη θέση του όγκου, την υγιή θέση και το μικροαγγειακό δίκτυο ενδιάμεσα, για την πραγματοποίηση έρευνας μετάστασης καρκίνου. Τα μοντέλα ιστού όγκου θα πρέπει να τοποθετηθούν με ακρίβεια σε βιοαποτυπωμένους αγγειοποιημένους παρεγχυματικούς ιστούς για να μελετηθεί η ανάπτυξή τους, η διείσδυση των κυττάρων του όγκου και η εξαγγείωση.

Ο τομέας της συνθετικής βιολογίας έχει γιγαντωθεί την τελευταία δεκαετία, έχοντας μεγάλη επιρροή σε τομείς όπως η μεταβολική μηχανική, η μηχανική πρωτεϊνών, η ψηφιακή βιολογία και η μηχανική ολόκληρου του γονιδιώματος.

Τεχνολογίες Βιοαισθητήρων & Βιοτσίπ: Συμμετοχή στο μελλοντικό βιώσιμο μέλλον

Ο τομέας της συνθετικής βιολογίας έχει γιγαντωθεί την τελευταία δεκαετία, έχοντας μεγάλη επιρροή σε τομείς όπως η μεταβολική μηχανική, η μηχανική πρωτεϊνών, η ψηφιακή βιολογία και η μηχανική ολόκληρου του γονιδιώματος. Στο πλαίσιο επαναληπτικών κύκλων ανάπτυξης “σχεδιασμός-κατασκευή-δοκιμή”, έχει πραγματοποιηθεί ένα σημαντικό μέρος της καινοτομίας συνθετικής βιολογίας. Στον τομέα της συνθετικής βιολογίας, η πρόοδος μπορεί να συσχετιστεί με καινοτομίες σε κάθε μία από τις διαδικασίες «σχεδιασμού», «κατασκευής» και «δοκιμής». Για παράδειγμα, έχει γίνει μια σημαντική ώθηση για την τυποποίηση στοιχείων της συνθετικής βιολογίας, με σημαντική προσοχή που δίνεται στην αρθρωτότητα και τα στοιχεία “plug and play”. Αυτή η διαμόρφωση, μαζί με την επιταχυνόμενη πρόοδο στη βιολογία των συστημάτων, επέτρεψε στο στάδιο του «σχεδιασμού» να γίνει λιγότερο χρονοβόρο και λιγότερο εξαρτημένο από την προηγμένη γνώση. Τα τελευταία χρόνια, το κόστος της αλληλουχίας και της σύνθεσης του DNA έχει επίσης μειωθεί δραματικά, επιτρέποντας τη σύνθεση φθηνών μεγάλων κατασκευών. Στη φάση της «κατασκευής», αυτό διευκόλυνε μια ταχεία βελτίωση, βοηθώντας τους ερευνητές να διερευνήσουν ένα μεγαλύτερο ποσοστό του χώρου του βιολογικού διαλύματος. Τέλος, στο στάδιο της «δοκιμαστικής» συνθετικής βιολογίας, ο προσυμπτωματικός έλεγχος υψηλής απόδοσης έχει γίνει επίσης ένα σημείο εστίασης. Το αυξημένο δυναμικό “σχεδίασης” και “κατασκευής” συνέβαλε στην αυξημένη ζήτηση επιτυχίας στην εκτίμηση της πληθώρας νέων σχεδίων. Με τη σειρά του, αυτό έγινε με την ενσωμάτωση ρομπότ και ανάλυσης υψηλής απόδοσης στο εργαστηριακό περιβάλλον, στο οποίο νέα μοντέλα μπορούν να αξιολογηθούν σε επίπεδο που δεν είναι εφικτό για τους ερευνητές.

Οι βιοαισθητήρες αντιπροσωπεύουν μια πρωτοποριακή αναδυόμενη τεχνολογία για τον έλεγχο υψηλής απόδοσης που μπορεί να εφαρμοστεί. Πιο συγκεκριμένα, ταξινομείται ως αναλυτικό εργαλείο αποτελούμενο από βιολογικά συστατικά που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση και τη δημιουργία σήματος για την παρουσία ενός υποκαταστάτη -στόχου. Η συνθετική βιολογία βρίσκεται στην πρώτη γραμμή των βιοαισθητήρων, τόσο ως εργαλείο για διαλογή υψηλής απόδοσης, όσο και ως άμεσο αποτέλεσμα εξελίξεων στον ίδιο τον τομέα της συνθετικής βιολογίας. Επιπλέον, λόγω της απαράμιλλης ιδιαιτερότητας και ευαισθησίας που παρέχουν τα βιολογικά μέρη σε σχέση με τις συμβατικές αναλυτικές μεθόδους, οι βιοαισθητήρες έχουν αποκτήσει εκτεταμένο ενδιαφέρον ως εναλλακτικές λύσεις για την παραδοσιακή ανάλυση.

Ο σχεδιασμός και η κατασκευή βιοαισθητήρων είναι μια πολυεπιστημονική προσπάθεια και μπορεί να περιλαμβάνει εξειδίκευση σε τομείς όπως η πρωτεϊνική μηχανική, η μοριακή βιολογία, η χημεία συγγένειας, η μοριακή δυναμική του νουκλεϊκού οξέος, οι επιστήμες των υλικών και η νανοτεχνολογία. Οι βιοαισθητήρες διασυνδέονται με έναν υποκαταστάτη -στόχο στο πιο απλό τους στάδιο, υφίστανται κάποιο είδος τροποποίησης και παράγουν σήμα. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία πιθανών διαμορφώσεων σε όλα τα μέρη αυτής της διαδικασίας. Οι προσδέτες -στόχοι κυμαίνονται από μεμονωμένα άτομα όπως το ασβέστιο, έως ολόκληρες πρωτεΐνες όπως η θρομβίνη, σε όλη τη διαδρομή. Διαδικασίες τόσο διαφορετικές όσο η ενζυματική δραστηριότητα, ο φθορισμός, η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και η μεταγραφική δραστηριότητα περιλαμβάνουν σήματα εξόδου. Οι μηχανισμοί που μετατρέπουν την αναγνώριση συνδέτη σε λειτουργικά σήματα είναι εξίσου διαφορετικοί.

Στον τομέα της ανάλυσης, οι βιοαισθητήρες αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός. Προκειμένου να απομακρυνθούν τα αναλυτικά στοιχεία από αμιγώς πλαίσια που βασίζονται στη φυσική ή τη χημεία, έχει ξεκινήσει η ενσωμάτωση βιολογικών συστατικών στην αισθητηριακή διάγνωση. Αυτό επέτρεψε αναλυτικές λειτουργίες που δεν είναι καλά προσαρμοσμένες στις συμβατικές μεθόδους για τη διεξαγωγή μιας τεράστιας ποικιλίας και ειδικότητας των βιολογικών συστατικών. Οι θεωρητικές και αποδεδειγμένες εφαρμογές βιοαισθητήρων καλύπτουν ένα σημαντικό εύρος της ανθρώπινης κοινωνίας και δραστηριότητας. Οι εφαρμογές βιοαισθητήρων ομαδοποιούνται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με την κλίμακα μέτρησής τους.

• Ομαδικά Διαγνωστικά: Περιβαλλοντικές, Γεωργικές και Βιομηχανικές Εφαρμογές
• Διαγνωστικά σημεία χρήσης: Ιατρικές εφαρμογές και εφαρμογές ασφαλείας
• Διαγνωστικά με ένα κύτταρο: Εφαρμογές μεταβολικής μηχανικής και συνθετικής βιολογίας

Η τρέχουσα παραγωγή τροφίμων αντιμετωπίζει τεράστιες προκλήσεις από τον αυξανόμενο ανθρώπινο πληθυσμό, τη διατήρηση καθαρών πόρων και την ποιότητα των τροφίμων και την προστασία του περιβάλλοντος και του κλίματος. Η βιωσιμότητα των τροφίμων είναι κυρίως μια συνεργασία που καταλήγει στην ανάπτυξη της τεχνολογίας που χρηματοδοτείται τόσο από κυβερνήσεις όσο και από εταιρείες. Έχουν υποστηριχθεί αρκετές προσπάθειες για να ξεπεραστούν οι προκλήσεις και να βελτιωθούν οι οδηγοί στην παραγωγή τροφίμων. Μέσω των εφαρμογών τους, οι βιοαισθητήρες και οι τεχνολογίες βιοαισθητοποίησης χρησιμοποιούνται ευρέως για να λύσουν τις μεγάλες προκλήσεις της παραγωγής τροφίμων και τη βιωσιμότητά της. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για τεχνολογία βιοαισθητοποίησης στον τομέα της βιωσιμότητας των τροφίμων. Ένα τεχνολογικό σύστημα που συνδυάζει πολλές τεχνολογίες ορίζεται από τα μικρορευστά. Τα νανοϋλικά, με την τεχνολογία βιοαισθητοποίησης, είναι γνωστό ότι είναι το πιο καινοτόμο εργαλείο που σχετίζεται έντονα με τους παγκόσμιους πληθυσμούς στην αντιμετώπιση θεμάτων υγείας, ενέργειας και περιβάλλοντος. Η ανάγκη για τεχνολογία σημείου φροντίδας (POC) σε αυτόν τον τομέα εστιάζει σε αναλυτικά εργαλεία που είναι γρήγορα, απλά, ακριβή, συμπαγή και χαμηλού κόστους.

Για την ύπαρξη και τη ζωή μας, το φαγητό με τη βιομηχανία παραγωγής του είναι απαραίτητο και η βιωσιμότητά του είναι απαραίτητη για τη συνεχή ανθρώπινη ανάπτυξη στον πλανήτη. Η τρέχουσα παραγωγή τροφίμων αντιμετωπίζει τεράστιες δυσκολίες από την αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού, τη διατήρηση καθαρών πόρων και την ποιότητα των τροφίμων και την προστασία του περιβάλλοντος και του κλίματος. Ορισμένα από αυτά τα θέματα προέρχονται από την ίδια την παραγωγή τροφίμων. άλλοι προέρχονται από άλλες βιομηχανίες που σχετίζονται με την παραγωγή τροφίμων. Οι ανακλήσεις τροφίμων, για παράδειγμα, προκαλούν μεγάλη ζημιά στην αξιοπιστία και το κύρος των εμπορικών σημάτων τροφίμων, με μια εκτίμηση 15 εκατομμυρίων δολαρίων ανά περιστατικό τα τελευταία χρόνια. 48 εκατομμύρια αθενών είναι υπεύθυνα για 3000 θανάτους ετησίως λόγω τροφιμογενών ασθενειών.

Η ασφάλεια των τροφίμων είναι σε μεγάλο βαθμό μια συνεργασία που προκύπτει τόσο από κυβερνήσεις όσο και από εταιρείες στην ανάπτυξη τεχνολογίας. Προκειμένου να τεθούν νέες προκλήσεις σε θέματα ασφάλειας τροφίμων, οι τεχνολογίες πληροφοριών όπως η τεχνολογία blockchain μπορούν να επιταχύνουν την επικοινωνία μεταξύ της ποιότητας των τροφίμων, των μέσων ενημέρωσης και των καταναλωτών. Πέντε προκλήσεις μπορούν να συνοψιστούν ως οι κύριες προκλήσεις στη βιωσιμότητα της παραγωγής τροφίμων: η πρόκληση της παραγωγής για την ασφάλεια και την ασφάλεια των τροφίμων, την ποιοτική πρόκληση της ποικιλίας και της ποιότητας των τροφίμων · την οικονομική πρόκληση στο κορυφαίο σύστημα τροφίμων, συμπεριλαμβανομένης της συσκευασίας και της αλυσίδας εφοδιασμού · την περιβαλλοντική πρόκληση, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας των απορριμμάτων τροφίμων · και η μηχανική πρόκληση στη δημιουργία και παραγωγή νέων τροφίμων.

Βασικά, ένας βιοαισθητήρας είναι ένα αναλυτικό όργανο που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μορίου που ενδιαφέρει ένα δείγμα (στόχος). Γενικά, χρησιμοποιείται ένας παράγοντας βιοανάγνωσης (απταμερές, αντίσωμα, ένζυμο κ.λπ.) που είναι μοναδικός για τον στόχο. Ένα φυσικοχημικό ή βιολογικό σήμα προκαλείται από γεγονότα μοριακής αναγνώρισης μεταξύ του στοιχείου αναγνώρισης και της ένωσης -στόχου, η οποία μετατρέπεται σε μετρήσιμη ποσότητα από τον μετατροπέα. Τα σήματα εμφανίζονται είτε σε οπτικό (χρωματομετρικό, φθορισμό, χημειοφωταύγεια και συντονισμό επιφάνειας πλάσμον) είτε σε ηλεκτρικό (βολταμετρία, σύνθετη αντίσταση και χωρητικότητα) ή σε οποιαδήποτε άλλη επιλεγμένη μορφή (Εικόνα 3).

Εικόνα 3. Ταξινόμηση βιοαισθητήρων με βάση μορφοτροπέα και στοιχεία βιοανάγνωσης που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση τροφίμων

Ως ένας από τους πρωταρχικούς στόχους της ανάλυσης τροφίμων, η ασφάλεια των τροφίμων αποτελεί μείζον ζήτημα υγείας τόσο στη ζωή των ζώων όσο και των ανθρώπων. Η πρόοδος της αναλυτικής τεχνολογίας για την ασφάλεια των τροφίμων σημαίνει ότι ευδοκιμεί σύμφωνα με το αυξανόμενο ενδιαφέρον και έμφαση σε θέματα ασφάλειας εφοδιασμού τροφίμων. Στην ανάλυση της ασφάλειας των τροφίμων, οι παραδοσιακές προσεγγίσεις είναι απαιτητικές, χρονοβόρες και χρειάζονται εκπαιδευμένους τεχνικούς. Η εφαρμογή των μικρορευστών στην ανάλυση της ασφάλειας των τροφίμων παρέχει νέα εικόνα για τον τρόπο ανίχνευσης αποτελεσματικών και ταχέων τοξινών, αλλεργιογόνων, παθογόνων, επικίνδυνων ουσιών, και άλλων μολυσματικών ουσιών. Τα χαρακτηριστικά των μικρορευστών, όπως η μικροσκοπική ικανότητα, οι συμπαγείς και μειώσιμες ποσότητες δειγμάτων και αντιδραστηρίων, το καθιστούν μια τέλεια τεχνολογία για την ανάπτυξη της βιωσιμότητας των τροφίμων. Η σύνθετη προετοιμασία της μήτρας τροφίμων και τα δύσκολα στάδια παραγωγής είναι οι τρέχουσες προκλήσεις στην εφαρμογή των μικρορευστών στη βιωσιμότητα των τροφίμων. Αυτές οι προκλήσεις μπορούν να αντιμετωπιστούν αξιοποιώντας τις φυσικές ιδιότητες που εξαρτώνται από συγκεκριμένους στόχους δοκιμών, σχεδιάζοντας σύνθετες μικρορευστολογικές πλατφόρμες πραγματικής ανάλυσης τροφίμων και ενσωματώνοντας βιομορια σε μικρορευστικά συστήματα όπως πρωτεΐνες τροφίμων και DNA.

Νανοϋλικά στην τεχνολογία βιοαισθητοποίησης

Με την τεχνολογία βιοαισθητοποίησης, τα νανοϋλικά είναι το πιο ελπιδοφόρο εργαλείο για την αντιμετώπιση προβλημάτων υγείας, ενέργειας και περιβάλλοντος που σχετίζονται με τον πληθυσμό στον κόσμο. Σωματίδια μικρότερα από 100 nm σε τουλάχιστον μία διάσταση μεγέθους είναι γνωστά ως νανοϋλικά. Αυτά τα νανοϋλικά είναι βιοσύνθετα πολυμερή βασισμένα σε μέταλλο, οξείδιο μετάλλου και άνθρακα και έχουν δημιουργηθεί διάφοροι τύποι νανοσωματιδίων, όπως μαγνητικός σίδηρος, αλουμίνιο, χρυσός, ασήμι, χαλκός, πυρίτιο, ψευδάργυρος, οξείδιο ψευδαργύρου, οξείδιο του δημητρίου και νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου, και νανοσωλήνες άνθρακα μονής/πολλαπλών τοιχωμάτων (CNT). Η νανοτεχνολογία και η γεωργική της ανάπτυξη έχουν επεκταθεί σε πολλούς τομείς. Αυτοί οι τομείς περιλαμβάνουν την παραγωγή τροφίμων, την προστασία των καλλιεργειών, τον εντοπισμό παθογόνων και τοξινών, τον καθαρισμό του νερού, τη συσκευασία τροφίμων, τη διάθεση λυμάτων και την περιβαλλοντική αποκατάσταση. Η βελτίωση της παραγωγικότητας και της απόδοσης των εφαρμογών αποτελεί προτεραιότητα αυτών των γεωργικών τομέων.

Στον τομέα της ασφάλειας και της προστασίας των τροφίμων, έχουν αναπτυχθεί τεχνολογίες βιοαισθητοποίησης για ανίχνευση θρεπτικών συστατικών και ποιότητας, ανίχνευση παθογόνων παραγόντων και ανίχνευση τοξινών, όπως παρατίθεται παρακάτω.

Ανίχνευση θρεπτικών συστατικών και ποιότητας

Τα μέτρα προστασίας των τροφίμων μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: απώλεια μετά τη συγκομιδή και βιοασφάλεια τροφίμων. Η βιοασφάλεια των τροφίμων σημαίνει μόλυνση και υποβάθμιση των τροφίμων, η οποία αντιμετωπίζεται στις επόμενες ενότητες, από περιβαλλοντικό, πολιτικό, αθέμιτο οικονομικό κέρδος, πόλεμο ή απαιτητική εκδίκηση. Η απώλεια μετά τη συγκομιδή, από την άλλη πλευρά, υποδηλώνει τα θρεπτικά συστατικά και τις βρώσιμες συνθήκες στα τρόφιμα που πρέπει να διατηρηθούν μεταξύ της περιόδου συγκομιδής και της στιγμής κατανάλωσης από τις τεχνολογίες. Δεδομένου ότι ο χρόνος διαφέρει από λεπτά σε χρόνια, στη διατήρηση και τη μείωση των απωλειών, οι τεχνολογίες που επικεντρώνονται στη μείωση των απωλειών μετά τη συγκομιδή είναι σημαντικές.

Για να διατηρηθεί η ποιότητα των τροφίμων και να αποφευχθούν οι απώλειες μετά τη συγκομιδή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί νέα τεχνολογία όπως η βιοαισθητοποίηση. Οι βιοαισθητήρες έχουν αναπτυχθεί, για παράδειγμα, για να ανιχνεύσουν και να αναλύσουν ποσότητες γλυκαντικών σε τρόφιμα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό φυσικών και τεχνητών γλυκαντικών. Τα γλυκαντικά χρησιμοποιούνται ευρέως στην παραγωγή και την επεξεργασία τροφίμων, αλλά πρόσφατα εντοπίστηκαν στους ανθρώπους ότι προκαλούν προβλήματα υγείας. Ένας βιοαισθητήρας πολλαπλών καναλιών έχει αναπτυχθεί για να χρησιμοποιεί την ηλεκτροφυσιολογική ανίχνευση από τα επιθηλιακά της γεύσης για την ανίχνευση και ανάλυση φυσικών και τεχνητών γλυκαντικών. Για την ανίχνευση μακροπρόθεσμων σημάτων από σακχαρόζη, γλυκόζη, κυκλαμικό και σακχαρίνη, αντίστοιχα, τα σήματα μελετώνται μέσω χωροχρονικών τεχνικών. Ο βιοαισθητήρας μπορεί να κάνει διάκριση μεταξύ διαφορετικών συγκεντρώσεων με δοσοεξαρτώμενες αυξημένες αποκρίσεις του γευστικού επιθηλίου από διαφορετικά γλυκαντικά. Μπορεί επίσης να κάνει διάκριση μεταξύ δύο φυσικών γλυκαντικών: σακχαρόζη και γλυκόζη, με δύο μοτίβα σήματος. Για τη γλυκόζη, το εύρος ανίχνευσης είναι 50-150 mM, και για τη σακχαρίνη, 5-15 mM.

Ανίχνευση παθογόνων παραγόντων

Λόγω της μειωμένης μορφής τους, οι βιοαισθητήρες που στοχεύουν στην ανίχνευση παθογόνων όπως βακτήρια (πίνακας 1) και μύκητες (πίνακας 2) ξεκίνησαν πριν από περισσότερες από δύο δεκαετίες. μία συσκευή για την αντιμετώπιση πολλαπλών προβλημάτων και ανίχνευση σήματος πολλαπλών πινάκων. Το μοτίβο συνδέτη είναι ένα κρίσιμο στοιχείο στο σχεδιασμό του βιοαισθητήρα για την ανίχνευση παθογόνων, καθώς καθορίζει την ευαισθησία και την αποτελεσματικότητα της συσκευής. Ο στόχος είναι να δημιουργηθεί μια γρήγορη, συγκεκριμένη και ευαίσθητη πλατφόρμα για τον εντοπισμό στα δείγματα τροφίμων της παρουσίας ή απουσίας παθογόνων παραγόντων. Έχει ανακαλυφθεί ότι δεν υπάρχει ιδανικός υποκαταστάτης, και διάφοροι υποκαταστάτες έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα. Ο συνδυασμός βιοϋποδοχέων για την ανίχνευση μιας μεγάλης ποικιλίας μικροβίων σε διαφορετικά δείγματα θέτει τρέχουσες προκλήσεις στην ανίχνευση βιοαισθητήρων παθογόνων. νέα σχέδια συνθετικών συνδετών όπως απταμερή, μικρά μόρια και πεπτίδια και την ενσωμάτωση διαφορετικών υποκαταστατών σε μια φορητή συσκευή για την επίτευξη ταχείας, αποτελεσματικής και χαμηλού κόστους ανίχνευσης.

Ανίχνευση τοξινών

Η κύρια εξέλιξη της ασφάλειας των τροφίμων είναι οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες για την ταχεία ανίχνευση και εκτίμηση των τροφικών τοξινών. Πολλές πλατφόρμες έχουν αναπτυχθεί για να επιτρέπουν στις εξατομικευμένες και εξατομικευμένες συσκευές να πληρούν συγκεκριμένες περιβαλλοντικές και οργανωτικές απαιτήσεις και να φτάνουν τα όρια ανίχνευσης nM έως fM. Για παράδειγμα, για να ενθαρρύνουν μοναδικά δεσμευτικά προφίλ, οι συστοιχίες βιοϋποδοχέων απευθύνονται σε μεμονωμένα ηλεκτρόδια που λειτουργούν με διαφορετικούς βιοϋποδοχείς με δεσμευτικούς στόχους. Εκτός από την ηλεκτροχημική βιοαισθητοποίηση, η τοξίνη και η χημική ανίχνευση στην παραγωγή τροφίμων έχουν εφαρμοστεί σε άλλους βιοαισθητήρες όπως η οπτική και η πιεζοηλεκτρική ανίχνευση (Εικόνα 4). Για την αίσθηση των τοξινών, φθορίζοντα νανοσωματίδια έχουν παραχθεί σε τρόφιμα και σώματα, συμπεριλαμβανομένων των επιφανειακών, ενδοκυτταρικών και ενδοκυτταρικών τροφών.

Εικόνα 4. Κυρίαρχοι ρύποι τροφίμων και αναλυτές στόχοι στις βιομηχανίες παραγωγής τροφίμων

Η εξαγωγή τοξίνης από περίπλοκα δείγματα τροφίμων είναι ένα από τα κύρια εμπόδια στη δημιουργία ενός πλήρως αυτοματοποιημένου ανιχνευτή τοξινών. Για να εκτιμηθούν αυτόματα τα επιβλαβή τους επίπεδα από δείγματα τροφίμων και νερού, τα πιθανά συστήματα αναμένεται να εξαγάγουν, να επεξεργαστούν και να μετρήσουν τις τοξίνες. Κατά τον εντοπισμό, τη διάκριση και τον ποσοτικό προσδιορισμό των χημικών τοξινών σε μήτρες τροφίμων, συνδυάστηκαν εξελιγμένες στρατηγικές διαχωρισμού με το SERS. Επιπλέον, παρόλο που είναι συνήθως σε μικρότερες ποσότητες, οι χημικοί μολυσματικοί παράγοντες από την επεξεργασία των τροφίμων μπορεί να είναι μια πρόκληση. Η χαμηλότερη σταθερότητα, η επιλεκτικότητα και η ευαισθησία είναι μια άλλη πρόκληση στην ανίχνευση τοξινών τροφίμων, όπου τα MIP μπορούν να είναι μια λύση για την παροχή σταθερών και χαμηλού κόστους εναλλακτικών λύσεων.

Τα βαρέα μέταλλα όπως Ag⁺, As³⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Pb²⁺, and Zn²⁺ είναι γνωστά ως χημικοί ρύποι που σχηματίζουν σταθερές καταστάσεις οξείδωσης και παρεμβαίνουν στα μεταβολικά μονοπάτια, με αποτέλεσμα προβλήματα υγείας. Οι βιοαισθητήρες Aptamer και DNA μπορούν να ανιχνεύσουν βαρέα μέταλλα τόσο σε νανοκλίμακα όσο και σε πολύ μεγάλης κλίμακας επίπεδα, τα οποία είναι κατάλληλα για τον έλεγχο και την παρακολούθηση της ασφάλειας των τροφίμων. Για να ανιχνευθεί το αρσενικό στα τρόφιμα, ένας βιοαισθητήρας ανίχνευσης βαρέων μετάλλων βασίζεται σε γενετικά τροποποιημένα βακτηριακά κύτταρα και έναν πράσινο, φθορίζοντα ενισχυτή σήματος. Με εύρος ανίχνευσης 5-140 μg/L αρσενικού, η ανίχνευση αρσενικού διαρκεί μόνο μία ώρα και μπορεί να ενσωματωθεί με οπτική ισχύ εξόδου για τη μελλοντική βιοαισθητοποίηση οπτικών ινών. Άλλες τεχνολογίες βιοαισθητοποίησης όπως τα απτάμερα, τα νανοσωματίδια και τα ηλεκτρόδια γραφενίου έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στην αναγνώριση και την αξιολόγηση του αρσενικού, με τη δυνατότητα να παράγονται ως γρήγορες, απλές, εύχρηστες και χαμηλού κόστους συσκευές.

Η νανοτεχνολογία έχει προσαρμοστεί σε δύο χωριστά πεδία γεωργικών τροφίμων: ως φορέας χορήγησης φυτοφαρμάκων για τη διαχείριση φυτοφαρμάκων και ως ανιχνευτής ιχνοστοιχείων για φυτοφάρμακα. Στο πρώτο πεδίο, τα νανοσωματίδια μπορούν να τροποποιήσουν αργά τα φυτοφάρμακα για να στοχεύσουν τα παράσιτα εντόμων, γεγονός που βοηθά στην πρόληψη της ρύπανσης των υπόγειων υδάτων και του επιφανειακού εδάφους, μειώνει τα επίπεδα φυτοφαρμάκων και βελτιώνει την αποδοτικότητα. Στο δεύτερο πεδίο, η βιο-ή βιομιμητική νανοτεχνολογία, όπως αντισώματα, ένζυμα, απταμερή και μακρομόρια που μοιάζουν με MIP, βελτιώνει τη σταθερότητα, την εκλεκτικότητα, την ευαισθησία και την ταχύτητα ανίχνευσης. Επιπλέον, τα βακτηριακά, τα μυκητιακά, τα φύκια και τα θηλαστικά είναι κύτταροι βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται στην ανίχνευση φυτοφαρμάκων και ζιζανιοκτόνων, βοηθώντας στη δημιουργία γρήγορων, αξιόπιστων, πραγματικών και οικονομικά αποδοτικών εργαλείων για διαδικασίες απολύμανσης και πρόληψης τραυματισμών.

Οι καρκινογόνες ουσίες, οι μυρωδιές και οι θαλάσσιοι ρύποι είναι άλλες τοξίνες που είναι σημαντικές στην παραγωγή τροφίμων. Οι καρκινογόνες ουσίες είναι μια σύνθετη ομάδα ιχνοστοιχείων τοξινών, όπως φυτοφάρμακα, βαρέα μέταλλα, μυκοτοξίνες και ακρυλαμίδιο, στην οποία η δυσκολία εντοπισμού ιχνοστοιχείων αποτελεί πρόκληση. και τα αποτυπωμένα απταμερή, η νανοτεχνολογία και η βιοαισθητοποίηση είναι αισιόδοξα για πολλά υποσχόμενη μελλοντική χρήση. Ευαίσθητα και διαλυτά μόρια αποτελεσματικά στην ανίχνευση οσμών για οσφρητικά ζωικά συστήματα είναι πρωτεΐνες που δεσμεύουν οσμή. Έχει δημιουργηθεί ένας νανοαισθητήρας που συνδυάζει τοπικό SPR και μικρές οσμές που δεσμεύουν πρωτεΐνες από μέλισσες, στο οποίο η περιοχή ανίχνευσης είναι 10 nM – 1 mM χρησιμοποιώντας μια ποσοτική σειρά νανοκουπών. Για την παρακολούθηση και τη διατήρηση ενός σταθερού περιβάλλοντος για τα συστήματα θαλάσσιων τροφίμων, χρησιμοποιείται η ανίχνευση θαλάσσιων μολυντών. Τέλος, μέσω των ευαίσθητων δυνατοτήτων ανίχνευσης, των μικροσκοπικών συσκευών, της ασύρματης επικοινωνίας και των δικτύων μικρής κλίμακας, οι βιοαισθητήρες μπορούν να εφαρμοστούν στην ασφάλεια των θαλάσσιων τροφίμων που θα καθιερωθούν ως προηγμένα εργαλεία ανάλυσης και παρακολούθησης.

Ένα άλλο κιτ ανάπτυξης βιοαισθητήρων για την ασφάλεια των τροφίμων επικεντρώνεται στην ανίχνευση γενετικά τροποποιημένων οργανισμών (ΓΤΟ) σε τρόφιμα. Από τη δεκαετία του 1990, οι ΓΤΟ σε όλους τους τομείς των γεωργικών προϊόντων θεωρούνται επανάσταση στη βιοτεχνολογία. Μέχρι σήμερα, περισσότερο από το 45 % της σόγιας στον κόσμο, το 40 % του καλαμποκιού και το 50 % του βαμβακιού είναι ΓΤ προϊόντα και οι ΓΤΟ χρησιμοποιείται επίσης στην κτηνοτροφία. Πρόσφατη έρευνα, ωστόσο, δείχνει ότι τα προϊόντα ΓΤΟ μπορούν να επηρεάσουν ανθρώπινα και ζωικά σώματα μέσω γαστρεντερικών προβλημάτων, αντοχής στα αντιβιοτικά, αλλεργιογένεσης, ποικιλίας υποβάθμισης των αγροτικών προϊόντων και ανεπιθύμητης ροής γονιδίων σε άλλα είδη. Οι βιοαισθητήρες έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση των ΓΤΟ σε τρόφιμα και ζωοτροφές χρησιμοποιώντας ισοθερμική ενίσχυση DNA και ανίχνευση σήματος ταχείας ανίχνευσης για τον εντοπισμό ΓΤ γονιδίων. Η ανίχνευση μη αναγνωρισμένων γονιδίων DNA που μπορούν να επιλυθούν με τεχνολογία υψηλής απόδοσης, όπως ο συνδυασμός βιοαισθητοποίησης και συστοιχιών, και η ανάπτυξη βάσεων δεδομένων με γονίδια ΓΤΟ είναι οι βασικές προκλήσεις στην ανίχνευση ΓΤΟ.

Βιοαισθητήρες & Βιοτσίπ για παρακολούθηση του περιβάλλοντος

Λόγω της ισχυρής σύνδεσης μεταξύ ρύπανσης του περιβάλλοντος και ανθρώπινης υγείας/ κοινωνικοοικονομικής προόδου, η παρακολούθηση του περιβάλλοντος έχει καταστεί μία από τις προτεραιότητες σε ευρωπαϊκή και παγκόσμια κλίμακα. Οι βιοαισθητήρες έχουν χρησιμοποιηθεί συνήθως ως οικονομικά αποδοτικές, γρήγορες, επί τόπου και τεχνικές ανάλυσης σε πραγματικό χρόνο σε αυτόν τον τομέα. Η πρόσφατη ανάπτυξη βιοαισθητήρων με νέα υλικά μεταγωγής που προέρχονται από τη νανοτεχνολογία και για πολλαπλή ανίχνευση ρύπων, με τη συμμετοχή πολυεπιστημονικών ειδικών, εξηγεί την ανάγκη για συμπαγείς, γρήγορες και έξυπνες συσκευές βιοαισθητοποίησης. Αρκετές πρόσφατες εξελίξεις υπάρχουν στην παρακολούθηση των ρύπων του αέρα, του νερού και του εδάφους από βιοαισθητήρες σε πραγματικές συνθήκες, όπως φυτοφάρμακα, πολύ τοξικά συστατικά και μικρά οργανικά μόρια, συμπεριλαμβανομένων τοξινών και χημικών που διαταράσσουν ενδοκρινικά.

Οι βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται στην περιβαλλοντική παρακολούθηση μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως οπτικοί (συμπεριλαμβανομένων των βιοαισθητήρων οπτικών ινών και επιφανειακού συντονισμού πλάσματος), ηλεκτροχημικοί (συμπεριλαμβανομένων των βιοαισθητήρων αμπερομετρικών και σύνθετων αντιστάσεων) και πιεζοηλεκτρικοί (συμπεριλαμβανομένων των βιοαισθητήρων μικροζυγοσταθμίσεων κρυστάλλου χαλαζία) με βάση τη μεταγωγή τους ή ως ανοσοαισθητήρες, ευαισθητήρες, γεννητήρες και ενζυματικοί βιοαισθητήρες με βάση τα στοιχεία αναγνώρισής τους, αντίστοιχα όταν χρησιμοποιούνται αντισώματα, απταμερή, νουκλεϊκά οξέα και ένζυμα. Η πλειοψηφία των βιοαισθητήρων στην περιβαλλοντική παρακολούθηση αναγνωρίζονται ως ανοσοαισθητήρες και ενζυματικοί βιοαισθητήρες, αλλά η ανάπτυξη των απτοαισθητήρων έχει αυξηθεί πρόσφατα λόγω των ευεργετικών χαρακτηριστικών των απταμερών, όπως η ευκολία τροποποίησης, η θερμική σταθερότητα, η σύνθεση in vitro και η ικανότητα σχεδιασμού της δομής τους, να διαφοροποιήσουν στόχους με διαφορετικές λειτουργικές ομάδες και να επαναυβριδοποιήσουν.

Μελέτη για το σχεδιασμό βιοαισθητήρων για την παρακολούθηση οργανικών ρύπων, δυνητικά τοξικών στοιχείων και παθογόνων παραγόντων στο περιβάλλον έχει οδηγήσει στη βιώσιμη ανάπτυξη του πολιτισμού λόγω των περιβαλλοντικών ρύπων που αντιμετωπίζει η ανθρώπινη υγεία. Διάφορες χρωματογραφικές τεχνικές (όπως αέρια χρωματογραφία και υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης σε συνδυασμό με τριχοειδή ηλεκτροφόρηση ή φασματομετρία μάζας) είναι συμβατικές αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την περιβαλλοντική παρακολούθηση των ρύπων, αλλά απαιτούν δαπανηρά αντιδραστήρια, χρονοβόρο προεπεξεργασία δείγματος και δαπανηρό εξοπλισμό. Ως εκ τούτου, για την παρακολούθηση των ρύπων που είναι υπεύθυνες για δυσμενείς επιπτώσεις στους βιότοπους και την ανθρώπινη υγεία, χρειάζονται απελπιστικά πιο ευαίσθητες, οικονομικά αποδοτικές, γρήγορες, εύχρηστες και συμπαγείς συσκευές βιοαισθητοποίησης για να ξεπεραστεί η μεγέθυνση των περιβαλλοντικών ζητημάτων. Σε περίπτωση τυχαίας απελευθέρωσης φυτοφαρμάκων ή οξείας δηλητηρίασης, για παράδειγμα, οι κοινές μέθοδοι δεν είναι κατάλληλες για επιτόπιες μετρήσεις όπου απαιτείται γρήγορος, μικροσκοπικός και φορητός εξοπλισμός όπως βιοαισθητήρες παρακολούθησης του περιβάλλοντος. Από αυτή την άποψη, ο ρόλος της νανοτεχνολογίας στη δημιουργία ταχείων και ευφυών συσκευών βιοαισθητοποίησης είναι καθοριστικός για την επιτυχία της ανίχνευσης περιβαλλοντικών ρύπων. Οι πιο πρόσφατοι βιοαισθητήρες περιλαμβάνουν νανοϋλικά και νέα νανοσύνθετα στα συστήματά τους, τα οποία είναι ευεργετικά για τη βελτίωση της αναλυτικής απόδοσης, όπως η ευαισθησία και τα όρια ανίχνευσης.

Για την ανίχνευση και την παρακολούθηση διαφόρων περιβαλλοντικών ρύπων, έχουν τεκμηριωθεί βιοαισθητήρες, συμπεριλαμβανομένων ανοσοαισθητήρων, απταισθητήρων, γεννητήρων και ενζυματικών βιοαισθητήρων, χρησιμοποιώντας αντισώματα, απταμερή, νουκλεϊκά οξέα και ένζυμα ως στοιχεία αναγνώρισης.

Φυτοφάρμακα

Τα φυτοφάρμακα είναι από τους σημαντικότερους περιβαλλοντικούς ρύπους λόγω της μεγάλης παρουσίας τους στο περιβάλλον. Τα εντομοκτόνα οργανικού φωσφόρου, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται συνήθως στη γεωργία και αντιπροσωπεύουν μια ομάδα φυτοφαρμάκων τα οποία, λόγω της υψηλής τοξικότητάς τους, αποτελούν τεράστιο περιβαλλοντικό ενδιαφέρον. Ως εκ τούτου, καθιερώθηκαν εύκολες, ανταποκρινόμενες και μικροσκοπικές μεθοδολογίες επί τόπου, όπως οι βιοαισθητήρες, ως αναλυτικές στρατηγικές για τον εντοπισμό και την παρακολούθησή τους, χωρίς να απαιτείται πλήρης προεπεξεργασία τουδείγματος.

Προτάθηκαν μίας χρήσης αμπερομετρικοί ενζυματικοί βιοαισθητήρες (ακετυλοχολινεστεράση) για την ανίχνευση εντομοκτόνων οργανικού φωσφόρου χρησιμοποιώντας paraoxon ως πρότυπο αναλύτη που εφαρμόζει αυτοσυναρμολογημένη μονοστιβάδα κυστεαμίνης σε ηλεκτρόδια με εκτύπωση χρυσού. Οι βιοαισθητήρες μιας χρήσης έδειξαν γραμμικό φάσμα έως 40 ppb με όριο ανίχνευσης 2 ppb και ευαισθησία 113 μA mM cm-2. Χρησιμοποιώντας την αυτοσυναρμολογημένη μονοστιβάδα, η καλή αναλυτική απόδοση θα μπορούσε να οφείλεται στην ακινητοποίηση του ενζύμου με υψηλό προσανατολισμό. Ανακτήσεις 97 ± 5 τοις εκατό (n = 3) αναφέρθηκαν μετά από δοκιμή σε δείγματα νερού ποταμών που είχαν κολληθεί με 10 ppb παραόξον, υποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητα τέτοιων ενζυματικών βιοαισθητήρων. Επιπλέον, η χρήση ηλεκτροδίων μίας χρήσης απορρίπτει χρονοβόρες μεθόδους όπως η επαναενεργοποίηση ακινητοποιημένων ενζύμων που χρησιμοποιούν, για παράδειγμα, διάλυμα οβιδοξίμης και ιωδιούχο πραλιδοξίμη (PAM) ή τη χρήση της ανανεώσιμης ενζυμικής μεμβράνης που απαιτείται για τη δεύτερη εφαρμογή βιοαισθητήρων. Το

Τα νανοσωματίδια που βασίζονται σε οξείδιο του ιριδίου έχουν χρησιμοποιηθεί στον ενζυματικό βιοαισθητήρα μιας χρήσης με τυροσινάση βασισμένη σε χαμηλού κόστους ηλεκτρόδια άνθρακα με εκτύπωση για την ανίχνευση χλωροπυρίφου σε δείγματα νερού ποταμών. Αναφέρθηκαν γραμμική απόκριση βιοαισθητήρα (0,01-0,1 μΜ) και χαμηλό όριο ανίχνευσης (3 nM), τα οποία θα μπορούσαν να οφείλονται στην υψηλή αγωγιμότητα των νανοσωματιδίων του οξειδίου του ιριδίου και της αποτελεσματικότητας της τυροσινάσης. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ανάκτησης σε δείγματα νερού ποταμού με την προσθήκη 0,1 μΜ χλωροπυρίφου και ανακτήθηκαν 90 ± 9,6 τοις εκατό με υπολειπόμενη τυπική απόκλιση (RSD) μικρότερη από 10 τοις εκατό (n = 3) για να καταδειχθεί η δυνατότητα εφαρμογής του βιοαισθητήρα.

Η ακεταμιπρίδη ανιχνεύθηκε με χρωματομετρικούς απταισθητήρες και δείγματα νερού από μη μετρητές ευαισθητοποίησης σε πραγματικά περιβαλλοντικά δείγματα, όπως δείγματα εδάφους φρέσκιας επιφάνειας. Παρατηρήθηκε γραμμικό εύρος 75 nM έως 7,5 μM και όριο ανίχνευσης 5 nM με τον χρωματομετρικό απτααισθητήρα, ενώ ένα ευρύτερο γραμμικό εύρος (50 fM έως 10 μM) και ένα χαμηλότερο όριο ανίχνευσης (17 fM) παρατηρήθηκε με τον απινιδόμετρο απτααισθητήρα. Τα νανοσωματίδια χρυσού, οι νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNT) και οι νανοκορδέλες μειωμένου οξειδίου του γραφενίου χρησιμοποιήθηκαν σε αυτόν τον βιοαισθητήρα ως σύνθετο υλικό για τη διατήρηση του απταμερούς ακεταμιπρίδης επιφάνειας ηλεκτροδίου, το οποίο θα μπορούσε να είναι υπεύθυνο για υψηλότερη μεταφορά ηλεκτρονίων και βελτιωμένη αναλυτική απόδοση του βιοαισθητήρα. Ένα σχετικό όριο ανίχνευσης (33 fM) παρατηρήθηκε από έναν απτααισθητήρα βασισμένο σε νανοσωματίδια αργύρου αγκυροβολημένα σε νανοσύνθετο οξείδιο του γραφενίου με νότες αζώτου κατασκευασμένο για ανίχνευση ακεταμιπρίδης σε δείγματα λυμάτων.

Παθογόνοι παράγοντες

Η ύπαρξη παθογόνων παραγόντων σε περιβαλλοντικές μήτρες, και ιδιαίτερα σε υδατικά διαμερίσματα, θα μπορούσε να αποτελέσει σοβαρό κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία και πρόσφατα έχουν προταθεί ορισμένοι βιοαισθητήρες για την παρακολούθηση του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, για την ανίχνευση μεταβολικά δραστικής Legionella pneumophila σε πολύπλοκα περιβαλλοντικά δείγματα νερού, έχουν προταθεί γρήγοροι και ακριβείς οπτικοί βιοαισθητήρες βασισμένοι σε συντονισμό πλασμονίου επιφάνειας. Σε μια μελέτη, η αρχή της ανίχνευσης βασίστηκε στην ταυτοποίηση του βακτηριακού RNA από τον ακινητοποιημένο ανιχνευτή ανιχνευτή RNA στη χρυσή επιφάνεια του βιοτσίπ. Για ενίσχυση σήματος, χρησιμοποιήθηκαν κβαντικές κουκίδες συζευγμένες με στρεπταβιδίνη και η περίοδος ανίχνευσης ήταν περίπου τρεις ώρες, υποδεικνύοντας τη βιωσιμότητα της συσκευής βιοαισθητοποίησης για επιτυχή ανίχνευση βακτηρίων στην περιοχή 104-108 CFU mL^-1.

Δυνητικά τοξικά στοιχεία

Η μόλυνση από βαρέα μέταλλα και αντίστοιχα ιόντα των φυσικών υδάτων μπορεί να θέσει σημαντικούς κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία και οι συμπαγείς, χαμηλού κόστους και γρήγορες αναλύσεις βαρέων μετάλλων αποτελούν παγκόσμια προτεραιότητα. Ως πρότυπος στόχος για τη δοκιμή ενός βιοαισθητήρα οπτικού DNA για την ανίχνευση ιόντων βαρέων μετάλλων που είναι εξαιρετικά τοξικά και συνηθισμένοι ρύποι στο περιβάλλον, χρησιμοποιήθηκαν ιόντα υδραργύρου (Hg²⁺). Ο βιοαισθητήρας ήταν συμπαγής, χαμηλού κόστους και γρήγορος με επιτόπιο έλεγχο Hg²⁺ σε φυσικά νερά σε λιγότερο από 10 λεπτά. Η αρχή της ανίχνευσης επικεντρώνεται στην ικανότητα ορισμένων μεταλλικών ιόντων να δεσμεύονται επιλεκτικά σε ορισμένες βάσεις για να σχηματίσουν σταθερά διπλά DNA με τη μεσολάβηση μετάλλων. στην περίπτωση του Hg²⁺, οι βάσεις θυμίνης μπορούν να συντονιστούν επιλεκτικά για να σχηματίσουν σταθερά σύμπλοκα θυμίνης- Hg²⁺-θυμίνης. Στο εύρος ανίχνευσης μεταξύ 0 και 1000 nM, επιτεύχθηκε όριο ανίχνευσης 1,2 nM, το οποίο είναι χαμηλότερο από τη μέγιστη τιμή που ζήτησε η Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος των Ηνωμένων Πολιτειών (10 nM)

Για την ανίχνευση Pb²⁺ σε δείγματα νερού (δείγματα λίμνης και νερού λίμνης) με χρήση DNA ενζύμων/καρβοξυλιωμένων μαγνητικών σφαιριδίων και απταμερών DNA, προτάθηκαν πρόσφατα δύο οπτικοί βιοαισθητήρες με βάση τον φθορισμό. Τα όρια ανίχνευσης των 5 ηΜ και 61 ηΜ, αντίστοιχα, παρατηρήθηκαν από βιοαισθητήρες βασισμένους σε DNA ένζυμα και απταμερή DNA, με αντίστοιχο εύρος γραμμικής ανίχνευσης από 0 έως 50 ηΜ και 100 έως 1000 ηΜ. Η χρήση μοναδικής βαφής χωρίς ετικέτα (SYBER Green I), η οποία συνδυάστηκε με δίκλωνο DNA, εμφανίζοντας ισχυρές εντάσεις φθορισμού, όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Επιπλέον, η απουσία έντασης φθορισμού βιοαισθητήρα παρατηρείται μόνο με τη βαφή (καμπύλη a ). Με το DNAzyme + Pb²⁺ (καμπύλη b) η ένταση φθορισμού αυξάνεται με την προσθήκη της βαφής + DNAzyme + Pb²⁺, απεικονίζοντας την ευαισθησία του βιοαισθητήρα προς το Pb²⁺.

Εικόνα 5. Φάσματα εκπομπών φθορισμού για ανίχνευση Pb²⁺

Τοξίνες

Επιβλαβείς τοξίνες όπως οι μπρεβετοξίνες και οι μικροκυστίνες δημιουργούνται από τον ευτροφισμό των υδάτινων συστημάτων από τα φύκια των κυανοβακτηρίων, και έτσι απαιτούνται ακριβή και οικονομικά αποδοτικά συστήματα για την έγκαιρη ανίχνευση τέτοιων τοξινών. Για την ευαίσθητη ανίχνευση της μπρεβετοξίνης 2, μιας θαλάσσιας νευροτοξίνης, έχει χρησιμοποιηθεί ένας ηλεκτροχημικός απτααισθητήρας που αποτελείται από ηλεκτρόδια χρυσού που λειτουργούν με αυτοσυναρμολογημένες μονοστιβάδες κυστεαμίνης. Επιτεύχθηκε όριο ανίχνευσης 106 pg mL-1 και παρατηρήθηκε ισχυρή εκλεκτικότητα για τη μπρεβετοξίνη-2 έναντι άλλων τοξινών διαφόρων ομάδων, όπως το οκαδαϊκό οξύ και η μικροκυστίνη. Η σκοπιμότητα του απτασένσορα για την ανίχνευση της brevetoxin-2 σε πραγματικά δείγματα επιτεύχθηκε με την ανάλυση οστρακοειδών και αναφέρθηκαν ισχυρές ανακτήσεις (102-110 %), υποδεικνύοντας καμία αλληλεπίδραση με την απόκριση απτασένσορα από τη μήτρα οστρακοειδών.

Χημικές ενδοκρινικές διαταραχές

Σε δείγματα νερού, η δισφαινόλη Α ανιχνεύθηκε ως ενδοκρινική διαταραχή χημικής ουσίας από ευαισθητοποιητές με βάση την αρχή του φθορισμού με λειτουργικά απταμερή (αμιδίτη φθοροσκεΐνης) και νανοσωματίδια χρυσού και με βάση οπτική ίνα κύματος που φεύγει. Ο απαλαισθητήρας οπτικών ινών με διαβροχή κύματος ήταν συμπαγής και διαπιστώθηκε ότι ήταν γρήγορος, οικονομικά αποδοτικός, ευαίσθητος και επιλεκτικός για την ανίχνευση της δισφαινόλης Α σε δείγματα νερού, χωρίς να απαιτείται κανένα στάδιο προ-συγκέντρωσης ή επεξεργασίας. Επιπρόσθετα, ο απτοαισθητήρας μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί για 90 δευτερόλεπτα με αναγέννηση με διάλυμα 0,5% δωδεκυλοθειικό νάτριο (SDS) και περαιτέρω πλύση με διάλυμα αλατούχου ρυθμιστικού φωσφορικού (PBS) (ρΗ 7,2) για πάνω από εκατό κύκλους ανάλυσης χωρίς καμία αξιοσημείωτη απώλεια αποδοτικότητα. Παρόμοια όρια ανίχνευσης (0,1 και 0,45 ng mL-1) παρατηρήθηκαν και στους δύο οπτικούς βιοαισθητήρες όπου ο ανιχνευτής μορίου DNA, που είναι η συμπληρωματική αλληλουχία ενός μικρού κλάσματος του απταμερούς δισφαινόλης Α, προσροφήθηκε με ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων χρυσού και ακινητοποιήθηκε ομοιοπολικά στην επιφάνεια της ίνας. Πρόσφατα, για την ανίχνευση της δισφαινόλης Α σε δείγματα νερού ποταμών με χρήση νανοσωλήνων καρβιδίου μολυβδαινίου, προτάθηκε ένας άλλος απτααισθητήρας με βάση τον φθορισμό. Με έναν τέτοιο απτοαισθητήρα χωρίς ετικέτα, φθηνό και εύκολο στη χρήση, έχει επιτευχθεί ένα χαμηλό όριο ανίχνευσης 0,23 ng mL − 1. Η ειδικότητα του aptasensor αξιολογήθηκε με ανάλυση άλλων μορίων με δομές παρόμοιες με αυτές της δισφαινόλης Α (π.χ., 4,4J-διφαινόλη, διφαινόλη AF και 4,4J-σουλφονυλοδιφαινόλη) και εντοπίστηκαν μόνο σήματα υποβάθρου που δείχνουν υψηλή εξειδίκευση για τη δισφαινόλη Α για αυτά τα μόρια.

Ένας ηλεκτροχημικός ανοσοαισθητήρας μιας χρήσης και χωρίς ετικέτες, βασισμένος σε τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με SWCNT, χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα σε δείγματα θαλασσινού νερού για την αξιολόγηση μιας άλλης ενδοκρινικής διαταραχής χημικής ουσίας-4-νονυλοφαινόλης. Ο ανοσοαισθητήρας έχει υψηλή αναπαραγωγιμότητα (0,56 ± 0,08%), μέση ανάκτηση 97,8% έως 104,6% και χαμηλό όριο ανίχνευσης (5 μg L-1), το οποίο είναι χαμηλότερο από τη συνιστώμενη μέγιστη συγκέντρωση 7 μg L-1 που καθορίζεται με τους αντίστοιχους κανονισμούς. Σε δείγματα θαλασσινού νερού όπως η 4-νονυλοφαινόλη, ο βιοαισθητήρας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό επικίνδυνων ουσιών προτεραιότητας, ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις και με εύκολη και χαμηλού κόστους μεθοδολογία.

Άλλες περιβαλλοντικές ενώσεις

Νέες, γρήγορες και ακριβείς αναλυτικές μεθοδολογίες χρειάστηκαν για την έγκαιρη ανίχνευση και παρακολούθηση διαφόρων άλλων επικίνδυνων ενώσεων που απελευθερώθηκαν κατά τη διάρκεια της ανθοφορίας των φυκιών. Λόγω της εξαιρετικής ευαισθησίας και εξειδίκευσης των ανιχνευτών νουκλεϊνικού οξέος στους συμπληρωματικούς συνεργάτες δέσμευσής τους, έχουν αναπτυχθεί βιοαισθητήρες για την ανίχνευση RNA φυκιών. Για την ενισχυμένη επιλεκτική και ευαίσθητη ανίχνευση RNA από 13 επιβλαβείς οργανισμούς φυκιών, πρόσφατα αναφέρθηκε ένας ηλεκτροχημικός γενοαισθητήρας βασισμένος σε ηλεκτρόδιο χρυσού με εκτύπωση οθόνης, ο γενοαισθητήρας θα μπορούσε να διακρίνει τους στόχους RNA από περιβαλλοντικά δείγματα (δείγματα θαλασσινού νερού με αιχμές) που περιέχουν 105 κύτταρα, που θεωρούνται ως το όριο ανίχνευσης.

Η βιοτεχνολογία είναι μια σύγχρονη προηγμένη τεχνολογία βασισμένη σε επιστημονικούς κλάδους όπως η μοριακή βιολογία, η βιοχημεία, η βιολογία των κυττάρων.

Η βιοτεχνολογία είναι μια σύγχρονη προηγμένη τεχνολογία βασισμένη σε επιστημονικούς κλάδους όπως η μοριακή βιολογία, η βιοχημεία, η βιολογία των κυττάρων. Δέχεται πολλές νέες τεχνικές, όπως καλλιέργεια κυττάρων και ιστών, σύντηξη κυττάρων, ανασυνδυασμός γονιδίων, μικροβιακή ζύμωση, καθώς και αντιγραφή και ανασυνδυασμός οργανισμών σε κυτταρικό, χρωμοσωμικό και γονιδιακό επίπεδο. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να κάνει τους οργανισμούς να ανταποκρίνονται στις ανθρώπινες ανάγκες, να παράγουν νέα προϊόντα και να αναπαράγουν νέα φυτά με νέα χαρακτηριστικά υψηλής απόδοσης και αντοχής στο στρες. Η σύγχρονη βιοτεχνολογία αποτελείται από τέσσερα τεχνολογικά συστήματα. Είναι μηχανική γενετικής, κυττάρων, ενζύμων και ζύμωσης, εκ των οποίων η γενετική μηχανική και η κυτταρική μηχανική είναι οι πιο προηγμένες.

Εκτός από τα μεγάλα κοινωνικά και οικονομικά οφέλη της σύγχρονης βιοτεχνολογίας, υπάρχει πιθανότητα να βλάψει την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πολλά κοινωνικοοικονομικά προβλήματα, όπως καταστροφή των πρωτότυπων κοινωνικών και οικονομικών προτύπων, απειλή για τη βιοποικιλότητα και τις παραδοσιακές ποικιλίες καλλιεργειών, τραυματισμό της κοινωνικοοικονομικής ευημερίας χωρών ή κοινοτήτων, παραβίαση των παραδοσιακών ηθικών, ηθικών και θρησκευτικών αξιών.

Η σύγχρονη βιοτεχνολογική πρακτική στην παραγωγή ινών, φαρμάκων και τροφίμων έχει μια ισχυρή ανάπτυξη στα τέλη του 20ου και στις αρχές του 21ου αιώνα. Αυτή η αναδυόμενη τεχνολογία είναι συχνά αποδεκτή ως η επόμενη τεχνολογική επανάσταση που έχει τη δυνατότητα να αλλάξει ριζικά τον τρόπο κοινωνικής διευθέτησης σχετικά με την παραγωγή και τη διανομή αγαθών. Έχουν ήδη πραγματοποιηθεί σημαντικές επενδύσεις στη βιοτεχνολογική έρευνα για την ανάπτυξη νέων προϊόντων. Επί του παρόντος, η επιστήμη και η τεχνολογία αναμένεται να φέρουν στους καταναλωτές μια μεγάλη ποικιλία γενετικά τροποποιημένων προϊόντων (ΓΤ). Εξάλλου, πολλά ΓΤ προϊόντα έχουν ήδη μπει στις αλυσίδες διανομής τροφίμων. Παρά την υπόσχεσή της να αποφέρει σημαντικά οφέλη στην κοινωνία, η δημόσια αποδοχή της σύγχρονης βιοτεχνολογίας είναι αρκετά διαφορετική στην παγκόσμια διάσταση. Για να μπορέσει η βιοτεχνολογία να συμβάλει σημαντικά οφέλη για τον άνθρωπο, η διεθνής κοινωνία έχει δώσει σοβαρή προσοχή στη βιοασφάλεια της συνολικής βιοτεχνολογικής παραγωγής για να προωθήσει την καλύτερη αποδοχή της.

Σήμερα, η βιοτεχνολογία έχει ταξινομηθεί σε λίγες κατηγορίες με βάση τις εφαρμογές της. Φαίνονται στην Εικόνα. 1.

Γενικά, η βιοτεχνολογία σκοπεύει να δώσει έμφαση στα πιθανά οφέλη για την κοινωνία μέσω της μείωσης της πείνας και του υποσιτισμού, της αναστολής και της επούλωσης ασθενειών και της αύξησης της υγείας και της γενικής ευημερίας. Από την άλλη πλευρά, υπάρχει η άποψη ότι τα προϊόντα ΓΤ χρησιμοποιούνται ως άσκοπη παρέμβαση στη φύση και μπορούν να προκαλέσουν άγνωστες και δυνητικά καταστροφικές συνέπειες. Ταυτόχρονα στις ΗΠΑ, οι γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες εισήλθαν στις αλυσίδες εφοδιασμού σιτηρών χωρίς να προκαλέσουν μεγάλη ανησυχία στο κοινό. Εξάλλου, η γεωργική βιοτεχνολογία αντιμετωπίζει σημαντική αντίθεση στην Ευρώπη και σε πολλές άλλες ανεπτυγμένες χώρες. Όσον αφορά τα προφανή προβλήματα του κοινού σχετικά με τους αντιληπτούς κινδύνους για τον άνθρωπο και το περιβάλλον, η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) δέχτηκε μάλλον περιορισμένους κανονισμούς για όλες τις διαγονιδιακές καλλιέργειες σε οποιοδήποτε μέρος του τροφικού συστήματος της ΕΕ. Σε παγκόσμιο επίπεδο, η κατάσταση είναι ακόμη πιο διαφορετική: στο Ηνωμένο Βασίλειο, οι κινήσεις αντίρρησης ρίχνουν τις γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες σε διαφορετικές περιπτώσεις. Μέχρι πρόσφατα, η Βραζιλία και η Ινδία αρνούνταν να εγκρίνουν οποιαδήποτε ΓΤ καλλιέργεια. Λόγω παρόμοιων ανησυχιών των καταναλωτών, ορισμένες αλυσίδες εφοδιασμού γρήγορου φαγητού αποφάσισαν να μην χρησιμοποιήσουν ΓΤ πατάτα στα προϊόντα τους.
Ο λόγος για τη χρήση των γονιδιακών τεχνολογιών στη γεωργική παραγωγή βασίζεται στο γεγονός ότι ορισμένοι άνθρωποι και ιδρύματα αντιμετωπίζουν κινδύνους για τον άνθρωπο και το περιβάλλον, ενώ άλλοι αντιτίθενται σε αυτό με γνώμονα τις ηθικές, ηθικές και κοινωνικές ανησυχίες. Η βιοτεχνολογία συχνά υποβαθμίζεται λόγω της εφαρμογής των εργαλείων της σε φυτά και ζώα, ιδίως στη μεταφορά γονιδίων σε είδη, με βάση την κατανόηση των «χώρων του Θεού» και ενάντια στον «νόμο της φύσης». Επίσης, υπάρχει η άποψη ότι δεδομένου ότι τα γονίδια είναι φυσικά απαντώμενα μέρη, τα οποία αποτελούν αντικείμενο ανακάλυψης (όχι εφεύρεσης), η κατοχή διπλώματος ευρεσιτεχνίας για γενετικά ευρήματα και διαδικασίες είναι ηθικά και ηθικά αφερέγγυα.
Οι δημόσιες συζητήσεις για τη γεωργική βιοτεχνολογία θέτουν επίσης ορισμένες κοινωνικές και πολιτικές συζητήσεις. Γίνεται λόγος για την εφαρμογή σύγχρονων γενετικών τεχνολογιών στην παραγωγή προϊόντων σε ανεπτυγμένες χώρες που εισάγονται επί του παρόντος σε αναπτυσσόμενες χώρες. Ισχυρίζεται ότι τέτοιες εξελίξεις θα έχουν σημαντικές αρνητικές επιπτώσεις στην κατάσταση της φτώχειας στον Τρίτο κόσμο και θα οδηγήσουν σε παγκόσμια αστάθεια. Ταυτόχρονα, άλλοι ερευνητές έχουν αντίθετη άποψη. Μια άλλη πηγή φροντίδας είναι η πιθανότητα οι αγρότες να εξαρτώνται σταθερά από τις πολυεθνικές εταιρείες για τα “μέσα παραγωγής” τους, επιφέροντας επιβλαβείς οικονομικές, κοινωνικές και πολιτικές επιπτώσεις.
Η σημασία αυτού του θέματος καθορίζει την ανάγκη για πλήρη κατανόηση των δημόσιων συμφερόντων και προβληματισμών σχετικά με τη συμφωνία μεταξύ ιδιωτικών και δημόσιων αποφάσεων σχετικά με τη βιοτεχνολογία τροφίμων. Η αποδοχή από τους καταναλωτές της βιοτεχνολογίας συνδέεται στενά όχι μόνο με τους αναμενόμενους κινδύνους και οφέλη που σχετίζονται με τα ΓΤ προϊόντα αλλά και με την ηθική και ηθική τους διάσταση. Επιπλέον, οι απόψεις του κοινού σχετικά με τις πολυεθνικές εταιρείες, η εμπιστοσύνη στην κυβέρνηση, η επιστήμη και η τεχνολογική ανάπτυξη αποκαλύπτουν επίσης τη στάση τους απέναντι στη βιοτεχνολογία. Διαπιστώθηκε ότι οι γνωστικοί παράγοντες των καταναλωτών (π. Έτσι, οι δημόσιες αντιλήψεις για τη βιοτεχνολογία έχουν πολλές διαστάσεις και πιθανώς επηρεάζονται από πολλαπλές δυνάμεις, προτιμήσεις και γεγονότα. Για παράδειγμα, τα θετικά οφέλη (π.χ. διατροφικά οφέλη από βελτιωμένα/νέα προϊόντα, περιβαλλοντικά οφέλη μέσω μειωμένης χρήσης φυτοφαρμάκων κ.λπ.) μπορούν να ενθαρρύνουν την αποδοχή της βιοτεχνολογίας τροφίμων από τους καταναλωτές. Από την άλλη πλευρά, η ευαισθησία σχετικά με τους κινδύνους για τον άνθρωπο και το περιβάλλον αναμένεται να έχει δυσμενείς επιπτώσεις στην αποδοχή από το κοινό των ΓΤ προϊόντων. Έτσι, οι δραστηριότητες για την ανάλυση και τον προσδιορισμό των παραγόντων που επηρεάζουν τη στάση των καταναλωτών απέναντι στη βιοτεχνολογία πρέπει να ακολουθήσουν τη διαδικασία, που υποδεικνύεται στην Εικόνα 2.

Κοινωνικός αντίκτυπος

Για να αξιολογηθεί ο αντίκτυπος της σύγχρονης βιοτεχνολογίας στην κοινωνία, δεν αρκεί μόνο η μέτρησή της με συγκεκριμένους δείκτες. Όταν εστιάζεται σε τέτοιες διαστάσεις όπως η αύξηση του αριθμού διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας σε γενετικά τροποποιημένους οργανισμούς (ΓΤΟ), αυτό δεν θα υποδεικνύει τις δυναμικές δυνάμεις που διαμορφώνουν τον αντίκτυπο της βιοτεχνολογίας στις βιομηχανικές και κοινωνικές δομές. Η ανάλυση επιπτώσεων συνδυάζει πολύπλοκα προβλήματα και έχει ποικίλες διαφορετικές εισροές, οι οποίες έχουν τόσο βραχυπρόθεσμες όσο και μακροπρόθεσμες επιπτώσεις και επηρεάζουν τα αποτελέσματα του προβλήματος ή της χρήσης της τεχνολογίας, με τρόπο που δεν σέβεται. Η συνειδητοποίηση της αίσθησης σχετικά με τη φύση των δεσμών μεταξύ κοινωνιών, ατόμων και την ισορροπία δυνάμεων μεταξύ κοινωνικών ομάδων που αντιμετωπίζουν νέες τεχνολογίες είναι βασικής σημασίας.

Εδραίωση και διάδοση της γνώσης

Ένα σημείο εκκίνησης είναι το αποτέλεσμα του τεχνολογικού αντίκτυπου, το οποίο εξαρτάται από την καθιέρωση και τη διάδοση της γνώσης. Θεωρείται ως προτιμώμενες αξίες, κοινωνικές πρακτικές και πρότυπα συμπεριφοράς των εμπλεκόμενων παραγόντων στην ανάπτυξη και χρήση της βιοτεχνολογίας. Η γνώση εκτείνεται πέρα ​​από τη συλλογή πληροφοριών για τη βιοτεχνολογία, όπως τεχνικές, κινδύνους κλπ. Αγκαλιάζει επίσης τον τρόπο εμφάνισης και σχολιασμού τους από άτομα. Ο κίνδυνος και η ασφάλεια για το κοινό δεν μπορούν να εκτιμηθούν με τον ίδιο τρόπο που γίνεται ο επιστημονικός κίνδυνος. Για να ληφθούν υπόψη αυτές οι διαφορές, είναι απαραίτητο να εξηγηθεί πώς δημιουργείται εμπιστοσύνη μεταξύ καταναλωτών και κατασκευαστών. Εν ολίγοις, ένας τέτοιος ορισμός της γνώσης δίνει μια ανάλυση σχετικά με τον αντίκτυπο της βιοτεχνολογίας και ευρύτερα, τις περιβαλλοντικές πολιτικές και πρακτικές.

Από εννοιολογική άποψη, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί ως λόγος βασισμένος στη γνώση. Είναι χρήσιμο λαμβάνοντας υπόψη την έκφραση του βιοτεχνολογικού αντίκτυπου με την έννοια του εκπαιδευτικού, κοινωνικού και πολιτικού υπόβαθρου. Λαμβάνονται επίσης υπόψη οι περιβαλλοντικοί λόγοι της γνώσης της βιοτεχνολογίας, και πιο συγκεκριμένα, πώς κατασκευάζεται, γίνεται αποδεκτή και ίσως το πιο σημαντικό, διαδίδεται και διατηρείται μέσα στην κοινωνία.

Επιστήμη και Τεχνολογία (S&T) αντίκτυπο στην κοινωνία

Στην ΕΕ γίνεται συζήτηση για τη βιοτεχνολογία και ιδιαίτερα για τη γενετική μηχανική και τις επιπτώσεις που προκύπτουν από αυτήν την τεχνολογία. Αυτό το ζήτημα πρέπει να αντιμετωπιστεί στενά συνδεδεμένο με το αποτέλεσμα των κοινωνικών αλληλεπιδράσεων. Επομένως, ο τρόπος υλοποίησης αυτών των δυναμικών δυνάμεων θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις αλληλεπιδράσεις και τη μορφή της προκύπτουσας πολυπλοκότητας μεταξύ των φορέων.

Ένα άλλο σημείο που πρέπει να εκτιμηθούν, είναι δύο βασικά θέματα κατά την εξέταση των πιθανών επιπτώσεων της τεχνολογίας. Αυτοί είναι i) ο άμεσος αντίκτυπος της χρήσης και ανάπτυξης της τεχνολογίας και ii) οι υπερβαίνοντες κίνδυνοι της τεχνολογίας. Αυτό σημαίνει εξάρτηση από τη μακροπρόθεσμη εφαρμογή της τεχνολογίας και τον τρόπο επίτευξης και διατήρησης μιας κυρίαρχης θέσης στον αντίκτυπό της στην κοινωνία από εκπαιδευτική, πολιτική και κοινωνική σκοπιά. Αυτό θα μπορούσε να διατηρηθεί γενικά μέσω περισσότερης ανησυχίας για τις μακροπρόθεσμες συνέπειες των δραστηριοτήτων Ε & Τ που αναφέρονται παρακάτω:

– Δημοσίευση εκπαιδευτικών προσπαθειών στην κοινωνία: Εκτέλεση εντατικών προσπαθειών για να συμπεριληφθούν επιστήμονες, βασικοί ηγέτες της κοινής γνώμης και μέσα ενημέρωσης σε μια υπάρχουσα συζήτηση για τη βιοτεχνολογία και ιδιαίτερα για τη γενετική μηχανική. Ο βασικός στόχος είναι να αποφευχθεί ένα κενό πληροφοριών, το οποίο μπορεί να διευκολύνει την αντι-βιοτεχνολογική δραστηριότητα και να δημιουργήσει αρνητισμό στις δομές της γνώσης.

– Ρόλος της ρυθμιστικής πολιτικής στην κοινωνία: Εστίαση στην αποτελεσματική επικοινωνία κινδύνου και κατανόηση του γεγονότος ότι η αντίληψη του κοινού για τον κίνδυνο μπορεί να είναι πολύ διαφορετική από αυτή της επιστημονικής κοινότητας.

Αντίληψη σύγχρονων εφαρμογών βιοτεχνολογίας

Τρία βασικά θέματα προσδιορίζονται και βασίζονται γύρω από: i) την επιστήμη, την ηθική και το φύλο της βιοτεχνολογίας ii) τη διεθνή πολιτική οικονομία, το εμπόριο και το περιβάλλον · iii) η ασφάλεια του κράτους και του συστήματος και ο πόλεμος μέσω της βιοτεχνολογίας. Αυτά τα γενικά θέματα προέρχονται από τις διεθνείς σχέσεις της βιοτεχνολογίας. Υπονοούν την έννοια της ισχύος στη Διεθνή Πολιτική Οικονομία (IPE) για να πλαισιώσουν τους διαφορετικούς λόγους και τα πολύπλοκα ζητήματα των επιπτώσεων της τεχνολογίας. Με βάση αυτά τα θέματα λαμβάνονται υπόψη οι διάφοροι δείκτες (Εικ. 3):

Η σύγχρονη βιοτεχνολογία θεωρείται ως ένα σύνθετο αναδυόμενο πεδίο που παρουσιάζει υψηλή επιστήμη σε συνδυασμό με περιορισμένη γνώση μέρους της κοινωνίας. Συνδέεται με τη στάση απέναντι στο φυσικό περιβάλλον, την τεχνολογική πρόοδο, τις θρησκευτικές και ηθικές πεποιθήσεις και πολλά άλλα σύνολα. Ένας πίνακας μεταβλητών, συμπεριλαμβανομένου του ενδιαφέροντος των δημόσιων τομέων, όπως η επιστήμη και η πολιτική, η αισιοδοξία για τις τεχνολογίες, οι κοινωνικές και πολιτιστικές αξίες, η ενασχόληση με το ζήτημα της βιοτεχνολογίας και η εμπιστοσύνη στη βιομηχανία, οι κανονισμοί και άλλες ομάδες της κοινωνίας των πολιτών, όλοι αυτοί οι παράγοντες συμβάλλουν για την εκπροσώπηση και τη γνώμη του κοινού σχετικά με τις βιοτεχνολογίες (Εικ. 4). Βασικά χαρακτηριστικά όπως το φύλο, η εκπαίδευση, η ηλικία και η θρησκεία έχουν βρεθεί ότι επηρεάζουν και τη στάση των ανθρώπων.

Η σοβαρή συζήτηση σχετικά με την αποδοχή της γενετικής μηχανικής συνοδεύεται από πολλά στοιχεία που αντιτίθενται στην εστίαση σε συγκεκριμένες εφαρμογές της τεχνολογίας από τη γενετική μηχανική καθαυτή. Μελέτες δείχνουν ότι οι στάσεις των καταναλωτών σχετικά με τη μεταφορά γονιδίων επηρεάζονται από τον τύπο των μεταφορών. Το εύρος αποδοχής περιλαμβάνει τα ακόλουθα: i) μεταφορές γονιδίων από φυτό σε φυτό. ii) μεταφορά ζώου σε ζώο · iii) ζώο-φυτό ή άνθρωπος-ζώο, το τελευταίο είναι το λιγότερο αποδεκτό.

Μια έρευνα σχετικά με την αντίληψη για τις σύγχρονες εφαρμογές βιοτεχνολογίας, που πραγματοποιήθηκε μεταξύ ανθρώπων από διαφορετικές χώρες/ηπείρους, έδειξε ότι οι ιατρικές εφαρμογές (που οδηγούν στην ανάπτυξη φαρμάκων και εμβολίων και γενετικές δοκιμές) είναι πολύ αποδεκτές σε σύγκριση με εφαρμογές βιοτεχνολογίας τροφίμων ή καλλιεργειών. Ωστόσο, οι ιατρικές εφαρμογές που σχετίζονται με ξενομεταμόσχευση ή κλωνοποίηση ζώων για την παραγωγή γάλακτος αντιμετωπίζουν σοβαρά προβλήματα. Οι Ασιάτες, για παράδειγμα, είναι λιγότερο προβληματισμένοι για τα ιατρικά γενετικά τροποποιημένα προϊόντα παρά για τα γενετικά τροποποιημένα τρόφιμα. Η έρευνα σχετικά με την κλωνοποίηση ανθρώπινων κυττάρων και τη βιοεξυγίανση μεταξύ των Ευρωπαίων βρίσκεται στο ενδιάμεσο επίπεδο, λιγότερο υποθετική από τη γενετική εξέταση, αλλά καλύτερα αποδεκτή από τις γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες και τρόφιμα.

Μια άλλη έρευνα ανέφερε ότι οι γενετικές δοκιμές εξακολουθούν να έχουν τη μεγαλύτερη υποστήριξη στον ευρωπαϊκό πληθυσμό, ακολουθούμενη από κλωνοποίηση ανθρώπινων κυττάρων, παραγωγή γενετικά τροποποιημένων ενζύμων για φιλικά προς το περιβάλλον σαπούνια και ξενομεταμόσχευση. Στο κάτω μέρος αυτής της σειράς τοποθετούνται γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες και τρόφιμα. Επίσης, παρέχεται υψηλότερη υποστήριξη στις τεχνικές για τον χειρισμό των βακτηρίων για τον καθαρισμό των πετρελαιοκηλίδων που ακολουθούνται από ανθεκτικές στις ασθένειες καλλιέργειες. στη συνέχεια, οι αιτήσεις για κρέας με λίπος και καλύτερη γεύση ντομάτας και η λιγότερη υποστήριξη λαμβάνουν τεχνολογίες για την ενίσχυση της παραγωγής γάλακτος στις αγελάδες.

Οι Μαλαισιανοί καταναλωτές είναι πιο ανοιχτοί στη χρήση σύγχρονων εφαρμογών βιοτεχνολογίας, οι οποίες δεν περιλαμβάνουν μεταφορά γονιδίων μεταξύ ειδών, όπως η παραγωγή τροφίμων και οι γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες που περιλαμβάνουν μόνο τη μεταφορά φυτικών γονιδίων. Για αυτούς, οι γονιδιακές τροποποιήσεις είναι πιο αποδεκτές με την ακόλουθη σειρά: i) μεταφορά γονιδίων φοινικέλαιου για να μειωθεί η περιεκτικότητα σε λιπαρά (κορεσμένο), ii) μεταφορά ανθρώπινων γονιδίων σε βακτήρια για παραγωγή ινσουλίνης, iii) μεταφορά γονιδίων βακτηρίων σε σόγια για την παραγωγή του ανθεκτικά στα ζιζανιοκτόνα.

Η στάση ενός ατόμου απέναντι σε μια νέα τεχνολογία εξαρτάται από διάφορους συναφείς παράγοντες, όπως η αντίληψή του/της για τους κινδύνους και τα οφέλη της, καθώς και οι κοινωνικά επικοινωνούμενες αξίες και οι καταπιστεύσεις σε ιδρύματα που εκπροσωπούν αυτές τις τεχνολογίες. Όσον αφορά την αντίληψη του κοινού για τη βιοτεχνολογία, εικάζεται ότι η στάση απέναντι στη γενετική μηχανική καθορίζεται από την αξία των δυνητικών πλεονεκτημάτων που προσφέρονται, τη γνώση για τη γενετική μηχανική και την επιστημονική κοσμοθεωρία, από την οποία ο αντιληπτός κίνδυνος (ορθολογικές ανησυχίες) και τα άγχη ή οι φόβοι ( παράλογες ανησυχίες) πρέπει να αποκλειστούν. Επιπλέον, πρέπει να προστεθούν διάφοροι δευτερεύοντες παράγοντες, όπως παραγοντικοί παράγοντες. Θεωρείται ότι η κύρια επίδραση στην αποδοχή φαίνεται να βασίζεται στο επίπεδο γνώσης, την επίγνωση των οφελών, την εμπιστοσύνη και την εμπιστοσύνη.

Οι μελέτες της στάσης του κοινού απέναντι στη βιοτεχνολογία υποδεικνύουν πολλές ομοιότητες με τις μελέτες αντίληψης κινδύνου. Ορισμένοι συγγραφείς έχουν χρησιμοποιήσει την ψυχομετρική προσέγγιση που βασίζεται στη γνωστική ψυχολογία και είναι αποδεκτή ως το πιο ώριμο και κυρίαρχο παράδειγμα στις μελέτες αντίληψης κινδύνου. Αυτές οι ψυχομετρικές μέθοδοι διευθετούνται με βάση τις ακόλουθες απόψεις:

– Εκτέλεση «κινδύνου» ως υποκειμενικής ιδέας και όχι αντικειμενικής.

– Συμμετοχή τεχνικών/φυσικών και κοινωνικών/ψυχολογικών προοπτικών σε κριτήρια κινδύνου.

– Να λαμβάνει γνώμες του «κοινού» (δηλαδή των λαϊκών, όχι των ειδικών) ως αντικείμενο ενδιαφέροντος.

Έτσι, η δημόσια αποδοχή της σύγχρονης βιοτεχνολογίας βασίζεται στην ανάλυση της γνωστικής δομής των κρίσεων κινδύνου, συνήθως χρησιμοποιώντας πολυμεταβλητές στατιστικές διαδικασίες όπως η ανάλυση παραγόντων, η πολυδιάστατη κλιμάκωση και η πολλαπλή παλινδρόμηση. Αυτή η ψυχομετρική προσέγγιση προϋποθέτει ότι το κοινό δεν αντιλαμβάνεται τον τεχνολογικό κίνδυνο λόγω μιας μόνο διάστασης που συνδέεται με αναμενόμενους τραυματισμούς ή θανάτους κοντά στην άποψη του εκτιμητή κινδύνου, αλλά ερμηνεύει τον κίνδυνο ως μια πολυδιάστατη έννοια, που αφορά ευρύτερες ποιοτικές διαστάσεις.

Οι βασικές ποικιλίες μιας μελέτης αντίληψης κινδύνου είναι το αντιληπτό μέγεθος κινδύνου ή τρόμου, η αποδοχή του κινδύνου, η εξοικείωση με τον κίνδυνο και τουλάχιστον – το όφελος του παράγοντα. Η σημασία μιας άλλης διάστασης, της «παρέμβασης στη φύση» στις μελέτες αντίληψης κινδύνου για τη γενετική μηχανική είναι επίσης πολύ σημαντική.

Η βιοτεχνολογία βρίσκεται στη συμβολή της επιστήμης και της ηθικής. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας συνδέεται με ένα ηθικό όραμα, το οποίο με τη σειρά του διαμορφώνεται από συγκεκριμένα ζητήματα. Φορτία βιοτεχνολογίας μπορούν να αξιολογηθούν προς όφελος τους για την ανθρώπινη κοινωνία. Αλλά πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η βιοτεχνολογία έχει επίσης ένα επικίνδυνο μέρος. Μπορεί να προκαλέσει απρόβλεπτες συνέπειες, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν βλαβερές συνέπειες ή να εξανθρωπίσουν τους ανθρώπους. Επομένως, τα ηθικά ζητήματα των προτεινόμενων αποτελεσμάτων πρέπει να διερευνηθούν προσεκτικά.

Η ηθική αξιολόγηση των νέων τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένης της βιοτεχνολογίας, απαιτεί διαφορετική προσέγγιση της ηθικής. Υπάρχει ανάγκη για αλλαγές επειδή μια νέα τεχνολογία μπορεί να έχει βαθύτερο αντίκτυπο στον κόσμο λόγω i) περιορισμών σε μια προσέγγιση ηθικής που βασίζεται στα δικαιώματα. ii) τη σημασία και τη δυσκολία πρόβλεψης των συνεπειών · iii) ευκαιρία τώρα να χειραγωγήσουμε τους ίδιους τους ανθρώπους.

Τα ηθικά ζητήματα που αφορούν τη βιοτεχνολογία είναι πολύ διαφορετικά. Λόγω της πιθανότητας βαθιάς αλλαγής στο ανθρώπινο μέλλον, τέτοιες ερωτήσεις πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά. Πρώτον, είναι απαραίτητο να διατυπωθούν και να προβλεφθούν οι ευθύνες απέναντι στη φύση και τις άλλες, συμπεριλαμβανομένων των μελλοντικών γενεών, και στη συνέχεια να επικεντρωθούμε στα δικαιώματα και την ελευθερία. Η πραγματική δύναμη και το δυναμικό της βιοτεχνολογίας απαιτούν μεγάλη προσοχή για να διασφαλιστεί η ηθική πρόοδος, καθώς η βιοτεχνολογία είναι αποδεκτή ως σημαντική δύναμη για τη βελτίωση της ποιότητας της ζωής των ανθρώπων στον 21ο αιώνα.

Η βιοτεχνολογία συνδέεται εγγενώς με την επιστήμη και την επιστημονική γνώση. Αλλά μερικές φορές υπάρχει αμφιβολία ότι η βιοτεχνολογία συνδέεται στενά με την ηθική. Τέλος, διαφορετικές βιοτεχνολογικές τάσεις προωθούν ένα ορισμένο όραμα ζωής, μερικά από τα οποία είναι καλά για τη ζωή και αξίζουν να ενθαρρυνθούν ή να επιδιωχθούν, άλλα είναι κακά και πρέπει να εξαλειφθούν. Αυτό το όραμα επηρεάζει τις επιλογές των ανθρώπων και επηρεάζει την αίσθηση της ηθικά κατάλληλης βιοτεχνολογίας.

Μερικές φορές, η σχέση μεταξύ βιοτεχνολογίας και ηθικής περιγράφεται ως αντικρουόμενο σημείο. Κάποτε, υπάρχει η εντύπωση ότι η ηθική χρειάζεται μόνο σε περίπτωση που κάποιος θέλει να πει στους άλλους ότι κάνουν λάθος πράγματα. Σε κάποιο βαθμό, αυτό είναι διαυγές, δεδομένου ότι η διαμάχη, η συζήτηση και το επιχείρημα είναι κοινά μέρη της διαβούλευσης για την ηθική. Αλλά η ηθική είναι εξίσου σημαντική στην περίπτωση συναίνεσης ότι το επιλεγμένο μονοπάτι είναι καλό και σωστό. Φυσικά, δεν υπάρχει καμία ανάγκη για μια ηθική συζήτηση όταν η αναζήτηση είναι μια θεραπεία για τον καρκίνο. Έτσι, η λύση για την πραγματοποίηση μιας τέτοιας αναζήτησης προβλέπεται από μια κοινή αντίληψη ότι για τη θεραπεία του καρκίνου υπάρχει ένας ηθικός λόγος. Οι προσπάθειες, οι πόροι και η δημιουργικότητα που αφιερώνονται στην επεξεργασία καλύτερων θεραπειών είναι ηθικά επιλέξιμες και τα περισσότερα από αυτά τα επιτεύγματα οφείλονται στη βιοτεχνολογία.

Η κοινωνική αποδοχή των οφελών και των κινδύνων που επιβάλλονται από τις σύγχρονες εφαρμογές βιοτεχνολογίας αφορούν:

• Οφέλη έναντι κινδύνων κοινωνική διαμάχη
• Η αποδοχή του κινδύνου ως βασικό στοιχείο στην αντίληψη του κινδύνου
• Εργαλεία για τη μέτρηση της στάσης του κοινού απέναντι στους κινδύνους και τα οφέλη: διαχείριση κινδύνου

Οφέλη έναντι κινδύνων κοινωνικών διαμαχών

Για να καθοριστεί η αποδοχή των βιοτεχνολογικών εφαρμογών είναι πολύ σημαντικό να αξιολογηθούν τα αντιληπτά οφέλη και κίνδυνοι. Η εικόνα 5 τα συνοψίζει.

Αποδοχή κινδύνου

Μια άλλη βασική μεταβλητή είναι η αποδοχή κινδύνου, η οποία είναι σημαντική για τη μέτρηση της αντίληψης του κινδύνου. Αλλά σπάνια χρησιμοποιείται στη στάση απέναντι στις μελέτες βιοτεχνολογίας. Τόνισαν τη σκληρή κατάσταση με τις σύγχρονες τεχνολογίες, συνδέονται πάντα με κάποιου είδους κινδύνους που θέτουν σοβαρά προβλήματα για τις κοινωνίες. Οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής θεώρησαν την ανάλυση κόστους-οφέλους ως τη βάση της μεθοδολογίας λήψης αποφάσεων για την αποδοχή του κοινωνικού κινδύνου. Το βασικό ερώτημα που πρέπει να λυθεί στην ανάλυση κινδύνου-οφέλους είναι: εάν αυτό το προϊόν (δραστηριότητα, τεχνολογία) είναι επιλέξιμο ασφαλές ή πόσο ασφαλές είναι αρκετά ασφαλές; Υπάρχουν δύο κύριες προσεγγίσεις για την απόδοση της ανάλυσης κινδύνου-οφέλους (Εικ. 6).

Διαχείριση κινδύνου

Η διαχείριση του κινδύνου είναι η διαδικασία που στοχεύει στη μείωση του αποτελέσματος και στην εξισορρόπηση του τρόπου ανταπόκρισης των ανθρώπων σε αυτόν. Αν κάποιος θέλει να διώξει όλους τους κινδύνους, αυτός δεν είναι βιώσιμος στόχος. Οι άνθρωποι αναλαμβάνουν εύκολα ρίσκα εκτελώντας ένα ευρύ φάσμα δραστηριοτήτων. Έτσι, το ερώτημα σχετικά με τον αποδεκτό κίνδυνο δεν είναι εντελώς τεχνικό, η απάντησή του εξαρτάται από τις τιμές. Με απλοποιημένο τρόπο, είναι δυνατόν να τεθεί ένα απλό όριο για αποδεκτό κίνδυνο, για παράδειγμα – έναν σε κίνδυνο εκατομμυρίου ζωής. Όλες οι δραστηριότητες που είναι πιο επικίνδυνες από αυτό το όριο είναι «απαράδεκτες» καθώς και όλες εκείνες που είναι λιγότερο επικίνδυνες είναι «αποδεκτές».

Ωστόσο, υπάρχουν δύο λόγοι για τους οποίους αυτή η προσέγγιση δεν λειτουργεί. Το πρώτο συνδέεται με την προαναφερθείσα αντίληψη κινδύνου. Οι άνθρωποι δεν αντιδρούν απλά στον κίνδυνο, η αποδοχή του κινδύνου στο μυαλό του κοινού δεν είναι απλώς θέμα πιθανών θανατηφόρων πραγμάτων, αλλά περιλαμβάνει άλλα στοιχεία της δραστηριότητας. Για παράδειγμα, εάν οι δραστηριότητες ληφθούν εθελοντικά, εάν η διαδικασία που οδηγεί στον κίνδυνο είναι νέα/παλιά ή οικεία, εάν η διαδικασία προκαλεί διαισθητική, συναισθηματική αντίδραση τρόμου ή όχι. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, για να καθοριστεί ένας αποδεκτός κίνδυνος, πρέπει να συμπεριληφθούν οι διαδικασίες επικοινωνίας και εμπλοκής κινδύνου που περιγράφονται παραπάνω. Στο δεύτερο τεύχος, ορισμένες δραστηριότητες είναι ουσιώδεις και πρέπει να αντιμετωπιστούν ακόμη και αν προκαλούν σχετικά υψηλούς κινδύνους.

Επιπλέον, θα μπορούσαν να υπάρχουν άλλες περιπτώσεις όπου υπάρχουν φθηνές εναλλακτικές λύσεις για την εκτέλεση λιγότερο επικίνδυνων ή τροποποιημένων δραστηριοτήτων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ο κίνδυνος μπορεί να προβλεφθεί ως απαράδεκτος, λόγω έτοιμων εναλλακτικών λύσεων. Αυτό είναι ένα οικονομικό ζήτημα που ασχολείται με διάφορους πόρους αφιερωμένους στη μείωση του κινδύνου. Εκτός από τα οικονομικά προβλήματα, είναι δυνατόν να ληφθούν υπόψη οι κίνδυνοι, όχι ως προς τις απόλυτες αξίες αλλά ως προς τις εσωτερικές διαφορές μεταξύ των εναλλακτικών λύσεων.

Ωστόσο, πολύ συχνά δεν είναι δυνατόν να ξεφύγουμε πλήρως από τον κίνδυνο. μάλλον κάποιος πρέπει να επιλέξει ανάμεσα σε διαφορετικούς κινδύνους. Επομένως, δεν υπάρχει κάποιο αποδεκτό όριο επιτρεπόμενου κινδύνου, καθώς επίσης δεν υπάρχει μια ενιαία βολική τιμή για δημιουργία εσόδων για μείωση του κινδύνου. Η κοινωνική επιθυμία να επενδύσει στη μείωση του κινδύνου εξαρτάται από το ευρύ φάσμα παραγόντων που διαχειρίζονται την αντίληψη κινδύνου, όπως ο φόβος που σχετίζεται με τον κίνδυνο, οι καταστροφικές του δυνατότητες κ.λπ.

Κοινωνικά οφέλη της σύγχρονης βιοτεχνολογίας

Οι βιοτεχνολογίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε τομείς όπως η ιατρική και η υγιεινή, η γεωργία, η δασοκομία, η αναπαραγωγή, η αλιεία, η ενέργεια και οι χημικές βιομηχανίες, οι μεταλλουργικές και μεταλλευτικές βιομηχανίες, οι βιομηχανίες τροφίμων και ελαίων, η προστασία του περιβάλλοντος. Η σύγχρονη βιοτεχνολογία έχει αποδείξει σταδιακά την τεράστια δυνητική συμβολή της στην παραγωγικότητα, αν και έχει μια σύντομη ιστορία μόλις δεκάδων ετών μέχρι στιγμής. Η σύγχρονη βιοτεχνολογία θα γίνει ισχυρό μέσο για τη μείωση των παγκόσμιων περιορισμών στους τομείς της τροφής, της υγείας, της ενέργειας, των πόρων και του περιβάλλοντος. Η ανάπτυξη και η εφαρμογή της σύγχρονης βιοτεχνολογίας θα επηρεάσει, για πολύ καιρό, τα ανθρώπινα όντα και την κοινωνία βαθιά.

Οι βιοτεχνολογικές βιομηχανίες είναι πιθανό να γίνουν οι κορυφαίες βιομηχανίες στον 21ο αιώνα. Για παράδειγμα, οι ποικιλίες καλλιεργειών, που παράγονται από βιοτεχνολογία, με νέα χαρακτηριστικά υψηλής παραγωγικότητας και αντοχής στο στρες (ξηρότητα, ψυχρότητα, υψηλό αλάτι κ.λπ.) αναμένεται όχι μόνο να αυξήσουν την παραγωγή σιτηρών αλλά και να μειώσουν τη χρήση γεωργικών χημικών ουσιών (όπως φυτοφάρμακα , ζιζανιοκτόνα και λιπάσματα), τα οποία θα είναι ευεργετικά για το περιβάλλον. Όσον αφορά την ιατρική και την υγιεινή, πολλά φάρμακα όπως εμβόλια DNA, ιατρική μηχανικής πρωτεΐνης, μονοκλωνικά αντισώματα, αντινόημα RNA φάρμακα έχουν αναπτυχθεί από τη βιοτεχνολογία. Τα διαγονιδιακά ζώα και φυτά που παράγουν ορισμένα είδη φαρμάκων (όπως εμβόλια και ορμόνες) μπορεί να βοηθήσουν στη μείωση των ασθενειών στη διαδικασία της καθημερινής διατροφής. Το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος (HGP) και η έρευνα σε ορισμένα γονίδια ασθενειών θα ανακαλύψουν τους γενετικούς λόγους για ορισμένες ασθένειες. Η περιβαλλοντική ρύπανση επιδεινώνεται προς το παρόν, αλλά οι αντιδραστήρες βιολογικού μετασχηματισμού που δημιουργήθηκαν από τη βιοτεχνολογία υπόσχονται να απορροφήσουν ρύπους ή απόβλητα και να τους αποσυνθέσουν σε υλικά χαμηλής ή καθόλου τοξικότητας.

Επομένως, στην παρούσα κοινωνία που χαρακτηρίζεται από βιομηχανίες έντασης γνώσης, χώρες σε όλο τον κόσμο, ειδικά οι βιομηχανικές, λαμβάνουν σοβαρά υπόψη τη βιοτεχνολογία. Μεγάλες ποσότητες εργατικού δυναμικού και οικονομικών πόρων διατίθενται στην Ε & Α στη βιοτεχνολογία. Σχεδιάζονται σχετικές στρατηγικές και πολιτικές ανάπτυξης και υποστηρίζονται μηχανισμοί για την τόνωση της ανάπτυξης της βιοτεχνολογίας.

Αν και έχουν γίνει πολλές μελέτες σχετικά με τη στάση ή την αντίληψη του κοινού απέναντι στη βιοτεχνολογία και ορισμένοι ερευνητές προσπάθησαν να εντοπίσουν παράγοντες που προβλέπουν τη στάση χρησιμοποιώντας είτε παλινδρόμηση είτε συσχέτιση, υπάρχουν περιορισμένες μελέτες που προσπαθούν να δημιουργήσουν ένα δομικό μοντέλο πρόβλεψης στάσης απέναντι στη βιοτεχνολογία.

Το πρώτο τεκμηριωμένο μοντέλο αναπτύχθηκε από τον Kelley (1995) ο οποίος πρότεινε έναν δομημένο τρόπο για την έγκριση της γενετικής μηχανικής από τους Αυστραλούς (Εικ. 7). Αργότερα, οι Pardo et al. (2002) πρότεινε ένα άλλο μοντέλο για την εξήγηση της ευρωπαϊκής στάσης απέναντι στις εφαρμογές της βιοτεχνολογίας. Ο Kelley διαπίστωσε ότι η έγκριση της γενετικής μηχανικής προβλεπόταν κυρίως από γεωργικούς και υγειονομικούς στόχους (ευεργετικές πτυχές). Από την άλλη πλευρά, οι επιστημονικές και γενετικές μηχανικές γνώσεις δεν προέβλεπαν έγκριση. Οι δημογραφικές μεταβλητές δεν επηρέασαν επίσης άμεσα την έγκριση της γενετικής μηχανικής (οι επιπτώσεις τους δεν ήταν στατιστικά σημαντικές). Το φύλο βρέθηκε ότι επηρεάζει τη γνώση και την επιστημονική κοσμοθεωρία, ενώ η ηλικία επηρεάζει τη γνώση, το στόχο και την επιστημονική κοσμοθεωρία, ασκώντας έτσι πολύ αδύναμη (έμμεση) επίδραση στην έγκριση. Η εκπαίδευση είχε μεγάλη επίδραση στη γνώση αλλά όχι στις συμπεριφορές. Το επάγγελμα και η θρησκεία δεν είχαν καμία επίδραση σε καμία από τις ενδιάμεσες μεταβλητές. Οι υποστηρικτές των Πράσινων ήταν λιγότερο ευνοϊκοί για τη γενετική μηχανική (αρνητική άμεση επίδραση στην έγκριση της γενετικής μηχανικής) σε σύγκριση με τους υποστηρικτές του Εργατικού Συνασπισμού (πολιτικοί).

It is often speculated that biotechnology is the technology to deeply transform the economy and society. Following such opinions, the development and application of biotechnology have considerable potential for far-reaching economic, social, and environmental impacts. That is why biotechnology is of strategic importance to knowledge-based economies and their governments. Nations that failed to develop biotechnology capabilities fail in realizing economic impacts.

Biotechnology-related applications are diffused over several very different industrial sectors, e.g., food production, textile finishing, pulp and paper, agriculture, power generation, chemicals and petrochemicals, and pharmaceuticals. The products manufactured by these sectors do not usually distinguish between alternative production processes. Thus, for many products, a distinction between biotech and conventional (e.g., chemical) production processes and also the introduction of some new ones would be necessary. Moreover, biotechnology is a dynamic field and certain biotechnological production methods will probably soon be re-developed, and completely new, products will appear. Current official statistics and existing companies’ surveys can provide specialized information about the diffusion of biotechnological applications, and their economic impact. The data have been constantly renovated and different techno-economic studies are performed to provide future production foresight and scenarios. Applying a blend of methods and sources, they frequently focus on expert judgment, case-studies, and various statistics.

An alternative to measuring the diffusion of biotechnology in use for major manufacturing sectors is the biotechnology-related-sales (BRS) concept. Existing studies have used various approaches for measurement (definition of the biotechnology aggregation level, examined sectors, scenario assumptions, etc.). Moreover, to assess the impact of biotechnology diffusion, an input-output model and relevant indicators have been introduced to study its effect on employment. The model studies in a comparative manner how biotechnology is affecting major application sectors. It compares the market penetration in 2004 and 2020 through the diffusion rates, measured with upper and lower limits. This approach helps not to overestimate the impact of biotechnology while capturing certain innovative biotechnological applications. The data of this survey indicate a nearly similar diffusion pattern in pharmaceuticals, food-processing, and agriculture. Diffusion is expected to increase in all sectors greatly by 2025, as indicated by the penetration of certain product groups. However, it was shown that there is a serious level of suspicion about the diffusion of biotechnology; the expectations for 2025 are highly uncertain. The analysis of this tendency, indicate that there are diffusion barriers specified in Fig. 7.

Συχνά εικάζεται ότι η βιοτεχνολογία είναι η τεχνολογία που μετατρέπει βαθιά την οικονομία και την κοινωνία. Μετά από τέτοιες γνωμοδοτήσεις, η ανάπτυξη και η εφαρμογή της βιοτεχνολογίας έχει σημαντικές δυνατότητες για εκτεταμένες οικονομικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η βιοτεχνολογία έχει στρατηγική σημασία για τις οικονομίες της γνώσης και τις κυβερνήσεις τους. Τα έθνη που απέτυχαν να αναπτύξουν ικανότητες βιοτεχνολογίας αποτυγχάνουν να πραγματοποιήσουν οικονομικές επιπτώσεις.

Οι εφαρμογές που σχετίζονται με τη βιοτεχνολογία διαχέονται σε διάφορους πολύ διαφορετικούς βιομηχανικούς τομείς, όπως παραγωγή τροφίμων, φινίρισμα υφασμάτων, χαρτοπολτού, χαρτοποιίας, γεωργίας, παραγωγής ενέργειας, χημικών και πετροχημικών και φαρμακευτικών προϊόντων. Τα προϊόντα που παράγονται από αυτούς τους τομείς δεν κάνουν συνήθως διάκριση μεταξύ εναλλακτικών διαδικασιών παραγωγής. Έτσι, για πολλά προϊόντα, θα ήταν απαραίτητη η διάκριση μεταξύ βιοτεχνολογικών και συμβατικών (π.χ. χημικών) διαδικασιών παραγωγής και επίσης η εισαγωγή ορισμένων νέων. Επιπλέον, η βιοτεχνολογία είναι ένα δυναμικό πεδίο και ορισμένες βιοτεχνολογικές μέθοδοι παραγωγής πιθανότατα θα αναπτυχθούν σύντομα και θα εμφανιστούν εντελώς νέα προϊόντα. Οι τρέχουσες επίσημες στατιστικές και οι έρευνες των υφιστάμενων εταιρειών μπορούν να παρέχουν εξειδικευμένες πληροφορίες σχετικά με τη διάδοση των βιοτεχνολογικών εφαρμογών και τον οικονομικό αντίκτυπό τους. Τα δεδομένα ανανεώνονται συνεχώς και πραγματοποιούνται διάφορες τεχνοοικονομικές μελέτες για την παροχή μελλοντικής προοπτικής παραγωγής και σεναρίων. Εφαρμόζοντας ένα μείγμα μεθόδων και πηγών, εστιάζουν συχνά στην κρίση ειδικών, στις μελέτες περιπτώσεων και σε διάφορες στατιστικές.

Μια εναλλακτική λύση για τη μέτρηση της διάχυσης της βιοτεχνολογίας που χρησιμοποιείται για μεγάλους κατασκευαστικούς τομείς είναι η έννοια των πωλήσεων που σχετίζονται με τη βιοτεχνολογία (BRS). Οι υπάρχουσες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει διάφορες προσεγγίσεις για τη μέτρηση (ορισμός του επιπέδου συνάθροισης βιοτεχνολογίας, εξεταζόμενοι τομείς, υποθέσεις σεναρίων κ.λπ.). Επιπλέον, για να εκτιμηθεί ο αντίκτυπος της διάχυσης της βιοτεχνολογίας, εισήχθη ένα μοντέλο εισροών-εκροών και σχετικοί δείκτες για τη μελέτη της επίδρασής του στην απασχόληση. Το μοντέλο μελετά συγκριτικά πώς η βιοτεχνολογία επηρεάζει σημαντικούς τομείς εφαρμογών. Συγκρίνει τη διείσδυση στην αγορά το 2004 και το 2020 μέσω των ποσοστών διάχυσης, μετρούμενα με ανώτερα και κατώτερα όρια. Αυτή η προσέγγιση βοηθάει να μην υπερεκτιμηθεί ο αντίκτυπος της βιοτεχνολογίας, ενώ παράλληλα αποτυπώνονται ορισμένες καινοτόμες βιοτεχνολογικές εφαρμογές. Τα δεδομένα αυτής της έρευνας δείχνουν ένα σχεδόν παρόμοιο μοτίβο διάχυσης στα φαρμακευτικά προϊόντα, την επεξεργασία τροφίμων και τη γεωργία. Η διάχυση αναμένεται να αυξηθεί σε όλους τους τομείς σε μεγάλο βαθμό έως το 2025, όπως φαίνεται από τη διείσδυση ορισμένων ομάδων προϊόντων. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι υπάρχει σοβαρό επίπεδο υποψίας σχετικά με τη διάχυση της βιοτεχνολογίας. οι προσδοκίες για το 2025 είναι εξαιρετικά αβέβαιες. Η ανάλυση αυτής της τάσης, δείχνει ότι υπάρχουν εμπόδια διάχυσης που καθορίζονται στην Εικόνα 7.

Κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις

Με κίνητρο να αντιληφθούν το μεγάλο οικονομικό κέρδος, πολλές διάσημες διεθνείς επιχειρηματικές εταιρείες πραγματοποίησαν σημαντικές επενδύσεις κεφαλαίου στην Ε&Α της βιοτεχνολογίας και με αυτόν τον τρόπο αλλάζουν τις προηγούμενες κοινωνικές και οικονομικές τάσεις του κόσμου. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η εταιρεία Monsanto (πρώην αμερικανική έδρα και τώρα μέρος της παγκόσμιας κοινοπραξίας BASF). Παραδοσιακά εργαζόμενος στη χημική βιομηχανία, μετά το 1985 η εταιρεία έκανε σοβαρές ανακατατάξεις των επιχειρήσεων, επένδυσε σε 3 βιοτεχνολογικούς τομείς και έγινε μια σημαντική κοινοπραξία που ασχολείται με την Ε&Α στη βιοεπιστήμη. Μετά το 1998, περίπου 20 εκατομμύρια εκτάρια χωραφιών σε όλο τον κόσμο φυτεύτηκαν με σπόρους GM της Monsanto. Λίγο αργότερα, η Monsanto προχώρησε στη διεθνή αγορά σπόρων καλλιεργειών μέσω ενός πλήρως ενσωματωμένου συστήματος για την εμπορία γενετικά τροποποιημένων σπόρων και γεωργικών χημικών. Με αυτόν τον τρόπο, η Monsanto έλαβε τον έλεγχο σε ένα μεγάλο μέρος της τροφικής αλυσίδας του ανθρώπινου πληθυσμού κερδίζοντας τεράστιο κέρδος που τους τροφοδοτούσε με ΓΤ καλλιέργεια. Αυτό είναι ένα παράδειγμα του πώς στον σημερινό παγκοσμιοποιημένο κόσμο, προκύπτει η δυνατότητα για μερικές πολυεθνικές εταιρείες να αποφασίσουν για την κατανάλωση τροφής από τον άνθρωπο.

Σε περίπτωση χρήσης σε γαλακτοκομικά, αυξητική ορμόνη βοοειδών (BGH) που παράγεται με γενετική μηχανική, η απόδοση γάλακτος μιας αγελάδας γαλακτοπαραγωγής μπορεί να αυξηθεί κατά 30 τοις εκατό, Πράγμα που σημαίνει 10 τοις εκατό λιγότερη χρήση ζωοτροφών. Έτσι, το αποτέλεσμα είναι πολύ εντυπωσιακό για τη γαλακτοβιομηχανία.

Πολλά φάρμακα, όπως τα εμβόλια για τη θεραπεία της ελονοσίας και της χολέρας παρέχονται στους ασθενείς μέσω νέων αντιγόνων που συντίθενται με σύγχρονες βιοτεχνολογικές μεθόδους. Καθιστούν τα ποσοστά ασθενειών και θανάτων σε πολλές χώρες (ειδικά στις αναπτυσσόμενες) να πέφτουν γρήγορα, συνυπολογίζοντας τα ποσοστά αύξησης του πληθυσμού. Σε αυτό το πλαίσιο, τίθεται ένα ερώτημα σχετικά με τις επιπτώσεις στα ήδη ανεπαρκή οικονομικά και υποδομές των εν λόγω χωρών.

Επιπτώσεις στη βιοποικιλότητα και τη βιώσιμη γεωργία

Πολλές γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες περιέχουν ξένα γονίδια από άλλα φυτά, ζώα και μικρόβια. Όλα αυτά τα ξένα γονίδια μπορούν να μεταφερθούν σε άλλα φυτά στη φύση μέσω της γύρης των γενετικά μετασχηματισμένων φυτών και θα προκαλέσουν ρύπανση στη φυσική δεξαμενή γενετικών πόρων. Επομένως, καθώς η πλειοψηφία των διαγονιδιακών φυτών διέθετε οικονομικά χρήσιμα χαρακτηριστικά, όπως υψηλή παραγωγικότητα, αντοχή σε ασθένειες, παράσιτα, και οι αγρότες προσελκύονται από οικονομικά συμφέροντα για την καλλιέργεια αυτών των φυτών και όχι για τις παραδοσιακές ποικιλίες καλλιέργειας, ο προβλεπόμενος κίνδυνος για τους φυσικούς πόρους είναι σοβαρός. Επίσης, οι τεχνολογίες για την παρασκευή μονοκαλλιέργειας ποικιλιών καλλιεργειών σε ορισμένους τομείς μπορεί να προσθέσουν στην απώλεια της βιοποικιλότητας. Έτσι, μακροπρόθεσμα, αυτή η υποβάθμιση της γενετικής βάσης μπορεί να μειώσει τη φυσική αντίσταση των φυτών σε ασθένειες και παράσιτα εντόμων και αυτό μπορεί να προκαλέσει μείωση των αποδόσεων των καλλιεργειών. Με αυτόν τον τρόπο, η παγκόσμια βιώσιμη ανάπτυξη θα μπορούσε να τεθεί σε κίνδυνο.

Το Bacillus thuringiensis (Bt) είναι ένα βακτήριο του εδάφους, το οποίο χρησιμοποιείται για τη σύνθεση μιας τοξίνης ενάντια στα έντομα μέσα στα φυτά. Έχει χρησιμοποιηθεί ως μικροβιακό παρασιτοκτόνο για πολλά χρόνια και τα γονίδια που κωδικοποιούν αυτές τις εντομοκτόνες τοξίνες θα μπορούσαν να εισαχθούν στο κύτταρο πολλών καλλιεργειών όπως το βαμβάκι, η σόγια και ο βιασμός, για να δημιουργήσουν καλλιέργειες ανθεκτικές σε παράσιτα. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ειδικοί στην προστασία του περιβάλλοντος και η Green Peace Corporation προβληματίζονται από το γεγονός ότι η παραγωγή τοξινών πραγματοποιείται στον ύστερο κύκλο ζωής των διαγονιδιακών φυτών και υπάρχει η ευκαιρία να αυξηθεί συνήθως η αντίσταση των παρασίτων στις τοξίνες Bt Το Έτσι, αυτή η κατάσταση θα οδηγούσε σε μεγαλύτερη χρήση φυτοφαρμάκων που βασίζονται σε Bt, λόγω απώλειας της αποτελεσματικότητάς τους και προκαλώντας μεγάλες οικονομικές απώλειες.

Επιπτώσεις στη δημόσια ευημερία

Η εκμετάλλευση της τεχνολογίας της γενετικής μηχανικής στους ανθρώπους θα μπορούσε να διευκολύνει τη διάγνωση και τη θεραπεία γενετικά συγγενών ασθενειών, όπως ορισμένοι καρκίνοι, αιμορροφιλία, κ.λπ. Μέσω ζώων γενετικής μηχανικής, τα φυτά και τα μικρόβια μπορούν να μετατραπούν σε βιο-εργοστάσια για την παραγωγή διαφόρων ειδών χημικών. Έτσι, μπορούν να αντιμετωπιστούν ως σταθεροί βιολογικοί παραγωγοί και ταυτόχρονα, η αυξανόμενη δυνατότητα παραγωγής προϊόντων μπορεί να προκαλέσει κοινωνικοοικονομικά προβλήματα. Ας υποθέσουμε ότι ειδικά μικροβιακά στελέχη έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν μια πολύτιμη ουσία σε μεγάλη κλίμακα. Σε μια τέτοια περίπτωση, είναι σημαντικό να προβλεφθεί ο αντίκτυπος αυτής της παραγωγής στους μεγαλύτερους παραγωγούς της ίδιας ουσίας παγκοσμίως. Εάν αυτή η ουσία μετρά για ένα σημαντικό ποσοστό του εισοδήματος μιας δεδομένης χώρας, ποια θα είναι η επιρροή και οι συνέπειες αυτής της βιοτεχνολογικής παραγωγής στη γεωργία και τη χρηματοπιστωτική υποδομή της χώρας.

Η αλόγιστη εφαρμογή της βιοτεχνολογίας μπορεί να προκαλέσει πολλούς κινδύνους, όπως άλλες προηγμένες τεχνολογίες. Για παράδειγμα, τα νεοεισαχθέντα γονίδια σε καλλιέργειες που παράγονται από γενετική μηχανική μπορεί να οδηγήσουν σε αλλεργικές αντιδράσεις. Τα οικονομικά σημαντικά χαρακτηριστικά αντοχής στα παράσιτα, ανθεκτικότητα σε ζιζανιοκτόνα ή αντοχή στο στρες, που εισάγονται στα φυτά μπορεί να απομακρύνουν αυτούς τους διαγονιδιακούς ξενιστές από τα γεωργικά συστήματα καλλιέργειας. Τα γονίδια ανθεκτικότητας στα διαγονιδιακά φυτά μπορούν να μεταφερθούν στους συγγενείς τους με τα άγρια ​​ζιζάνια και τα τελευταία μπορούν να μετατραπούν σε “υπερ” ζιζάνια, τα οποία θα είναι πολύ δύσκολο να ελεγχθούν. Έτσι, οι μεγάλης κλίμακας απελευθερώσεις διαγονιδιακών καλλιεργειών ανθεκτικών σε παράσιτα στο περιβάλλον θα προκαλέσουν σοβαρές πιέσεις επιλογής για την ενίσχυση της αντίστασης των παρασίτων στόχων.

Τα διαγονιδιακά φυτά ανθεκτικά στον ιό που έχουν ήδη μετασχηματιστεί με ξένα γονίδια ιού διαθέτουν πρωτεΐνες κωδικοποιημένες από ιούς που μπορεί να ανασυνδυαστούν με το γενετικό υλικό άλλων ιών για να αποδώσουν νέους τύπους ιών με υψηλότερη τοξικότητα. Εάν δεν είναι δυνατή η επιλεκτική θανάτωση των παρασίτων και των παθογόνων-στόχων, οι διαγονιδιακές καλλιέργειες αντοχής σε παράσιτα και ασθένειες μπορούν να δηλητηριάσουν ταυτόχρονα άλλους οργανισμούς και επίσης να προκαλέσουν επιβλαβείς ενέργειες μέσω τροφικών αλυσίδων σε ωφέλιμους μικροοργανισμούς, έντομα, πτηνά και θηλαστικά.

Επιπλέον, πολλά βιοτεχνολογικά προϊόντα είναι ζωντανοί οργανισμοί και μπορούν να κινούνται και να αναπαράγονται από μόνα τους. Μόλις απελευθερωθούν στο περιβάλλον και αποδειχθεί ότι είναι τοξικά, τότε είναι σχεδόν αδύνατο να τα απορρίψουμε και η βλάβη που δημιουργούν μπορεί να αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου να γίνεται όλο και πιο σοβαρή. Με αυτόν τον τρόπο, οι περιβαλλοντικές απελευθερώσεις διαγονιδιακών φυτών σε μεγάλη κλίμακα μπορεί να βλάψουν τη φυσική οικολογική ισορροπία σε μακροχρόνια προοπτική.

Οι ανησυχίες για τη βιοασφάλεια εμπόδισαν τις εφαρμογές Ε & Α της βιοτεχνολογίας. Το κοινό σε πολλές χώρες έχει δηλώσει την αρνητική του γνώμη, το απωθημένο, πράγματι το φόβο σχετικά με τα βιοτεχνολογικά προϊόντα. Αυτό εκφράζεται ακόμη και μέσω διαδηλώσεων, σύνθλιψης καλλιεργειών αγροτεμαχίων, συγκράτησης των εισαγωγών ή απαγόρευσης των βιοτεχνολογικών προϊόντων. Αυτό καθιστά τα θέματα βιοασφάλειας στην κορυφή της ατζέντας πολλών χωρών και διεθνών κοινωνιών. Νόμοι και κανονισμοί για τη βιοασφάλεια διατυπώνονται σε πολλές χώρες και τα ζητήματα της βιοασφάλειας λαμβάνονται υπόψη σε πολλά διεθνή έγγραφα και συνθήκες, όπως η Ατζέντα 21 και η Σύμβαση για τη Βιοποικιλότητα.

Η βιοτεχνολογία πρόκειται να γίνει σοβαρά σχετική με την οικονομία και μπορεί να αποκτήσει σημαντική σημασία σε διάφορους τομείς εφαρμογών στα επόμενα 10 έως 15 χρόνια. Ωστόσο, οι συνολικές επιπτώσεις της σύγχρονης βιοτεχνολογίας στην οικονομία είναι αρκετά διαφορετικές. Για παράδειγμα, οι εκτιμήσεις για την απασχόληση δείχνουν ότι η αύξηση του μέρους της βιοτεχνολογίας στους τομείς των εφαρμογών και η σύνδεσή της με τους προμηθευτές υποδεικνύει την τάση μείωσης της απασχόλησης λόγω των επιπτώσεων στην παραγωγικότητα. Η οικονομική σημασία της βιοτεχνολογίας αυξάνεται λόγω της διάδοσής της σε ώριμους μεταποιητικούς τομείς. Ωστόσο, η διάχυση σε αυτούς τους κύριους τομείς εφαρμογών μπορεί να επηρεάσει μόνο περιορισμένα τμήματα της συνολικής απασχόλησης. Μόνο εάν η βιοτεχνολογία αυξηθεί σε άλλους τομείς, μπορεί να προκύψει σημαντικός αντίκτυπος σε ολόκληρη την οικονομία.

Το βάθος του βιοτεχνολογικού μετασχηματισμού της οικονομίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις δυνατότητές της να προτείνει τη δημιουργία νέων προϊόντων και να βελτιώσει την αποδοτικότητα στην παραγωγή των υπαρχόντων. Ως εκ τούτου, αναμένεται ότι η βιοτεχνολογία θα επέτρεπε τη δημιουργία πολλών προϊόντων, αλλά η δυνατότητα αύξησης της παραγωγικότητας της εργασίας εκτιμάται ότι είναι περιορισμένη. Μια σημαντική άποψη είναι ότι η βιοτεχνολογία μπορεί να μεταμορφώσει διαφορετικά την οικονομία και την κοινωνία, συνεργαζόμενη με άλλες τεχνολογίες όπως οι ΤΠΕ. Σημαντικές ενισχύσεις για μια τέτοια οικονομική ανάπτυξη μπορεί να προκύψουν σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες ή κέρδη απόδοσης, τα οποία αυξάνουν την παραγωγικότητα και την αγοραστική δύναμη για να πραγματοποιήσουν τους καρπούς της βιοτεχνολογίας.

Η συνθετική βιολογία είναι μια πρόσφατη επέκταση της βιοτεχνολογίας στην οποία τα γονίδια και οι πρωτεΐνες θεωρούνται ως μέρη ή συσκευές, με στόχο την αναδιάταξη ή/και τη συναρμολόγηση αυτών των τμημάτων με νέους τρόπους για τη δημιουργία νέων και χρήσιμων λειτουργιών.

Εισαγωγή

Το 1997, το κλωνοποιημένο πρόβατο Dolly παρουσιάστηκε στο παγκόσμιο κοινό. Έκτοτε, το θέμα της κλωνοποίησης έγινε επανειλημμένα στα πρωτοσέλιδα. Έχει τρεις μητέρες και κανένα βιολογικό πατέρα. Είναι γενετικά πανομοιότυπη με μία από τις μητέρες της. Είναι το πρώτο κλωνοποιημένο θηλαστικό που δεν είναι αποτέλεσμα ενός νέου συνδυασμού πατέρα και μητέρας, αλλά δημιουργήθηκε από ένα κύτταρο σώματος μιας από τις μητέρες της. Αλλά ενώ την εποχή της Ντόλι ορισμένοι ερευνητές αντιτάχθηκαν έντονα στην κλωνοποίηση ανθρώπινων κυττάρων, σήμερα οι ίδιοι εργάζονται με εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα με την ελπίδα ότι κάποια μέρα θα καταπολεμήσουν ασθένειες όπως ο καρκίνος ή η νόσος του Πάρκινσον. Η κλωνοποίηση, λοιπόν, στο πλαίσιο της ιατρικής, της βιοτεχνολογίας και της μοριακής βιολογίας, είναι η παραγωγή οντοτήτων, ατόμων και πληθυσμών που είναι γενετικά πανομοιότυπες ή σχεδόν πανομοιότυπες με τον αρχικό οργανισμό ή μέρος ενός οργανισμού από τον οποίο προέρχονται. Στην αυθόρμητη μορφή του, η κλωνοποίηση είναι ο τρόπος με τον οποίο τα βακτήρια και ορισμένα φυτά και ζώα αναπαράγονται ασέξουαλ.

Ο πιο δραματικά αμφιλεγόμενος τομέας είναι η ανθρώπινη κλωνοποίηση για αναπαραγωγικούς σκοπούς, δηλαδή η παραγωγή μωρών που θα μεγαλώσουν σε ενήλικες και πλήρη μέλη της κοινωνίας τους. Η έρευνα για ανθρώπινα έμβρυα, συμπεριλαμβανομένης της κλωνοποίησης με πυρηνική μεταφορά, επιτρέπεται ευρέως δεκατέσσερις ημέρες μετά τη σύλληψη. και η επακόλουθη καλλιέργεια και επιστημονική και θεραπευτική χρήση ανθρώπινων εμβρυϊκών βλαστικών κυττάρων είναι αποδεκτή στις περισσότερες χώρες (όχι όλες). Η ανθρώπινη αναπαραγωγή βρίσκεται στο επίκεντρο του ζητήματος της κλωνοποίησης, ηθικά, με τις ιδέες του σχεδιασμού και το ιστορικά διαδεδομένο θέμα της βελτίωσης των ατόμων και της βελτίωσης του ανθρώπινου γένους.

Η τεχνητή κλωνοποίηση εκμεταλλεύεται τη δυνατότητα συγκεκριμένων, μη διαφοροποιημένων κυττάρων να διαφοροποιηθούν σε κύτταρα συγκεκριμένου τύπου υπό κατάλληλες συνθήκες. Αυτά τα κύτταρα ονομάζονται βλαστοκύτταρα. Βρίσκονται τόσο σε μικρούς αριθμούς στο σώμα ενός ενήλικα, για να αντικαταστήσουν εκεί τα ελλείποντα είτε νεκρά κύτταρα, και σε πρώιμα εμβρυϊκά στάδια, από περίπου την τέταρτη έως την έβδομη ημέρα μετά τη γονιμοποίηση. Μόνο τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα μέχρι το στάδιο των οκτώ κυττάρων μπορούν ακόμη να εξελιχθούν σε όλους τους τύπους ιστών και συνεπώς σε έναν ολόκληρο οργανισμό. είναι παντοδύναμοι (= παντοδύναμοι). Αντίθετα, κανένας ολόκληρος οργανισμός δεν μπορεί να σχηματιστεί από όλα τα άλλα βλαστικά κύτταρα. Μπορούν να προκαλέσουν μόνο πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων ή μόνο έναν συγκεκριμένο τύπο κυττάρων, είναι πολυδύναμοι ή πολυδύναμοι.

Βιοϊατρική έρευνα και εφαρμογή

Οι κλώνοι των ανώτερων οργανισμών παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για τη βασική βιοϊατρική έρευνα καθώς και για την ιατρική έρευνα προσανατολισμένη στην εφαρμογή. Επί του παρόντος, συζητούνται τέσσερα βασικά πεδία εφαρμογής της κλωνοποίησης με βάση την πυρηνική μεταφορά για ιατρικούς σκοπούς. Μια πρώτη περιοχή είναι η λεγόμενη γονιδιακή φαρμακευτική αγωγή, δηλαδή η χρήση διαγονιδιακών ζώων για την παραγωγή θεραπευτικά χρήσιμων (ανθρώπινων) πρωτεϊνών, π.χ. στο γάλα. Στο άμεσο μέλλον, αυτή θα είναι μία από τις κύριες πιθανές εφαρμογές της κλωνοποίησης με βάση την πυρηνική μεταφορά, καθώς καθιστά την παραγωγή των αντίστοιχων διαγονιδιακών ζώων πιο αποτελεσματική και στοχευμένη σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους. Τα πλεονεκτήματα αυτών των δραστικών ουσιών που λαμβάνονται με βιογενετικές διαδικασίες παραγωγής, όπως ινσουλίνη ή παράγοντες αίματος ή άλλες ανθρώπινες ενδογενείς ουσίες, είναι ότι αυτές οι δραστικές ουσίες μπορούν να ληφθούν με πολύ καθαρότερο τρόπο από ό, τι στη συμβατική μέθοδο μέσω ενδιάμεσων ζώων και ανθρώπων. Εάν υπάρχουν τέτοια ζώα, μπορούν να παραχθούν δραστικές ουσίες σε μεγάλες ποσότητες και σχετικά φθηνά. Ωστόσο, υπάρχουν επίσης κίνδυνοι για τα ζώα λόγω του γενετικού (διαγονιδιακού) χειρισμού, της βιολογικής δραστηριότητας της πρωτεΐνης που παράγεται και της ίδιας της διαδικασίας κλωνοποίησης. Οι κίνδυνοι για τον άνθρωπο μπορεί να προκύψουν από αλλαγές στα προϊόντα καθώς και από πιθανή μετάδοση ασθενειών (παθογόνων), οπότε πρέπει να αποκλειστούν στο μέτρο του δυνατού με προσεκτική δοκιμή φαρμάκων.

Ένας άλλος τομέας στον οποίο θα μπορούσε δυνητικά να χρησιμοποιηθεί η κλωνοποίηση είναι η παραγωγή διαγονιδιακών ζώων ως ζωικών μοντέλων για ανθρώπινες ασθένειες. Ένα σημαντικό εμπόδιο στην περαιτέρω ανάπτυξη ζωικών μοντέλων έχει αποδειχθεί το γεγονός ότι μέχρι τώρα ήταν δυνατό μόνο σε ποντίκια να ενσωματώσουν γενετικά χειρισμένα κύτταρα στη γεννητική γραμμή ενός ζώου δέκτη με έναν τόσο σταθερό τρόπο ώστε οι γενετικές αλλαγές να να κληρονομηθεί. Ωστόσο, οι φυσιολογικές και ανατομικές διαφορές μεταξύ ποντικών και ανθρώπων είναι τόσο μεγάλες που τα συμπτώματα της γενετικής τροποποίησης που εισήχθη σε ποντίκια συχνά δεν αντιστοιχούν στην κλινική εικόνα που παρατηρείται στους ανθρώπους. Η κλωνοποίηση μέσω πυρηνικής μεταφοράς με τη χρήση σωματικών κυττάρων ανοίγει τη δυνατότητα πρόκλησης στοχευμένων γενετικών αλλαγών σε διαφορετικά είδη (στόχευση γονιδίων και νοκ -άουτ γονιδίων). Αυτό θα καθιστούσε επίσης δυνατή για πρώτη φορά τη δημιουργία μοντέλων ασθενειών σε διαγονιδιακά μεγάλα ζώα, τα οποία, ανάλογα με την ασθένεια που θα διερευνηθεί, θα μπορούσαν να είναι ανώτερα από τα προηγούμενα μοντέλα ποντικών από άποψη ανατομικών, φυσιολογικών ή γενετικών χαρακτηριστικών. Γενικά αναμένεται ότι μεσοπρόθεσμα αυτό θα συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση των κλινικών εικόνων των γενετικά προκαλούμενων ανθρώπινων ασθενειών και, με βάση αυτό, στην ανάπτυξη αποτελεσματικών θεραπευτικών επιλογών. Η κλωνοποίηση θα μπορούσε επίσης να συμβάλει τεχνικά στη μεταμόσχευση αυτόλογου ιστού και στη λεγόμενη κυτταρική θεραπεία. Ο βέλτιστος ιστός μεταμόσχευσης είναι εύκολο να χαρακτηριστεί: τα κύτταρά του πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο γενετικά όμοια με αυτά του λήπτη. Το ανοσοποιητικό σύστημα του ασθενούς δεν θα το αναγνωρίζει πλέον ως ξένο και κάθε πρόβλημα απόρριψης θα εξαλειφθεί. Επομένως, μια βέλτιστη λύση θα ήταν η δημιουργία γενετικά πανομοιότυπου ιστού αντικατάστασης. Τα αποτελέσματα της έρευνας υποδηλώνουν ότι αυτό θα μπορούσε τώρα να επιτευχθεί μέσω κλωνοποίησης με βάση την πυρηνική μεταφορά. Κατ ‘αρχήν, είναι πιθανός ένας άλλος τρόπος καλλιέργειας ανθρώπινου ιστού αντικατάστασης: Με τη βοήθεια της μεθόδου πυρηνικής μεταφοράς, θα δημιουργηθεί ένα πρώιμο έμβρυο, από το οποίο θα μπορούσαν να ληφθούν πολυδύναμα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα σε καλλιέργεια. Ωστόσο, δεν ήταν ακόμη δυνατό να ληφθούν τέτοια κύτταρα σε ανθρώπους, ακόμη και από έμβρυα που δημιουργήθηκαν in vitro. Επιπλέον, μια τέτοια διαδικασία θα απαιτούσε την ηθικά και νομικά εξαιρετικά προβληματική δημιουργία και χρήση ενός ανθρώπινου εμβρύου, εκτός εάν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ωοκύτταρα από ζώα ως αποδέκτες των κυτταρικών πυρήνων. Αλλά αυτή η εξέλιξη είναι ακόμη στα σπάργανα και περιλαμβάνει δικά της προβλήματα, ειδικά ηθικά προβλήματα που είναι επίσης σοβαρά.

Ένας τέταρτος τομέας στον οποίο είναι δυνατή η χρήση (διαγονιδιακών) κλωνοποιημένων ζώων είναι η ξενομεταμόσχευση (μεταμόσχευση ζωικών οργάνων σε ανθρώπους). Ωστόσο, για να κατασκευαστούν «ζώα δωρητές», θα πρέπει να τροποποιηθούν έως και δώδεκα περίπου γονίδια στους χοίρους, για παράδειγμα. Αυτό είναι πρακτικά αδύνατο με συμβατικές μεθόδους γενετικής τροποποίησης. Η κλωνοποίηση θα μπορούσε τώρα να καταστήσει δυνατή την πρώτη παροχή κυττάρων σε καλλιέργεια με τις επιθυμητές γενετικές αλλαγές προτού δημιουργηθεί ένα γενετικά τροποποιημένο ζώο από αυτά με τη βοήθεια κλωνοποίησης με βάση την πυρηνική μεταφορά. Αλλά ακόμη και αν το «ιδανικό» ζώο δότης μπορούσε να δημιουργηθεί με αυτόν τον τρόπο, τα θεμελιώδη προβλήματα της απόρριψης πιθανότατα θα παρέμεναν. Είναι επίσης αβέβαιο εάν το ξένο ζωικό όργανο θα εκπληρώσει πραγματικά τη λειτουργία του στον άνθρωπο δέκτη. Το πρόβλημα της προσαρμογής των ζωικών ιών στον άνθρωπο παραμένει επίσης, με πιθανή συνέπεια επιδημίες.

Νομικές πτυχές

Στο ερώτημα ποιοι κανονισμοί διέπουν την κλωνοποίηση ζώων στη Γερμανία (και στο εξωτερικό) και υπό ποιες συνθήκες η κλωνοποίηση είναι ή δεν είναι νομικά επιτρεπτή. Δεν υπάρχει ρητή εξέταση των τεχνικών κλωνοποίησης στην Ομοσπονδιακή Δημοκρατία στον νόμο για την προστασία των ζώων, για παράδειγμα. Ωστόσο, η κλωνοποίηση των ζώων θα μπορούσε να καλυφθεί από τις διατάξεις του Τμήματος 7 (1) του Νόμου για την Προστασία των Ζώων, καθώς αυτή η παράγραφος περιέχει διατάξεις για πειράματα σε ζώα και οι διαδικασίες κλωνοποίησης είναι κυρίως σε πειραματικό στάδιο. Ωστόσο, η εφαρμογή και ο αντίκτυπος αυτής της παραγράφου συζητούνται με πολύ διαφορετικούς τρόπους: Εάν κάποιος δεν θεωρήσει τον αποπυρηνισμό του ωαρίου ως γενετική τροποποίηση με τη νομική έννοια, η μεταφορά του ωαρίου δεν μεταδίδεται αποτελούν πείραμα σε ζώα. Ωστόσο, αν κάποιος καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η κλωνοποίηση μέσω πυρηνικής μεταφοράς εμπίπτει στις διατάξεις του τμήματος 7, παράγραφος 1, πρόταση 2 του νόμου για την προστασία των ζώων, επειδή αυτό περιλαμβάνει παρεμβάσεις στο γενετικό υλικό και, επιπλέον, πειράματα κλωνοποίησης μπορεί να σχετίζεται με πόνο ή βλάβη για τα γενετικά τροποποιημένα ζώα (ή ζώα φορείς), τα πειράματα κλωνοποίησης μέσω πυρηνικής μεταφοράς θα υπόκεινται σαφώς σε άδεια.

Από συνταγματική άποψη, η απαγόρευση κλωνοποίησης στην Ομοσπονδιακή Δημοκρατία της Γερμανίας θα παραβίαζε τα θεμελιώδη δικαιώματα των ερευνητών και των επαγγελματιών σύμφωνα με το άρθρο 5 παράγραφος 3 (ελευθερία έρευνας) και το άρθρο 12 παράγραφος 1 GG (ελευθερία κατοχής). Η απαγόρευση κλωνοποίησης ή άλλοι περιορισμοί στην κλωνοποίηση θα συνιστούσαν επίσης καταπάτηση της συνταγματικά κατοχυρωμένης ελευθερίας της επιστήμης. Ένα συνταγματικό φράγμα που θα μπορούσε να δικαιολογήσει την καταπάτηση προφανώς δεν υπάρχει. Σύμφωνα με το άρθρο 12 παράγραφος 1 του βασικού νόμου, η απαγόρευση της κλωνοποίησης, για παράδειγμα, θα ήταν επομένως αντισυνταγματική, καθώς δεν θα ήταν συμβατή με το δημόσιο καλό και δεν θα καλυπτόταν από τη νομική επιφύλαξη του άρθρου 12 παράγραφος 1 πρόταση 2 του βασικού νόμου. Η κλωνοποίηση ζώων είναι επομένως επιτρεπτή κατ ‘αρχήν υπό τις σημερινές συνθήκες και υπόκειται μόνο σε περιορισμένους περιορισμούς σύμφωνα με την ισχύουσα νομοθεσία. Ο «κρατικός στόχος της προστασίας των ζώων» δεν αποκλείει τη χρήση ζώων από τον άνθρωπο, αλλά αυξάνει τις απαιτήσεις για την απαραίτητη αιτιολόγηση.

Ηθικές πτυχές

Οι διαφορετικές θέσεις στην κοινωνική συζήτηση και αξιολόγηση της κλωνοποίησης των ζώων μπορούν εν μέρει να εντοπιστούν σε διαφορετικές βασικές υποθέσεις αξίας. Αυτά καθορίζουν επίσης εάν η κλωνοποίηση των ζώων θεωρείται ότι έχει νέα ποιότητα σε σύγκριση με τις συμβατικές ή άλλες νέες μεθόδους αναπαραγωγής ζώων. Ορισμένες θεολογικά θεμελιωμένες θέσεις θεωρούν την κλωνοποίηση, για παράδειγμα, ως παρέμβαση στη δημιουργία στην οποία οι άνθρωποι δεν έχουν κανένα δικαίωμα. Όσοι αποδίδουν μια «εγγενή αξία» ή μια «αξιοπρέπεια δημιουργίας» στα ζώα θα θεωρούν γενικά την κλωνοποίηση ζώων τουλάχιστον ηθικά προβληματική. Από ανθρωποκεντρική σκοπιά, το ζήτημα της ασφάλειας των προϊόντων που παράγονται με τη βοήθεια της διαδικασίας κλωνοποίησης και των οικολογικών (εξαθλίωση της γενετικής ποικιλομορφίας) και των κοινωνικών (βιομηχανική μαζική παραγωγή, συγκέντρωση κεφαλαίου, νέες σχέσεις εξάρτησης) και κινδύνους που ενδεχομένως σχετίζονται με η χρήση του είναι σε πρώτο πλάνο. Λόγω της δυσκολίας επίτευξης ηθικής συναίνεσης, είναι απαραίτητο να εξεταστεί ποιες ηθικές αρχές θα πρέπει να καθοδηγούν την πιθανή χρήση της κλωνοποίησης ζώων.

Κατά κανόνα, οι ηθικολόγοι θεωρούν ότι οι στόχοι στη βιοϊατρική έρευνα και εφαρμογή έχουν υψηλή προτεραιότητα εάν είναι ιδιαίτερα επείγοντες ή ακόμη και ζωτικοί όσον αφορά την ανθρώπινη υγεία και μπορούν να επιτευχθούν μόνο με τη βοήθεια της κλωνοποίησης από ανώτερα ζώα. Οι στόχοι στον τομέα της βασικής έρευνας μπορούν επίσης να θεωρηθούν υψηλής προτεραιότητας και να δικαιολογήσουν την κλωνοποίηση ανώτερων ζώων εάν δεν υπάρχουν διαθέσιμες εναλλακτικές μέθοδοι. Ωστόσο, εάν η κλωνοποίηση σχετίζεται με σημαντική ταλαιπωρία για το συγκεκριμένο ζώο, πρέπει να εξεταστεί εάν το απλό ενδιαφέρον των ανθρώπων για τη γνώση αποτελεί ήδη επαρκή λόγο αιτιολόγησης ή εάν οι αιτιολογήσεις είναι δυνατές μόνο για ορισμένους στόχους, δηλαδή όταν είναι αναγκαίο να αποφευχθούν σημαντικό ανθρώπινο πόνο. Οι στόχοι στον τομέα της κτηνοτροφίας συνήθως αναφέρονται ως δευτερεύοντες στους αναφερόμενους στόχους, εκτός εάν εξυπηρετούν ρητά την εξασφάλιση της τροφικής βάσης για τους ανθρώπους.

Συμπεράσματα και επιλογές δράσης

Στην εφαρμοσμένη έρευνα, η κλωνοποίηση με βάση την πυρηνική μεταφορά ανοίγει νέους τρόπους παραγωγής διαγονιδιακών ζώων. Μερικές θεραπευτικά αποτελεσματικές πρωτεΐνες μπορούν να παραχθούν φθηνά με αυτόν τον τρόπο. Η παραγωγή αυτόλογου ιστού αντικατάστασης φαίνεται να είναι ελπιδοφόρα από ιατρική και ηθική άποψη, και επομένως οι αντίστοιχες ερευνητικές δραστηριότητες αξίζουν ιδιαίτερα υποστήριξης. Δεν είναι σαφές εάν θα είναι δυνατή η δημιουργία καλύτερων μοντέλων εξέτασης για ανθρώπινες ασθένειες σε ζώα αγροκτήματος, αλλά λόγω της μη αμελητέας ιατρικής σημασίας, οι προσπάθειες θα πρέπει επίσης να ενταθούν και να υποστηριχθούν σε αυτόν τον τομέα. Συνολικά, το πιθανό όφελος της κλωνοποίησης με βάση την πυρηνική μεταφορά για τους τομείς της έρευνας και της ιατρικής φαίνεται να είναι σχετικά υψηλό.

Από ηθική άποψη, η αξιολόγηση της κλωνοποίησης των ζώων πρέπει κατ ‘αρχήν να βασίζεται στα ίδια κριτήρια που εφαρμόζονται (ή πρέπει να εφαρμόζονται) στην παραδοσιακή εκτροφή ζώων. Από αυτή την άποψη, η σύσταση μιας εθνικής επιτροπής ηθικής, η οποία θα πρέπει να ασχοληθεί με τα ηθικά-ηθικά ζητήματα της προόδου της βιολογικής και βιοϊατρικής τεχνολογίας στο σύνολό της ή με τις συνέπειες της προόδου στη βιολογία και την ιατρική στον μη ανθρώπινο τομέα , επίσης προβληματίζεται σε διάφορα σημεία. Το καθήκον του θα ήταν να συμβουλεύει τους υπεύθυνους λήψης πολιτικών αποφάσεων και να ενημερώνει το κοινό.

Εισαγωγή

Η αρχή της βιωσιμότητας ή της αειφόρου ανάπτυξης αποτελεί αντικείμενο ευρέος φάσματος διεθνών, εθνικών και τοπικών δραστηριοτήτων, θεωρητικών προσπαθειών, νομικών και σχεδιαστικών μέτρων. Συνοδεύονται από μια σχεδόν ανεξέλεγκτη πληθώρα δημοσιεύσεων και τεκμηρίωσης. Ωστόσο, ουσιώδη ερωτήματα σχετικά με την ερμηνεία αυτής της αρχής παραμένουν αναπάντητα.

Η αρχή της βιωσιμότητας είναι ευρέως κατανοητή με βάση την έκθεση του 1987 της Παγκόσμιας Επιτροπής για το Περιβάλλον και την Ανάπτυξη (η λεγόμενη Έκθεση Brundtland), της οποίας ο ορισμός συχνά θεωρείται ως το πρότυπο: “Η ανθρωπότητα έχει την ικανότητα να κάνει την ανάπτυξη βιώσιμη – για να διασφαλιστεί ότι ανταποκρίνεται στις ανάγκες του παρόντος χωρίς να διακυβεύεται η ικανότητα των μελλοντικών γενεών να καλύψουν τις δικές τους ανάγκες. Το βασικό στοιχείο αυτής της αντίληψης είναι η προστασία του περιβάλλοντος από την άποψη της γενεάς και της διεθνούς δικαιοσύνης. Ωστόσο, η έκθεση περιέχει ένα δεύτερο, λιγότερο γνωστός ορισμός, ο οποίος δίνει έμφαση στις ριζικές κοινωνικές αλλαγές που απαιτούνται και τον χαρακτήρα της διαδικασίας της αειφόρου ανάπτυξης: «Η βιώσιμη ανάπτυξη είναι (…) μια διαδικασία αλλαγής στην οποία η εκμετάλλευση των πόρων, η κατεύθυνση των επενδύσεων, ο προσανατολισμός της τεχνολογικής ανάπτυξης , και οι θεσμικές αλλαγές γίνονται σύμφωνα με τις μελλοντικές αλλά και τις παρούσες ανάγκες.

Δέσμευση της Ευρώπης για βιώσιμη ανάπτυξη

Η αειφόρος ανάπτυξη βρίσκεται στο επίκεντρο της ευρωπαϊκής πολιτικής εδώ και πολλά χρόνια και οι Συνθήκες της Ευρώπης αναγνωρίζουν τις οικονομικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές διαστάσεις. Η οικονομική ευημερία, αποτελεσματικότητα, ειρηνικές κοινωνίες, κοινωνική ένταξη και υπευθυνότητα, με αξιοπρέπεια για όλους στο περιβάλλον τους, είναι η βάση της αειφόρου ανάπτυξης. Η βιώσιμη ανάπτυξη είναι συνεπώς ένα οριζόντιο ζήτημα που επηρεάζει όλα τα κράτη. Η Ευρώπη είναι συνεπώς υποχρεωμένη να καλύψει τις ανάγκες του παρόντος και δεν πρέπει να διακινδυνεύσει ότι οι μελλοντικές γενιές δεν θα είναι σε θέση να καλύψουν τις δικές τους ανάγκες.

Η διασφάλιση της βιωσιμότητας αποτελεί πρόκληση για την Ευρώπη, επειδή κυμαίνεται από την ανεργία των νέων, την κλιματική αλλαγή, τη ρύπανση, τις ενεργειακές και μεταναστευτικές πολιτικές έως τη γήρανση του πληθυσμού. Πρέπει να προετοιμαστούμε για τις τρέχουσες και μελλοντικές προκλήσεις και να ανταποκριθούμε στις γρήγορες και περίπλοκες παγκόσμιες αλλαγές και στις ανάγκες του αυξανόμενου πληθυσμού του κόσμου. Για να διατηρηθεί το ευρωπαϊκό κοινωνικό μοντέλο και η κοινωνική συνοχή, είναι απαραίτητο να επενδύσουμε στη νεολαία μας, να προωθήσουμε μια χωρίς αποκλεισμούς και βιώσιμη ανάπτυξη, να αντιμετωπίσουμε τις ανισότητες και να διαχειριστούμε τη μετανάστευση με σύνεση. Η βιωσιμότητα των συστημάτων υγείας και συνταξιοδότησής μας θα βελτιωθεί ακολουθώντας υπεύθυνες δημοσιονομικές πολιτικές και μεταρρυθμίσεις, διότι εάν θέλουμε να προστατεύσουμε το φυσικό μας κεφάλαιο, πρέπει να επιταχύνουμε τη μετάβαση σε μια ανταγωνιστική κυκλική οικονομία χαμηλών εκπομπών άνθρακα, ανθεκτικών στο κλίμα και αποδοτικών πόρων. Το Έτσι, απαιτείται ισχυρή δέσμευση για έρευνα και καινοτομία για να μετατραπούν αυτές οι προκλήσεις σε ευκαιρίες για νέες επιχειρήσεις και θέσεις εργασίας.

Ρύθμιση της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς

Η κατανόηση της αρχής της βιωσιμότητας διαδίδεται ως πρότυπο από την έκθεση της Παγκόσμιας Επιτροπής Περιβάλλοντος και Ανάπτυξης που δημοσιεύθηκε το 1987: «Η ανθρωπότητα έχει την ικανότητα να καθιστά την ανάπτυξη βιώσιμη – να διασφαλίζει ότι ικανοποιεί τις ανάγκες του παρόντος χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την ικανότητά του των επόμενων γενεών για να καλύψουν τις δικές τους ανάγκες ».

Η διαγενεακή και διεθνής δικαιοσύνη καθιστά την προστασία του περιβάλλοντος βασικό στοιχείο της ιδέας. Αλλά η έκθεση περιέχει έναν δεύτερο, λιγότερο γνωστό ορισμό, ο οποίος δίνει έμφαση στις απαραίτητες ριζικές κοινωνικές αλλαγές και τον χαρακτήρα της διαδικασίας της βιώσιμης ανάπτυξης: «Η βιώσιμη ανάπτυξη είναι ((…)) μια διαδικασία αλλαγής στην οποία η εκμετάλλευση των πόρων, η κατεύθυνση επενδύσεων, ο προσανατολισμός της τεχνολογικής ανάπτυξης και η θεσμική αλλαγή γίνονται συνεπείς με τις μελλοντικές αλλά και τις τρέχουσες ανάγκες».

Το λεγόμενο μοντέλο τριών πυλώνων είναι, ωστόσο, ο ορισμός που χρησιμοποιείται συχνότερα στο λόγο βιωσιμότητας: «Η βιωσιμότητα είναι η αντίληψη μιας μόνιμα βιώσιμης ανάπτυξης των οικονομικών, οικολογικών και κοινωνικών διαστάσεων της ανθρώπινης ύπαρξης. Αυτοί οι τρεις πυλώνες της αειφορίας αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και απαιτούν ισορροπημένο συντονισμό μακροπρόθεσμα ».

Η βιωσιμότητα είναι προσανατολισμένη προς το μέλλον και ταυτόχρονα ουτοπική, δηλαδή είναι μια ουτοπία, αλλά όχι με την έννοια της «ψευδαισθητικής ανεμελιάς», αλλά μάλλον «ως έκφραση μιας αποχώρησης σε ένα μέλλον προσβλητικά προσανατολισμένο προς την απόκτηση νέων προοπτικών». άποψη της στένωσης των μελλοντικών επιλογών λόγω οικονομικών, οικολογικών και κοινωνικών προβλημάτων.

Η ΕΕ είναι συνεπώς δεσμευμένη για μια ανάπτυξη που ικανοποιεί τις ανάγκες του παρόντος χωρίς να διακινδυνεύει ότι οι μελλοντικές γενιές δεν θα είναι σε θέση να καλύψουν τις δικές τους ανάγκες. Μια ζωή με αξιοπρέπεια για όλους με τους διαθέσιμους πόρους σε αυτόν τον πλανήτη, που χαρακτηρίζεται από οικονομική ευημερία, αποτελεσματικότητα, ειρηνικές κοινωνίες, κοινωνική ένταξη και περιβαλλοντική ευθύνη, αποτελεί τη βάση της αειφόρου ανάπτυξης.

Όργανα

Μέσα για την επιβολή της περιβαλλοντικής πολιτικής (περιβαλλοντικός σχεδιασμός)

Η περιβαλλοντική πολιτική αναπτύχθηκε στις βιομηχανοποιημένες χώρες κυρίως ως αντίδραση σε υψηλή περιβαλλοντική ένταση της βιομηχανίας στις αρχές της δεκαετίας του εβδομήντα τον περασμένο αιώνα ως ειδική κυβερνητική υπηρεσία. Στην αρχή περιορίστηκε κυρίως στη δραστηριότητα του κράτους. Εν τω μεταξύ, όμως, όλο και περισσότεροι σχετικοί με το περιβάλλον πρωταγωνιστές (οι λεγόμενοι “ενδιαφερόμενοι”) καλούνται να λογοδοτήσουν για περιβαλλοντικά θέματα. Ειδικά η άμεση ευθύνη του παραγωγού (πιθανών) περιβαλλοντικών προβλημάτων παίζει ολοένα και μεγαλύτερο ρόλο. Υπάρχει επίσης η ανάγκη άσκησης οικοπολιτικών στόχων και στρατηγικών σε άλλα τμήματα: π.χ. στην ενεργειακή -μεταφορική -και τη βιομηχανία -γεωργική -ή την οικοδομική και κατασκευαστική πολιτική. Τα «σκληρά» οικοπολιτικά μέσα (ως νόμοι και κανονισμοί) βρίσκονται δίπλα στις «ήπιες» μεθόδους ελέγχου της συμπεριφοράς.

Εκτός από το περιβαλλοντικό δίκαιο, ο περιβαλλοντικός σχεδιασμός αποτελεί το κεντρικό σύνολο εργαλείων, στο βαθμό που η οικολογική πολιτική θέλει να εφαρμοστεί όχι μόνο ως ρυθμιστική αλλά και ως διαμορφωτική πολιτική. Ο περιβαλλοντικός σχεδιασμός μπορεί να θεωρηθεί ως η ανάπτυξη βιώσιμων περιβαλλοντικών στρατηγικών, οι οποίες θα διευκολύνουν την επίτευξη περιφερειακών ή/και τομεακών στόχων προστασίας του περιβάλλοντος εντός συγκεκριμένου χρονικού πλαισίου: π.χ. μείωση των εκπομπών CO2 κατά 25% μέσα στα επόμενα δέκα χρόνια. Στη δεκαετία του ογδόντα του περασμένου αιώνα, το πέρασμα των εθνικών περιβαλλοντικών σχεδίων στη Δανία, την Ολλανδία και τη Φινλανδία έπαιξε έναν πρωτοποριακό ρόλο σε αυτό. Ως εκ τούτου, θα επεκταθούμε πρώτα στις δυνατότητες του περιβαλλοντικού σχεδιασμού.

Για την επιβολή των αρχών και των στόχων της περιβαλλοντικής πολιτικής, δύο νομικά μέσα εφαρμόζονται στο νομικό πλαίσιο πολλών κρατών εντός της ΕΕ, που σημαίνει τους διαφορετικούς τύπους περιβαλλοντικού σχεδιασμού και τα διαφορετικά μέτρα για τη ρύθμιση της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς. Ο περιβαλλοντικός σχεδιασμός αποτελεί σημαντικό μέσο προληπτικής προστασίας. Αυτός ο προγραμματισμός πραγματοποιείται ως διαδικασία πολλαπλών σταδίων, που περιλαμβάνει την καταγραφή της τρέχουσας κατάστασης, την πρόβλεψη μελλοντικών εξελίξεων και τη σύγκρουση στόχων και συμφερόντων. Τα σχέδια μπορούν να λάβουν τη μορφή νόμων, καταστατικών κανονισμών, καταστατικών, διοικητικών κανονισμών ή διοικητικών πράξεων, καθένα από τα οποία έχει διαφορετικές νομικές συνέπειες

Δύο μορφές περιβαλλοντικού σχεδιασμού είναι κυρίαρχες: Ο λεγόμενος «ολοκληρωμένος σχεδιασμός». Το καθήκον του συνολικού σχεδιασμού σχετικά με το περιβάλλον είναι να καθορίσει, κατά την άσκηση προνοητικότητας, τη χρήση γης για οικιστικούς, οικονομικούς και αναψυκτικούς σκοπούς για μια συγκεκριμένη περιοχή, ανεξάρτητα από οποιοδήποτε συγκεκριμένο έργο και δεν περιορίζεται σε κάποιο συγκεκριμένο τομέα. Και το δεύτερο είναι ο τομεακός σχεδιασμός: Αντίθετα, ο τομεακός σχεδιασμός αφορά το περιβάλλον και χρησιμεύει για την κατάρτιση σχεδίων προστασίας του περιβάλλοντος. Πρόκειται κυρίως για σχέδια τοπίου, σχέδια καθαρού αέρα, σχέδια μείωσης θορύβου, σχέδια διατήρησης νερού και σχέδια διαχείρισης απορριμμάτων, τα οποία απαιτούν πρόσθετα μέτρα επιβολής.

Ένα άλλο σημαντικό μέσο για την επιβολή των απαιτήσεων περιβαλλοντικής πολιτικής είναι η «εκτίμηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων» (ΜΠΕ). Ο πρωταρχικός στόχος αυτού του μέσου είναι η έγκαιρη και ολοκληρωμένη ενημέρωση της διοίκησης για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις περιβαλλοντικά σημαντικών έργων. Η αξιολόγηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων είναι ο εντοπισμός, η περιγραφή και η αξιολόγηση όλων των άμεσων και έμμεσων επιπτώσεων ενός προγραμματισμένου έργου στο περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένων των οικολογικών αλληλεπιδράσεων, εγκαίρως, επιτρέποντας έτσι τη λήψη προληπτικών μέτρων, σε όλα τα μέσα και τους τομείς, καθώς και το κοινό.

Μέσα ρύθμισης της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς

Η περιβαλλοντική συμπεριφορά είναι ίσως ο σημαντικότερος στόχος για την περιβαλλοντική πολιτική και εκπαίδευση. Υπάρχουν ορισμένα μέσα για τη ρύθμιση της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς. Πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ άμεσων και έμμεσων μορφών ρύθμισης:

Η άμεση ρύθμιση της συμπεριφοράς αφορά νομικά μέτρα που έχουν σχεδιαστεί για να επηρεάζουν άμεσα την περιβαλλοντική συμπεριφορά. Το «κλασικό» όργανο αυτού του τύπου είναι το περιβαλλοντικό κανονιστικό δίκαιο, το οποίο προέρχεται από το αστυνομικό και κανονιστικό δίκαιο και γενικά τιμωρεί τη μη συμμόρφωση με την επιβολή κυρώσεων. κοινοποίηση, εγγραφή, αδειοδότηση, εξουσιοδότηση, έγκριση και άλλες διαδικασίες χορήγησης άδειας για την άσκηση μιας τέτοιας δραστηριότητας. Επιπλέον, η άμεση ρύθμιση ασκείται επίσης μέσω ρητής (απολύτως) απαγόρευσης ή απαίτησης ορισμένης συμπεριφοράς από το νόμο.

Αρχές για πολιτικά και νομικά μέτρα

Το σημαντικό είναι να διακρίνουμε και να εξηγήσουμε τις αρχές που διέπουν το περιβαλλοντικό δίκαιο τόσο σε εθνικό όσο και σε διεθνές πλαίσιο και να κατανοήσουμε την έννοια της «περιβαλλοντικής βιωσιμότητας» και της «βιώσιμης ανάπτυξης» στο πλαίσιο της προστασίας της φύσης Το σοβαρό και ουσιαστικό περιβαλλοντικό δίκαιο πρέπει να καθοδηγείται από ορισμένους αρχές υψηλού επιπέδου. Για πολλούς διεθνείς και εθνικούς κανονισμούς στον τομέα του περιβαλλοντικού δικαίου εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης (π.χ. στη Γερμανία), τέσσερις βασικές αρχές αποτελούν τη βάση για όλες τις διαδικασίες νομοθετικής περιβαλλοντικής νομοθεσίας σχετικά με την αρχή της προφύλαξης, την αρχή «ο ρυπαίνων πληρώνει», της αειφόρου ανάπτυξης (που αφορά την ενσωμάτωση της προστασίας του περιβάλλοντος και της οικονομικής ανάπτυξης) και την αρχή της συνεργασίας.

Συχνά αναφέρονται και άλλες αρχές, οι οποίες συμπληρώνουν τις τέσσερις βασικές αρχές ή τις ορίζουν με συγκεκριμένο τρόπο. Μερικά παραδείγματα είναι τα περιβαλλοντικά διαδικαστικά δικαιώματα, οι κοινές αλλά διαφοροποιημένες ευθύνες, η ισότητα διεθνών και γενεών, η κοινή ανησυχία της ανθρωπότητας και η κοινή κληρονομιά.

Αρχή προφύλαξης

Στην προέλευσή του, η αρχή της προφύλαξης είναι μάλλον πολιτική παρά φιλοσοφική και εισήχθη για πρώτη φορά ως «αρχή προφύλαξης» στη γερμανόφωνη περιοχή. Ενσωματώθηκε σε πολλά εθνικά νομικά κείμενα και διεθνείς συνθήκες ή δηλώσεις. Ο Per Sandin έδωσε έναν καλό ορισμό: «Το βασικό μήνυμα της αρχής της προφύλαξης είναι ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, πρέπει να ληφθούν μέτρα κατά ενός πιθανού κινδύνου, ακόμη και αν τα διαθέσιμα στοιχεία δεν επαρκούν για να αντιμετωπίσουν την ύπαρξη αυτού του κινδύνου ως επιστημονικό γεγονός .. ” Ως εκ τούτου, μπορεί να δηλωθεί ότι η αρχή της προφύλαξης βασίζεται στην ανίχνευση κινδύνων και στην επιστημονική αβεβαιότητα. Κατά συνέπεια, το βάρος της απόδειξης (ότι μια ενέργεια μπορεί να προκαλέσει σοβαρή βλάβη στο κοινό ή το περιβάλλον) βαρύνει αυτούς που επικαλούνται μέτρα για την πρόληψη μιας τέτοιας βλάβης. Κάθε φορά που κάποιος μπορεί να προβλέψει εύλογη βλάβη για την κοινωνία ή το περιβάλλον, πρέπει να εφαρμόζεται η αρχή της προφύλαξης. Αλλά συχνά δεν είναι σαφές εάν μια προγραμματισμένη ενέργεια θα προκαλέσει βλάβη στο κοινό ή το περιβάλλον ή όχι, επειδή ο πιθανός αντίκτυπος των ανθρώπινων ενεργειών στο περιβάλλον ή την ανθρώπινη υγεία εξαρτάται συχνά από τη δυναμική των πολύπλοκων συστημάτων, οπότε οι πραγματικές συνέπειες των ενεργειών μπορεί να είναι απρόβλεπτο. Επομένως απαιτείται περαιτέρω επιστημονική έρευνα – αλλά και προσοχή εάν μια τρέχουσα δράση επεμβαίνει σε πολύπλοκα (ανθρώπινα ή φυσικά) συστήματα.

Σήμερα η αρχή της προφύλαξης έχει ενσωματωθεί σε πολλές ευρωπαϊκές και διεθνείς συμβάσεις και συνθήκες. Στην Έκθεση του 1976 για το Περιβάλλον, για παράδειγμα, η Γερμανική Ομοσπονδιακή Κυβέρνηση περιγράφει την αρχή της προφύλαξης ως εξής: Η περιβαλλοντική πολιτική δεν περιορίζεται στην αποφυγή επικείμενου κινδύνου και την αποκατάσταση ζημιών που έχουν ήδη συμβεί. Η προληπτική περιβαλλοντική πολιτική απαιτεί επιπλέον να προστατεύεται και να αντιμετωπίζεται με προσοχή το φυσικό περιβάλλον. Η αρχή της προφύλαξης ενσωματώνεται σε μια σειρά περιβαλλοντικών διατάξεων και περιλαμβάνει επίσης τη διατήρηση των πόρων εκτός από την προφύλαξη κινδύνου.

Η αρχή της προφύλαξης είναι ιδιαίτερα σημαντική σε νομικούς κανονισμούς και αποφάσεις σχετικά με πιθανούς κινδύνους για τη δημόσια υγεία, όπως η εμπορία γενετικά τροποποιημένων τροφίμων, η χρήση αυξητικών ορμονών στην εκτροφή βοοειδών ή τα μέτρα πρόληψης της ασθένειας της «τρελής αγελάδας».

Παρ ‘όλα αυτά, σε πραγματικές περιπτώσεις, οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής συχνά αντιμετωπίζουν την έλλειψη έγκυρης επιστημονικής πληροφορίας ή τις ανεπανόρθωτες συγκρούσεις μεταξύ των συμφερόντων των διαφόρων ενδιαφερομένων. Μερικές φορές είναι πολύ δύσκολο να εκτιμηθεί ή να εκτιμηθεί η πιθανή ζημιά και να βρεθεί ένας αποδεκτός πολιτικός συμβιβασμός. Ωστόσο, η αυστηρή εφαρμογή της αρχής της προφύλαξης πρέπει να αποφεύγεται όταν δεν υπάρχει επαρκής γνώση για το εάν υπάρχει πραγματικός δυνητικός κίνδυνος από ένα καινοτόμο προϊόν ή μια δραστηριότητα ή όχι. Σε αυτήν την περίπτωση, η αρχή θα μπορούσε να ληφθεί άπειρα ως απόλυτη απαγόρευση όλων των ενεργειών – η οποία θα μπορούσε να σταματήσει κάθε τεχνολογική καινοτομία και πρόοδο.

Αρχή ρυπαίνων πληρώνει (έναντι αρχής κοινότητας πληρώνει)

Η αρχή «ο ρυπαίνων πληρώνει» αναφέρει ότι αυτός που προκαλεί περιβαλλοντικές επιπτώσεις θεωρείται κυρίως υπεύθυνος-υλικά και οικονομικά-για την προστασία του περιβάλλοντος και απαιτείται για την πρόληψη, διόρθωση ή οικονομική αντιστάθμιση αυτών των επιπτώσεων. Αλλά ένα πρόβλημα προκύπτει σε περιπτώσεις κληρονομικής ρύπανσης όπου τα υπεύθυνα μέρη συχνά δεν μπορούν να θεωρηθούν υπεύθυνα και – εάν κανένα άλλο μέρος δεν μπορεί να θεωρηθεί υπεύθυνο – το ευρύ κοινό πρέπει να αναλάβει το κόστος. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η αρχή «ο ρυπαίνων πληρώνει» θα αντικατασταθεί από την αρχή «πληρώνει η κοινότητα».

Στο περιβαλλοντικό δίκαιο, η αρχή «ο ρυπαίνων πληρώνει» θεσπίζεται για να καταστήσει το υπεύθυνο μέρος για την παραγωγή ρύπανσης υπεύθυνο για την καταβολή των ζημιών στο φυσικό περιβάλλον. Θεωρείται ως γενικό έθιμο λόγω της ισχυρής υποστήριξης που έχει λάβει στις περισσότερες χώρες του Οργανισμού Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (ΟΟΣΑ) και της Ευρωπαϊκής Κοινότητας (ΕΚ). Στο διεθνές περιβαλλοντικό δίκαιο αναφέρεται στην Αρχή 16 της Διακήρυξης του Ρίο για το Περιβάλλον και την Ανάπτυξη (1992).

Η αρχή «ο ρυπαίνων πληρώνει» αποτελεί σημαντικό στοιχείο της περιβαλλοντικής πολιτικής και επηρεάζει, για παράδειγμα, πολιτικά μέτρα για τη μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου. Συχνά αυτή η αρχή θα εφαρμοστεί ως η λεγόμενη «εκτεταμένη ευθύνη για τους ρύπους» (EPR). Αυτή η ιδέα πιθανότατα διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τη σουηδική κυβέρνηση το 1975. Για παράδειγμα, το EPR μπορεί να βοηθήσει στην μετατόπιση της ευθύνης για την αντιμετώπιση των αποβλήτων από τις κυβερνήσεις και τους φορολογούμενους στους πραγματικούς παραγωγούς των αποβλήτων. Ο ΟΟΣΑ ορίζει το EPR ως: μια έννοια όπου οι κατασκευαστές και οι εισαγωγείς προϊόντων θα πρέπει να φέρουν σημαντικό βαθμό ευθύνης για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των προϊόντων τους καθ ‘όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής του προϊόντος, συμπεριλαμβανομένων των αντίθετων επιπτώσεων που είναι εγγενείς στην επιλογή των υλικών για τα προϊόντα, επιπτώσεις από τους κατασκευαστές «η ίδια η διαδικασία παραγωγής και οι μεταγενέστερες επιπτώσεις από τη χρήση και τη διάθεση των προϊόντων. Οι παραγωγοί αποδέχονται την ευθύνη τους όταν σχεδιάζουν τα προϊόντα τους για την ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του κύκλου ζωής και όταν αποδέχονται νομική, φυσική ή κοινωνικοοικονομική ευθύνη για περιβαλλοντικές επιπτώσεις που δεν μπορούν να εξαλειφθούν με σχεδιασμό.

Η αρχή της βιωσιμότητα (βιώσιμη ανάπτυξη)

Μια άλλη σημαντική αρχή είναι η αρχή της αειφόρου ανάπτυξης, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως παράδειγμα εφαρμογής της αρχής της προφύλαξης στους πόρους. Αυτή η αρχή είναι ένα πρότυπο χρήσης πόρων που στοχεύει στην κάλυψη των ανθρώπινων αναγκών διατηρώντας παράλληλα το περιβάλλον, έτσι ώστε αυτές οι ανάγκες να μπορούν να καλυφθούν όχι μόνο στο παρόν, αλλά και στις μελλοντικές γενιές. Για πρώτη φορά, ο όρος «βιώσιμη ανάπτυξη» χρησιμοποιήθηκε από την Επιτροπή Brundtland (1987), η οποία έδωσε τον πιο διάσημο ορισμό της βιώσιμης ανάπτυξης ως ανάπτυξη που «ικανοποιεί τις ανάγκες του παρόντος χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την ικανότητα των επόμενων γενεών να ανταποκριθούν τις δικές τους ανάγκες »(Ηνωμένα Έθνη 1987).

Ο όρος «βιώσιμη ανάπτυξη» επιδιώκει να συνδυάσει τους πόρους και τις διαδικασίες των φυσικών συστημάτων με τις ανθρώπινες ανάγκες και τις οικονομικές δραστηριότητες των κοινωνικών συστημάτων. Δη στη δεκαετία του 1970 ο όρος «βιωσιμότητα» είχε χρησιμοποιηθεί για μια οικονομία «σε ισορροπία με βασικά συστήματα οικολογικής υποστήριξης». Με βάση την ιδέα της βιωσιμότητας και σύμφωνα με τις ανησυχητικές θέσεις του “The Limits to Growth” πολλοί οικολόγοι προσπάθησαν να δημιουργήσουν τη νέα έννοια της “σταθερής κρατικής οικονομίας”, ειδικά σε σχέση με περιβαλλοντικές ανησυχίες. Στο πλαίσιο αυτό, η «βιώσιμη ανάπτυξη» δεν αναφέρεται μόνο σε περιβαλλοντικά ζητήματα, αλλά λαμβάνει επίσης υπόψη κοινωνικές και οικονομικές εκτιμήσεις: την επίλυση συγκρούσεων μεταξύ διαφορετικών ανταγωνιστικών στόχων και ενδιαφερομένων και την εναρμόνιση της οικονομικής ανάπτυξης και της κοινωνικής ευημερίας με την περιβαλλοντική ποιότητα. Η έννοια της αειφόρου ανάπτυξης-τόσο της φύσης όσο και της κοινωνίας-επισημαίνει ότι η επιβίωση της ανθρωπότητας εξαρτάται ουσιαστικά από την επιβίωση της φύσης (ή του φυσικού περιβάλλοντος), επειδή η οικονομική και κοινωνικο-πολιτιστική ευημερία συνδυάζεται άμεσα με την ευημερία της φύσης- πόροι, φυτά, ζώα κλπ. Τελικά, η εκμετάλλευση και η υποβάθμιση της φύσης μπορεί να οδηγήσει στην αδυναμία διατήρησης της ανθρώπινης ζωής και ακόμη και στην εξαφάνιση της ανθρωπότητας. Η θεωρία της βιώσιμης ανάπτυξης βασίζεται επομένως στην υπόθεση ότι οι κοινωνίες πρέπει να διαχειρίζονται τρεις μορφές μη υποκατάστατου κεφαλαίου: το οικονομικό, το κοινωνικό και το φυσικό κεφάλαιο.

Μπορεί να βρίσκουμε τρόπους να αντικαταστήσουμε κάποιους φυσικούς πόρους, αλλά είναι απίθανο να μπορέσουμε ποτέ να αντικαταστήσουμε τις υπηρεσίες που παρέχει το οικοσύστημα: για παράδειγμα, για να μας προστατεύσει από την επικίνδυνη κοσμική ακτινοβολία με ένα άθικτο στρώμα όζοντος , ή να μας τροφοδοτήσει με αρκετό οξυγόνο όπως κάνουν τα τροπικά δάση ή τα φύκια των ωκεανών. Η πολυλειτουργικότητα πολλών φυσικών πόρων και επίσης η βιοποικιλότητα είναι αναντικατάστατες. Επιπλέον, η υποβάθμιση των φυσικών πόρων και η απώλεια φυσικών υπηρεσιών (π.χ. η απορρόφηση θρεπτικών συστατικών από μια λίμνη) είναι συχνά μη αναστρέψιμες διαδικασίες – όπως η απώλεια της εθνοτικής και πολιτιστικής πολυμορφίας (π.χ. γηγενείς γλώσσες). Συνεπώς, μόνο μια βιώσιμη ανάπτυξη μπορεί να εξασφαλίσει και τα δύο: την προστασία ενός λειτουργικού άθικτου περιβάλλοντος και την επιβίωση και ευημερία των ανθρώπων.

Αρχή της συνεργασίας

«Η αρχή της συνεργασίας υπογραμμίζει ότι η προστασία του περιβάλλοντος είναι ευθύνη όλης της κοινωνίας και όχι μόνο του κράτους: κατά συνέπεια, όλα τα μέρη της κοινωνίας και του κράτους καλούνται να συνεργαστούν» (Knopp 2008: 49) Η αρχή της συνεργασίας είναι η πιο αδύναμη τις τέσσερις περιβαλλοντικές αρχές, και δύσκολα μπορεί να θεωρηθεί ότι πληροί τις απαιτήσεις που απαιτούνται από μια κατευθυντήρια αρχή του δικαίου.

Άλλες αρχές στο εθνικό και διεθνές περιβαλλοντικό δίκαιο

Εκτός από τις τέσσερις βασικές αρχές, υπάρχουν πολλές άλλες που καθοδηγούν το εθνικό και διεθνές περιβαλλοντικό δίκαιο, όπως η «αρχή του παππού» ή η «αρχή ότι η δράση δεν μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική επιδείνωση των περιβαλλοντικών συνθηκών». Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό, θα πρέπει επίσης να αναφέρουμε την αρχή της διασυνοριακής προστασίας του περιβάλλοντος: αυτή η αρχή αντικατοπτρίζει τη διορατικότητα ότι τα περιβαλλοντικά προβλήματα δεν σταματούν στα εθνικά σύνορα. Για παράδειγμα, αυτή η αρχή στηρίζει μεγάλο μέρος της οδηγίας-πλαισίου για τα ύδατα της Ευρωπαϊκής Ένωσης, όπου καλύπτει τη διασυνοριακή διαχείριση των υδάτινων πόρων στις φυσικές λεκάνες απορροής ποταμών.

Οι εθνικοί καθώς και οι διεθνείς περιβαλλοντικοί νόμοι συχνά βασίζονται στις προαναφερόμενες αρχές, ιδίως στην αρχή των διασυνοριακών. Αυτό είναι σημαντικό, επειδή πολλά περιβαλλοντικά προβλήματα είναι προβλήματα διέλευσης συνόρων, για παράδειγμα, η κλιματική αλλαγή, το θαλασσινό νερό και η ατμοσφαιρική ρύπανση.

Ρύθμιση Περιβαλλοντικής Συμπεριφοράς

Μέσα για την επιβολή της περιβαλλοντικής πολιτικής (σχεδιασμός)

Η περιβαλλοντική πολιτική αναπτύχθηκε στις βιομηχανικές χώρες κυρίως ως αντίδραση στην ιδιαίτερα εντατική ανάπτυξη της περιβαλλοντικής βιομηχανίας στις αρχές της δεκαετίας του 1970 σε ειδικές κυβερνητικές υπηρεσίες. Στην αρχή η πολιτική περιορίστηκε κυρίως στη δραστηριότητα του κράτους. Με την πάροδο των ετών, ωστόσο, όλο και περισσότεροι πρωταγωνιστές με οποιοδήποτε ενδιαφέρον στον τομέα του περιβάλλοντος (τα λεγόμενα «ενδιαφερόμενα μέρη») καλούνται να λογοδοτήσουν σε περιβαλλοντικά θέματα. Ειδικότερα, η ευθύνη του παραγωγού (πιθανών) περιβαλλοντικών προβλημάτων γίνεται όλο και πιο σημαντική. Υπάρχει επίσης ανάγκη άσκησης οικοπολιτικών στόχων και στρατηγικών σε άλλα τμήματα, για παράδειγμα, στην πολιτική για την ενέργεια, τις μεταφορές και τη βιομηχανία, τη γεωργία και την οικοδόμηση και τις κατασκευές. Υπάρχουν «σκληρά» οικοπολιτικά μέσα (όπως νόμοι και κανονισμοί) παράλληλα με τις «ήπιες» μεθόδους ελέγχου της συμπεριφοράς (όπως η εκπαίδευση μηχανικών σχετικά με την περιβαλλοντική ευαισθητοποίηση), για παράδειγμα, στην περίπτωση έργων που αφορούν πολλά ιδιωτικά ενδιαφερόμενα μέρη ή το κοινό.

Εκτός από το περιβαλλοντικό δίκαιο, οι μορφές περιβαλλοντικού σχεδιασμού είναι ένα κεντρικό σύνολο εργαλείων στο βαθμό που η περιβαλλοντική πολιτική προσπαθεί να λειτουργήσει όχι μόνο ως ρυθμιστικό αλλά και ως διαμορφωτικό μέσο. Ο περιβαλλοντικός σχεδιασμός μπορεί να θεωρηθεί ως ανάπτυξη βιώσιμων περιβαλλοντικών στρατηγικών για τη διευκόλυνση της επίτευξης περιφερειακών ή τομεακών στόχων για την προστασία του περιβάλλοντος εντός συγκεκριμένου χρονικού πλαισίου, για παράδειγμα, τη μείωση των εκπομπών CO2 κατά 25% μέσα στα επόμενα δέκα χρόνια. Στη δεκαετία του 1980 η εφαρμογή εθνικών περιβαλλοντικών σχεδίων στη Δανία, τις Κάτω Χώρες και τη Φινλανδία έπαιξε έναν πρωτοποριακό ρόλο σε αυτό. Ως εκ τούτου, θα επεκταθούμε πρώτα στις δυνατότητες του περιβαλλοντικού σχεδιασμού.

Για την επιβολή των αρχών και των στόχων της περιβαλλοντικής πολιτικής, δύο νομικά μέσα εφαρμόζονται στο νομικό πλαίσιο πολλών κρατών εντός της ΕΕ, που σημαίνει διαφορετικούς τύπους περιβαλλοντικού σχεδιασμού και διαφορετικά μέτρα για τη ρύθμιση της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς.

Ο περιβαλλοντικός σχεδιασμός παρέχει ένα σημαντικό μέσο προληπτικής προστασίας. Ο προγραμματισμός πραγματοποιείται ως διαδικασία πολλαπλών σταδίων, που περιλαμβάνει την καταγραφή της τρέχουσας κατάστασης και την πρόβλεψη των μελλοντικών εξελίξεων. Επιπλέον, πρέπει να λάβει υπόψη πιθανές συγκρούσεις συμφερόντων.

Τα σχέδια μπορούν να λάβουν τη μορφή νόμων, νόμιμων κανονισμών, καταστατικών, διοικητικών κανονισμών ή διοικητικών πράξεων, καθένα από τα οποία έχει διαφορετικές νομικές συνέπειες. Επιπλέον, ο περιβαλλοντικός σχεδιασμός μπορεί να περιλαμβάνει ολοκληρωμένο σχεδιασμό ή τομεακό σχεδιασμό. Δύο μορφές περιβαλλοντικού σχεδιασμού κυριαρχούν, ο ολοκληρωμένος σχεδιασμός. Το καθήκον του συνολικού σχεδιασμού είναι «να καθορίσει, κατά την άσκηση προνοητικότητας, τη χρήση γης για οικιστικούς, οικονομικούς και ψυχαγωγικούς σκοπούς για μια συγκεκριμένη περιοχή, ανεξάρτητα από οποιοδήποτε συγκεκριμένο έργο και δεν περιορίζεται σε συγκεκριμένο τομέα» και τον τομεακό σχεδιασμό. Αντίθετα, ο τομεακός σχεδιασμός χρησιμεύει για την κατάρτιση σχεδίων προστασίας του περιβάλλοντος για συγκεκριμένους τομείς, κυρίως τοπίο, καθαρό αέρα, μείωση θορύβου, εξοικονόμηση νερού και διαχείριση αποβλήτων, τα οποία απαιτούν πρόσθετα μέτρα επιβολής

Ένα άλλο σημαντικό μέσο για την επιβολή απαιτήσεων περιβαλλοντικής πολιτικής είναι η εκτίμηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων (ΜΠΕ). Ο πρωταρχικός στόχος αυτού του μέσου είναι «η πλήρης και έγκαιρη ενημέρωση της διοίκησης για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις περιβαλλοντικά σημαντικών έργων» η ΜΠΕ χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό, την περιγραφή και την αξιολόγηση όλων των άμεσων και έμμεσων επιπτώσεων ενός προγραμματισμένου έργου στο περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένων των οικολογικών αλληλεπιδράσεων, εγκαίρως, επιτρέποντας έτσι τη λήψη προληπτικών μέτρων σε όλα τα μέσα και τους τομείς, και τη συμμετοχή του κοινού.

Μέσα ρύθμισης της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς

Η περιβαλλοντική συμπεριφορά είναι ίσως ο σημαντικότερος στόχος για την περιβαλλοντική πολιτική και εκπαίδευση. Υπάρχουν διάφορα μέσα για τη ρύθμιση της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς, τα οποία μπορούν να διακριθούν ως άμεσες ή έμμεσες μορφές ρύθμισης: ως (1) άμεση ρύθμιση και (2) έμμεση ρύθμιση της συμπεριφοράς.

Άμεση ρύθμιση της συμπεριφοράς

Η άμεση ρύθμιση της συμπεριφοράς αφορά νομικά μέτρα που έχουν σχεδιαστεί για να επηρεάζουν άμεσα την περιβαλλοντική συμπεριφορά. Το παραδοσιακό μέσο αυτού του τύπου είναι το περιβαλλοντικό κανονιστικό δίκαιο, «το οποίο προέρχεται από το αστυνομικό και κανονιστικό δίκαιο και γενικά τιμωρεί τη μη συμμόρφωση με την επιβολή κυρώσεων». Κατά συνέπεια, οι ενέργειες με δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις υπόκεινται σε διοικητικό έλεγχο, ο οποίος χαρακτηρίζεται από νομικές απαιτήσεις κοινοποίησης, καταχώρισης, αδειοδότησης, εξουσιοδότησης, έγκρισης και άλλων διαδικασιών χορήγησης άδειας για την ανάληψη τέτοιας δραστηριότητας. Επιπλέον, η άμεση ρύθμιση ασκείται επίσης μέσω ρητής απαγόρευσης ή απαίτησης ορισμένης συμπεριφοράς από το νόμο.

Οι απόλυτες νομικές απαγορεύσεις (π.χ. στη Γερμανία σύμφωνα με τον Ομοσπονδιακό Νόμο για την Προστασία της Φύσης, 2002, §§ 23 [2], 42 [1] και [2]), απαγορεύουν άμεσα ορισμένες συμπεριφορές με δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον. Ωστόσο, οι νομοθέτες σπάνια χρησιμοποιούν μέτρα αυτού του τύπου. Αντίθετα, οι διαδικασίες αδειοδότησης αποτελούν το βασικό μέσο στην τρέχουσα περιβαλλοντική κανονιστική νομοθεσία σε πολλά ευρωπαϊκά κράτη. Τα έργα που υπόκεινται σε άδεια απαγορεύονται αυστηρά χωρίς άδεια. «Η ανέγερση ή λειτουργία εγκατάστασης περιβαλλοντικής σημασίας, η χρήση περιβαλλοντικών μέσων ή η παραγωγή και διανομή ορισμένων προϊόντων ενδέχεται να υπόκεινται σε άδεια». Επομένως, η άδεια αποτελεί συστατική διοικητική πράξη, δεδομένου ότι παρέχει στον αιτούντα το δικαίωμα να ασκεί νόμιμα μια κατά τα άλλα απαγορευμένη δραστηριότητα. Το περιβαλλοντικό δίκαιο περιλαμβάνει μια σειρά από αποκαλούμενες περιβαλλοντικές υποχρεώσεις, εκ των οποίων οι βασικές υποχρεώσεις έχουν ιδιαίτερη σημασία. Επιβάλλουν ορισμένες υποχρεώσεις είτε σε όλους είτε σε μια συγκεκριμένη ομάδα ανθρώπων. Κανονικά, αυτές οι βασικές υποχρεώσεις περιλαμβάνουν προληπτικά και προληπτικά μέτρα, κυρίως τη διατήρηση πόρων (π.χ. νερό ή έδαφος). Εκτός από αυτές τις βασικές υποχρεώσεις, υπάρχουν «πολλές παράπλευρες υποχρεώσεις που μπορούν να ωφελήσουν το περιβάλλον, όπως υποχρεώσεις προώθησης και απόδοσης, υποχρεώσεις παρακολούθησης και προστασίας, υποχρεώσεις συνεργασίας και διαρκούς αποκάλυψης πληροφοριών, οργανωτικές υποχρεώσεις και υποχρεώσεις ανοχής ορισμένων ενεργειών.

Έμμεση ρύθμιση της συμπεριφοράς

Η έμμεση ρύθμιση της συμπεριφοράς δεν βασίζεται σε κανόνες που επιβάλλουν τη συμπεριφορά, αλλά στοχεύει να επηρεάσει τα κίνητρα: παρέχονται κίνητρα για φιλική προς το περιβάλλον συμπεριφορά αφήνοντας διακριτική ευχέρεια στον αποδέκτη. Τα μέσα έμμεσης συμπεριφοράς ρύθμισης περιλαμβάνουν κυρίως ενημερωτικά μέσα, οικονομικά μέσα, όπως πιστοποιητικά εισφορών και επιδοτήσεις.

Πληροφορίες, εκκλήσεις και προειδοποιήσεις, σημαίνει ότι σύμφωνα με τον γερμανικό νόμο για τις περιβαλλοντικές πληροφορίες (1994), η παροχή δωρεάν πρόσβασης σε περιβαλλοντικές πληροφορίες θεωρείται μέσο ενίσχυσης της ευαισθητοποίησης των πολιτών και των δημόσιων αρχών για την ανάγκη αποτελεσματικής προστασίας του περιβάλλοντος. Αυτά τα μέσα ευαισθητοποίησης για το περιβάλλον κυμαίνονται από πολιτικές και ηθικές εκκλήσεις έως προειδοποιήσεις, συστάσεις και άλλες μορφές πληροφοριών, όπως ετικέτες και πληροφορίες προϊόντων και χρήσης. Τα πιο σημαντικά μέσα για την έμμεση ρύθμιση της συμπεριφοράς είναι οι περιβαλλοντικές εισφορές. «Τοποθετούν ένα τίμημα στη χρήση του περιβάλλοντος και το αφήνουν στους συμμετέχοντες στην αγορά να αποφασίσουν εάν και πώς θα αντιδράσουν με βάση τις ατομικές αναλύσεις κόστους -οφέλους». Στην πράξη, η αδυναμία να επηρεάσει με ακρίβεια τη συμπεριφορά μέσω περιβαλλοντικών εισφορών μπορεί να δημιουργήσει πρόβλημα. Εάν είναι πολύ χαμηλά, οι ρυπαίνοντες θα επιλέξουν να πληρώσουν την εισφορά αντί να αλλάξουν τη συμπεριφορά που είναι επιβλαβής για το περιβάλλον. Εάν οι εισφορές καθοριστούν πολύ υψηλές, ενδέχεται να εμποδίσουν την οικονομική ανταγωνιστικότητα. Για παράδειγμα, οι ακόλουθες επιβαρύνσεις για το περιβάλλον επιβάλλονται στη Γερμανία το 2012, για παράδειγμα τέλη λυμάτων, αντισταθμιστικά τέλη βάσει του νόμου περί προστασίας της φύσης και τέλη προστασίας των δασών σε διάφορα γερμανικά κράτη, τέλη άντλησης νερού σε ορισμένα γερμανικά κράτη («δεκάρα νερού») και τα τέλη μεταφοράς αποβλήτων (καταναλωτικό δίκαιο).

Οι περιβαλλοντικές εισφορές μπορεί να επιβάλλονται ως φόροι, τέλη και εισφορές για παροχές που προκύπτουν, και ειδικές εισφορές. Η παροχή πλεονεκτημάτων στους χρήστες φιλικών προς το περιβάλλον προϊόντων σημαίνει «Οφέλη για χρήση», οι διατάξεις που χαλαρώνουν ή άρουν τους γενικούς περιορισμούς που επιβάλλονται στη χρήση επιβλαβών για το περιβάλλον προϊόντων στην περίπτωση προϊόντων που πληρούν πρότυπα που, αν και δεν απαιτούνται από το νόμο, θεωρείται επιθυμητό, ​​καθιστώντας έτσι ένα τέτοιο προϊόν πιο φιλικό προς το περιβάλλον από άλλα του ίδιου είδους. «Αν και αυτό το μέσο δεν περιλαμβάνει οικονομικά κίνητρα μεσοπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα, ενδέχεται να αναμένονται αλλαγές στη συμπεριφορά των καταναλωτών που μπορεί να οδηγήσουν σε συσσώρευση περιβαλλοντικά πιο επιβλαβών προϊόντων εκτός αγοράς».

Or τις επιδοτήσεις, αυτό σημαίνει ότι η παροχή οικονομικής βοήθειας είναι μια μορφή έμμεσης ρύθμισης της συμπεριφοράς. Οι επιδοτήσεις είναι χρηματικές ή μη χρηματικές παροχές που χορηγούνται από το κράτος, χωρίς κανένα προϊόν ή υπηρεσία να παρέχεται ως αντάλλαγμα. Οι επιδοτήσεις αντιμετωπίζονται γενικά με σκεπτικισμό, καθώς θεωρούνται επιρρεπείς σε κατάχρηση και επιβαρύνουν το ευρύ κοινό το κόστος της προστασίας του περιβάλλοντος. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση υπήρξε μια τάση περικοπής των επιδοτήσεων για την προστασία του περιβάλλοντος.

Και τέλος η ιδέα των περιβαλλοντικών πιστοποιητικών βασίζεται σε μια συμβατή με την αγορά μορφή ελέγχου ποσότητας από το κράτος. Τα συστήματα που βασίζονται σε πιστοποιητικά δεν λαμβάνουν τις τιμές ως αφετηρία, αλλά ορίζουν ένα αποδεκτό επίπεδο για μια μελλοντική ποσοτική χρήση του περιβάλλοντος, αφήνοντας το σχηματισμό της διαδικασίας στην αγορά. Το μέσο αυτό έχει χρησιμοποιηθεί για την προστασία του κλίματος σύμφωνα με το πρωτόκολλο του Κιότο. Τα κατανεμημένα δικαιώματα εκπομπών παρέχουν στον κάτοχο το δικαίωμα μόλυνσης του περιβάλλοντος μόνο σε ορισμένο βαθμό. Σε περίπτωση που ο κάτοχος μολύνει το περιβάλλον σε μικρότερο βαθμό από τον επιτρεπόμενο, ο κάτοχος μπορεί να πουλήσει τα αχρησιμοποίητα δικαιώματα ρύπανσης σε άλλον ρυπαίνοντα. «Οι επιχειρήσεις μπορούν έτσι να επιλέξουν είτε να μειώσουν τις εκπομπές από τις εγκαταστάσεις τους είτε να αποκτήσουν πρόσθετα δικαιώματα εκπομπής από άλλες επιχειρήσεις που μπόρεσαν να μειώσουν τις εκπομπές με χαμηλότερο κόστος». Η μελλοντική εμπειρία θα δείξει εάν αυτό το μέσο θα αποδειχθεί όντως επιτυχές στη μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου. Τα οικονομικά μέσα αποκτούν αυξανόμενη σημασία ως συμπλήρωμα της περιβαλλοντικής κανονιστικής νομοθεσίας. Δεν υπάρχει ενιαία απάντηση στο ερώτημα ποια είναι στην πραγματικότητα η «σωστή» επιλογή μέσων για την επίτευξη επαρκούς ισορροπίας μεταξύ των διαφόρων συμφερόντων των χρηστών του περιβάλλοντος, των συμφερόντων των πληγέντων γειτόνων, των συμφερόντων του κοινού και της προστασίας των περιβάλλον. Ως εκ τούτου, οι νομοθέτες και οι διοικήσεις αναγκάζονται να βασίζονται σε δοκιμές και λάθη για να λάβουν την κατάλληλη απόφαση.

Η Πολυδιάστατη Στρατηγική της Βιωσιμότητας

Η κοινωνική δικαιοσύνη, η ευημερία και η ειρήνη, με τη φύση να ξεπερνά τις παγκόσμιες κρίσεις, θα θεωρηθούν ως τρεις αλληλένδετοι και εξίσου σταθμισμένοι στόχοι βιωσιμότητας. Αλλά παραμένει ασαφές πώς να καταστεί μια πολυδιάστατη στρατηγική βιωσιμότητας πολιτικά βιώσιμη σε μεμονωμένες χώρες καθώς και στην παγκόσμια κοινότητα. Υπάρχει όντως ένας μεγάλος κίνδυνος αυτή η πολλά υποσχόμενη κοινωνική στρατηγική να καταλήξει κοντά στην ουτοπία και την ευχή που βασίζεται μόνο σε ηθικούς κανονιστικούς λόγους.

Μια ολοκληρωμένη στρατηγική βιωσιμότητας με την ολοκληρωμένη έννοια αφορά πρώτα απ ‘όλα το συντονισμό των διαφορετικών κανονιστικά βασισμένων προοπτικών ζωής ατόμων, κοινωνικών ομάδων, εθνών, σημερινών και μελλοντικών γενεών. Στη διαδικασία αναζήτησης και διαμόρφωσης μιας παγκόσμιας βιώσιμης ανάπτυξης, θα πρέπει να επιτευχθούν αναρίθμητες συμφωνίες, τόσο εντός της κοινωνίας όσο και διεθνώς, οι οποίες θα πρέπει να είναι ηθικά παρακινητικές για όλους τους εμπλεκόμενους φορείς. Τόσο παρακινητικό, στην πραγματικότητα, που αυτές οι συμφωνίες θα μπορούσαν να αποκτήσουν ένα βαθμό δεσμευτικής ισχύος που θα επέτρεπε σε τυχόν παραβιάσεις των συμφωνιών να τιμωρούνται με κυρώσεις. Συνεπώς, η επίτευξη συναίνεσης υπερβαίνει τον απλό συντονισμό διαφορετικών, κανονιστικά βασισμένων προοπτικών: μάλλον, προϋποθέτει ένα γενικά αποδεκτό ηθικό πλαίσιο καθώς και αρχές και πρότυπα που ισχύουν ηθικά για όλους τους συμμετέχοντες. Με άλλα λόγια: Η αειφορία χρειάζεται μια ηθικά κατάλληλη, πολιτικά βιώσιμη και πλουραλιστική ηθική καθοδήγησης που είναι κοινωνικά και χωρικά και χρονικά υπερβατική, που έχει υψηλό επίπεδο αποδοχής συγκρίσιμο με τις θεμελιώδεις ελευθερίες, και που επιτρέπει να αναπτυχθούν λειτουργικά και στοχευμένα, λεπτομερή πρότυπα για οικολογικές, οικονομικές, κοινωνικές, πολιτικές και πολιτιστικές διαστάσεις βιωσιμότητας. Ωστόσο, αυτή η ηθική έλειπε μέχρι τώρα.

Ακριβώς λόγω της έλλειψης αποδεκτής ηθικής βιωσιμότητας, η αβεβαιότητα της διαμόρφωσης κανόνων κοινωνικής και οικονομικής βιωσιμότητας και αιτιολόγησης ηθικά συναινετικών βημάτων παραμένει πολύ υψηλή. Επιπλέον, η έλλειψη αποδεκτής και περιεκτικής ηθικής βιωσιμότητας ευνοεί την τρέχουσα κυριαρχία μονοδιάστατων, οικολογικο-οικονομικών προβληματισμών στη συζήτηση για τη βιωσιμότητα και ταυτόχρονα εμποδίζει το συντονισμό, τη συνεργασία και την αμοιβαία προσαρμογή των πολλά υποσχόμενων ουσιαστικά ολοκληρωμένων προσεγγίσεων βιωσιμότητας και αυτών αντίστοιχους στόχους.

Η συζήτηση για την ηθική, η οποία διεξήχθη αρχικά ανεξάρτητα από τη συζήτηση για τη βιωσιμότητα, δεν έχει δώσει ακόμη κάποια αποφασιστική ώθηση, αν και οι μη αναστρέψιμες συνέπειες της επιστημονικής και τεχνολογικής ανάπτυξης έχουν προκαλέσει μια ζωηρή ηθική συζήτηση σχετικά με την ευθύνη του παρόντος απέναντι στις μελλοντικές γενιές. Στη συζήτηση αυτή ακολούθησε η συζήτηση για την οικολογική δικαιοσύνη και, πιο πρόσφατα, για τη βιωσιμότητα. Όπως είναι κατανοητό, το πρώτο βήμα σε αυτήν τη συζήτηση είναι η εξέταση του βαθμού στον οποίο η προηγουμένως αποδεκτή ηθική δικαιοσύνης μπορεί να εφαρμοστεί στην οικολογική δικαιοσύνη. Το πενιχρό αποτέλεσμα αυτής της συζήτησης ήταν, ωστόσο, προ-προγραμματισμένο. Η κοινή ηθική δικαιοσύνης υποφέρει από τη μονοδιάστατη διάσταση του πλαισίου αναφοράς τους. Σε αυτά, η κοινωνική δικαιοσύνη αποτελεί παράμετρο κάποιου άλλου κυρίαρχου στόχου.

• Στον ωφελιμισμό, η κοινωνική δικαιοσύνη εξαρτάται από τη μεγιστοποίηση της συνολικής χρησιμότητας.
• Στον μαρξισμό, η κοινωνική δικαιοσύνη είναι δυνατή μόνο σε μια κομμουνιστική κοινωνία, δηλαδή όταν οι συνθήκες για την ισότητα όλων των ανθρώπων έχουν καθιερωθεί ιστορικά.
• και στον φιλελευθερισμό, η κοινωνική δικαιοσύνη αποτελεί παράμετρο του στόχου των μεγαλύτερων δυνατών βασικών ελευθεριών.

Υπό αυτό το πρίσμα, αυτή η ηθική είναι ήδη ανεπαρκής για την αντιμετώπιση της κοινωνικής δικαιοσύνης ως ανεξάρτητου και άμεσου κοινωνικοπολιτικού στόχου. Οι ανεπάρκειές τους γίνονται ακόμη μεγαλύτερες και η δεσμευτική τους δύναμη για πολιτική γίνεται πιο αδύναμη, εάν παρέχουν επίσης ηθικά πρότυπα αξίας για πρόσθετες και ποιοτικά νέες διαστάσεις δικαιοσύνης, όπως η οικολογική, η διεθνής και η γενεακή δικαιοσύνη.

Επομένως, τίθεται το ερώτημα κατά πόσον είναι διαφορετική ηθική που λαμβάνει υπόψη τις απαιτήσεις της ενσωματωμένης βιωσιμότητας. Κατά τη γνώμη του συγγραφέα και με βάση τις μέχρι τώρα γνώσεις του, οι οποίες βέβαια έχουν προσωρινό χαρακτήρα, ίσες ευκαιρίες ως ανεξάρτητη οικουμενιστική ηθική θα μπορούσαν να καλύψουν το αποδεδειγμένα υπάρχον κενό προσανατολισμού. Ο πυρήνας των εκτιμήσεών του είναι ο ορισμός των ίσων ευκαιριών ως “ίσες συνθήκες εκκίνησης για άτομα, κοινωνικές ομάδες, λαούς διαφορετικού χρώματος, θρησκεία, πολιτισμό, γλώσσα, για άτομα διαφορετικών φύλων και για διαφορετικές γενιές για να καθορίσουν τις δικές τους ανάγκες, τρόπο ζωής. , και επιλογές, και να έχουν ίση πρόσβαση σε φυσικούς πόρους, αγαθά και θέσεις. Η ισότητα ευκαιριών είναι μια προϋπόθεση που πρέπει να αποκαθίσταται συνεχώς έναντι τόσο των ιστορικά εξελιγμένων όσο και των νεοεμφανιζόμενων τάσεων ανισότητας “.

Ωστόσο, πρέπει να υποστηριχθεί λεπτομερέστερα εάν και με ποιον τρόπο η ισότητα ευκαιριών, που εννοείται με αυτόν τον τρόπο ως μια καθολική ηθική προσανατολισμένη στη δράση, μπορεί να συμβάλει κεντρικά στην υπέρβαση των ελλειμμάτων που περιγράφονται παραπάνω για μια πολιτική αειφορίας χωρίς αποκλεισμούς. Ως αφετηρία λαμβάνονται οι ακόλουθες σκέψεις: Το συμπέρασμα της επικρατούσας φιλελεύθερης άποψης ότι η επίτευξη της ισότητας ευκαιριών “ακριβώς λόγω της αρχικής καθολικότητας της ατομικής αναφοράς δεν μπορεί να προσδιοριστεί ως προς το περιεχόμενο” και ότι “η μαγεία και η γοητεία , η σαγηνευτικότητα και η ασάφεια “καθιστούν αυτήν την έννοια” καθολικά και πανταχού χρησιμοποιήσιμη ως όρο πολιτικής μάχης “δεν είναι λογικά καθόλου επιτακτική. Κάθε οργανωμένη ατομικιστική κοινωνία πρέπει να ακολουθεί τους γενικούς κανόνες και κανόνες προς όφελος όλων των ατόμων. Η καθολικότητα της ιδέας της ισότητας των ευκαιριών έγκειται ακριβώς στο γεγονός ότι τα άτομα και τα δύο ζωοποιούν το ένα το άλλο σε αμοιβαίες αξιώσεις και αναλαμβάνουν υποχρεώσεις μεταξύ τους. Αντιστοιχεί στα ηθικά πρότυπα και στην εννοιολογική λογική της αρχής ότι κανένα άτομο δεν μπορεί να βλάψει τις ευκαιρίες των άλλων ατόμων εντελώς υπό την έννοια της κατηγορηματικής επιταγής του Καντ “με τέτοιο τρόπο ώστε το μέγιστο της θέλησής σας να μπορεί ταυτόχρονα ανά πάσα στιγμή” θεωρείται ως η αρχή μιας γενικής νομοθεσίας ». Επιπλέον, η ουσιαστική και απαραίτητη προϋπόθεση της ισότητας των ευκαιριών είναι η ισότητα των συνθηκών εκκίνησης. Αυτή η συνθήκη είναι ηθικά αλλά και λογικά αναπόσπαστη με την αρχή.

Ο αποκλεισμός ιστορικά αυξημένων ανισοτήτων, περιουσιών και θέσεων, που δεν προέκυψαν από την αξία του καθενός αλλά από κατανομή, αποκλείει την πραγματοποίηση της ισότητας ευκαιριών. Από αυτή την άποψη, η παραδοχή της ασάφειας και του πλήρους ανοίγματος της αρχής για την πολιτική πρακτική είναι αυθαίρετη και προκύπτει μάλλον από την αντίληψη της δικαιοσύνης του ίδιου του κλασικού φιλελευθερισμού. Η ισότητα ευκαιριών μπορεί να ερμηνευθεί όχι μόνο ενδογενετικά, αλλά και με γενετική έννοια καθολική ερμηνεία. Η κατηγορηματική επιταγή του Καντ, αυστηρά μιλώντας, γίνεται κανονικά συνεπής μόνο μέσω μιας ηθικής ίσων ευκαιριών, ξεπερνώντας έτσι τη φήμη του ως απλής τυπικής αρχής με την οποία δεν μπορούν να αιτιολογηθούν συγκεκριμένοι σκοποί ή αξιώματα. Όσον αφορά το γενετικά γενικό εύρος της μεταξύ γενεών, η ιδέα της ισότητας ευκαιριών λαμβάνει επίσης υπόψη το δίλημμα νομιμότητας που συχνά προβληματίζεται από τους ηθικολόγους αλλά δεν επιλύεται: Κάθε κοινωνία θα έχει τις δικές της ιδέες για ανάγκες και ευημερία. Οι σημερινές γενιές δεν θα έχουν το δικαίωμα να καθορίζουν τις ανάγκες των μελλοντικών γενεών και, επιπλέον, να τους καθορίζουν τις τεχνολογικές και κοινωνικές συνθήκες. Αυτή η ένσταση δεν μπορεί να αρνηθεί μια κατανοητή ηθική δικαιολογία.

Η θετική στροφή αυτής της αντίρρησης, ωστόσο, οδηγεί στα ηθικά αξιώματα δράσης για τις σημερινές γενιές που επιτρέπουν στις επόμενες γενιές ίσες ευκαιρίες να χρησιμοποιήσουν τη φύση σύμφωνα με τις ιδέες τους για ανάγκη, ευημερία και ευτυχία. «Η άγνοιά μας δεν πρέπει να χρησιμεύσει ως δικαιολογία για τον περιορισμό των πιθανών ζωής των επερχόμενων».

Επομένως, τα βαριά επιχειρήματα συμπυκνώνουν και στηρίζουν την άποψη ότι η ισότητα ευκαιριών μπορεί να γίνει γόνιμη ως θεμέλιο για μια κοινωνική θεωρία της ολοκληρωμένης βιωσιμότητας που υπερβαίνει το χώρο και το χρόνο σε όλους τους κλάδους. Οι ίσες ευκαιρίες ως καθολική ηθική και η ενσωματωμένη αειφορία ως πολυδιάστατο πλαίσιο δράσης απαιτούν μια διεπιστημονική (κοινωνικοοικονομική, οικολογική, πολιτική επιστήμη, κοινωνιολογική και φιλοσοφική) προσέγγιση.

Οι ακόλουθες αρχές, οι οποίες είναι ακόμη προκαταρκτικές, θεωρούνται θεμελιώδεις για τον προσδιορισμό και την επίτευξη ίσων ευκαιριών

• Αρχή της ελευθερίας: Κάθε άνθρωπος έχει το ίδιο δικαίωμα στο πιο εκτεταμένο συνολικό σύστημα ίσων βασικών ελευθεριών που είναι δυνατό για όλους. Μια λιγότερο εκτεταμένη ελευθερία πρέπει να ενισχύσει το συνολικό σύστημα ελευθεριών για όλους (πρώτη αρχή του Rawls).
• Αρχή της διαφορετικότητας: Κάθε άνθρωπος έχει το δικαίωμα να καλλιεργεί και να διατηρεί συγκεκριμένα δικά του χαρακτηριστικά, όπως την ικανότητα, τον τρόπο ζωής και τον προγραμματισμό της ζωής, και να τα χρησιμοποιεί με την έννοια της αυτοπραγμάτωσής του.
• Αρχή αυτονομίας: Κάθε άτομο έχει το δικαίωμα στους καρπούς της δικής του εργασίας (η ιδέα της ιδιοκτησίας σύμφωνα με τον κλασικό φιλελευθερισμό και τον μαρξισμό).
• Αρχή ελευθερίας πρόσβασης: Κάθε άτομο έχει το ίδιο δικαίωμα πρόσβασης στους φυσικούς πόρους και στις κοινωνικές θέσεις. Ένας περιορισμός αυτού του δικαιώματος πρέπει να οδηγήσει στην ενίσχυση του ίδιου για όλους τους ανθρώπους που ζουν στο παρόν καθώς και για τις μελλοντικές γενιές.
• Αρχή φροντίδας: Όλοι είναι υποχρεωμένοι να φροντίζουν μειονεκτικά και εξαρτημένα άτομα. Ο περιορισμός της αυτονομίας που γίνεται αποδεκτός σε αυτή τη διαδικασία πρέπει να ενισχύσει το συνολικό σύστημα αυτονομίας για όλους. Ο ορισμός των ίσων ευκαιριών και η διατύπωση των αρχών του είναι προκαταρκτικοί. Μένει να επαληθευτεί σε ποιο βαθμό τόσο ο ορισμός της ίσης ευκαιρίας όσο και οι ατομικές αρχές του είναι πλήρεις, κάθε μεμονωμένη αρχή είναι συνεπής από μόνη της και αυτές μαζί μπορούν να ενσωματωθούν σε μια συνολική έννοια, και τέλος αν αυτές οι επιμέρους αρχές μπορούν επίσης να υποστηριχθούν ανθρωπογενώς.

Το ζήτημα της ιεραρχίας αυτών των αρχών πρέπει να παραμείνει προς το παρόν ανοιχτό. εάν μια αξιολογική ιεραρχία ή ισότιμη κατάταξη είναι ηθικά επιτακτική, απαιτεί λεπτομερή διερεύνηση, αν και υπάρχουν πολλά να προτείνουμε ότι αυτές οι αρχές θα πρέπει να βρίσκονται σε αδιάλυτη σχέση μεταξύ τους. Ωστόσο, υπάρχουν επαρκή στοιχεία για την υπόθεση ότι η ισότητα ευκαιριών πληροί τις απαιτήσεις μιας πολυδιάστατης ηθικής και της πολιτικής της ολοκληρωμένης βιωσιμότητας πολύ πιο έντονα από τη μέχρι τώρα γνωστή ηθική δικαιοσύνης. Θεωρείται ως μια ολοκληρωμένη περαιτέρω ανάπτυξη εκείνης της κοινής ηθικής δικαιοσύνης, στην οποία είτε η αρχή της ισότητας είτε η αρχή της ελευθερίας είναι απόλυτα κυρίαρχη. Η ελευθερία, η αυτονομία, η αυτοπραγμάτωση και η φροντίδα, η δικαιοσύνη επίτευξης και η δικαιοσύνη της ανάγκης δίνουν στην ισότητα ευκαιριών μια ηθική ικανότητα και πολιτική ικανότητα ύψιστης τάξης.