В одной только России более 200 тысяч человек нуждаются в протезировании тех или иных частей тела. Как далеко продвинулась наука в решении этой проблемы? Чем отличаются современные протезы от тех, которыми пользовались в начале прошлого века? Читайте ответы в статье MedAboutMe.
Протезирование: давно и сегодня
Идея заменять утраченные части тела искусственными появилась очень давно. Еще в незапамятные времена люди делали искусственные руки, ноги и глаза, причем некоторые из этих изделий становились настоящим произведением искусства и чудом механики. Но все-таки, как правило, эти протезы решали проблемы очень ограниченно, а часто выполняли чисто эстетические задачи. Как, например, искусственные глаза.
Сегодня протезы намного более функциональны, да и сфера применения их расширилась: искусственные «запчасти» могут заменять не только внешние, но и внутренние части тела. Никто не удивляется, например, замене части сосудов искусственными, или замене пришедших в негодность суставов на вполне функциональные и прочные конструкции из металла, керамики или полимеров. Что касается протезирования зубов, это тема для отдельной статьи, и не одной, поэтому трогать ее не будем.
Ученые работают сегодня над тем, чтобы искусственные части тела не просто «заполняли пустоту», но и были настолько же функциональны, как и «родные». И чтобы они не вызывали отторжения организма, и могли становиться его частью.
Для этого используются достижения нескольких областей науки: над разработкой протезов вместе работают врачи, биологи, физики, материаловеды, специалисты IT, инженеры и механики. Причем, очень важно, чтобы каждый из них понимал общие цели и мог рассматривать проблему не только с точки зрения своей области знаний.
Основы биопротезирования
Поскольку целью является воспроизведение естественных частей тела, созданных природой и эволюцией, в биопротезировании играют роль такие дисциплины, как бионика, биомиметика и др.
Бионика изучает функции и свойства объектов живой природы и переносит изученные параметры в искусственные конструкции. Первым биоником называют Леонардо да Винчи, пытавшегося создать летательный аппарат, который мог бы передвигаться, двигая крыльями, построенными по подобию птичьих. Примерами вещей, созданных по принципам бионики, полны наши дома: это и резиновые присоски, принцип действия которых был подсмотрен у осьминогов, и застежки-липучки, идея которых пришла в голову Жоржа де Местраля, когда он выбирал из шерсти своей собаки невероятно цепкие репьи. И многое другое, включая куртки из водоотталкивающей ткани, идея которой также была найдена в природе.
Биомиметика подразумевает изучение структуры природных материалов и воспроизведение ее для того, чтобы получить аналогичные свойства.
Для создания идеального протеза необходимо повторить максимум свойств части тела, включая не только внешний вид, но и внутреннее строение, функции и т. д. И с этим все непросто, хотя успехи и имеются. Например, кохлеарные импланты успешно возвращают людям слух, воспринимая звуковые волны и отправляя соответствующий сигнал в мозг, где он обрабатывается, и человек, утративший слух, может слышать. Есть и аналогично работающие искусственные глаза. А вот с внутренними органами пока не очень: можно сделать искусственную печень или селезенку, очень похожую на настоящую, но работать так же, как живые органы, они пока не смогут.
Искусственные органы: что уже возможно
Живой орган или часть тела управляются мозгом, получая и принимая сигналы, передаваемые через нервные волокна. То есть искусственное устройство должно уметь распознавать нервные импульсы, и посылать в ответ такие, которые мог бы распознавать мозг. Это в идеале.
Уже существуют способы создавать искусственные кости, очень близкие по структуре и прочности к настоящим. А вот хрящ воссоздать оказалось намного труднее. Поэтому, например, протезы тазобедренного сустава до сих пор делают из металла, керамики и специальных полимеров.
Чтобы приблизить строение протеза к натуральному, естественному, разработаны методики, которые позволяют совместить искусственные структуры и живые ткани. Например, создается каркас из искусственного или натурального материала, и на него подсаживают живые стволовые клетки, полученные у самого пациента. Клетки приживаются, а затем из них развивается нужный тип ткани. Это может происходить и в теле пациента. Таким образом уже можно вырастить новую барабанную перепонку или кожу, ведутся исследования и в других направлениях.
Но протез может быть и электромеханическим. До недавнего времени такие протезы конечностей управлялись определенным набором программ, то есть не позволяли выполнять некоторые виды движений, если они не предусмотрены программой. Чтобы обойти это ограничение, ученые разрабатывают способы соединить человеческий мозг и цифровые технологии так, чтобы они «говорили на одном языке», понимали друг друга и могли работать согласованно.
Киберпротезирование
Если вы видели современные промышленные манипуляторы, выполняющие на производствах сотни точнейших действий, вы видели «родных братьев» современных протезов конечностей. По тому же принципу изготавливаются индивидуальные протезы рук и ног, и целые экзоскелеты.
Основная проблема их состоит в том, что киберпротезы не умеют «читать мысли», и могут выполнять только заранее запрограммированные действия. Чтобы расширить их возможности, разрабатываются интерфейсы «мозг-компьютер».
Чтобы это заработало, создаются специальные биосовместимые структуры, способные соединяться как с живым нервом, так и с датчиками девайсов, которые должны управляться нервными сигналами.
Начало этой работы приходится на 50 годы прошлого века, когда нейрохирург Уолтер Пейнфилд вживлял в человеческий мозг электроды, подавал на них стимулирующие сигналы, и таким образом выяснил, какой участок мозга отвечает за движение той или иной группы мышц. Но эти эксперименты были сочтены неэтичными, и продвижение исследований замедлилось.
Затем стали использовать неинвазивные методы фиксации активности мозга — в основном, методом ЭЭГ. Но точность считывания сигналов при этом существенно ниже. Поэтому, по мнению научного руководителя Центра биоэлектрических интерфейсов ВШЭ, доктора наук М. Лебедева, инвазивные методы все-таки более перспективны.
В 2016 году, например, была представлена разработка, позволяющая с высокой точностью управлять всеми 5 пальцами протеза руки с помощью пластины с 128 электродами, имплантированной в соответствующий участок мозга.
В 2021 году Илан Маск показал миру обезьяну с имплантированным в мозг нейроинтерфейсом, с помощью которого животное увлеченно играло в тетрис, просто глядя в монитор, и ни к чему не прикасаясь.
Уже созданы интерфейсы, способные заменить человеку глаза, так как они могут стимулировать не только сетчатку и зрительный нерв, но и соответствующий участок мозга — зрительную кору.
Чтобы добиться моторики протеза конечности, близкой к естественной, необходимо не только «научить» протез реагировать на команды мозга человека, но и давать «обратную связь» — передавать в мозг ощущения. Это позволило бы сделать движения более точными и разнообразными. Одним из вариантов решения этой задачи может стать устройство, названное нами «тактильным рукавом». Испытания этого сенсорного устройства, проведенные в Эдинбурге в 2021 году, дали хороший результат: большинство участников справлялись с захватом предметов механотактильным протезом более успешно, с меньшими затратами энергии.
Материалы и методы
Одной из самых сложных проблем создания биопротезов является биосовместимость материалов. Обычно организм воспринимает чужеродные структуры как врага. Например, имплантированные электроды довольно быстро начинают хуже работать, так как иммунная система старается изолировать их и обволакивает подобием капсулы. Что, конечно, мешает передаче и считыванию сигналов.
Если взять титановые протезы ТБС, то они по характеристикам отличаются от настоящей кости: они более упруги и прочны. Поэтому на кость, с которой они контактируют, нагрузка оказывается меньшей. И кость со временем начинает становиться более хрупкой и менее прочной, и легче разрушается именно рядом с титановым протезом. Специальный полимер по характеристикам ближе к кости, но он менее прочен, и намного быстрее стирается. Пока протез ТБС изготавливают из разных материалов, стараясь совместить их так, чтобы получить наилучшее сочетание качеств. Но гораздо лучше было бы создать такой материал, который был бы аналогичен по структуре и свойствам настоящим костям, хрящу, связкам и мышцам.
Над этим работают в лабораториях многих стран. Одной из перспективных методик является 3D-биопринтинг. Ткань или орган могут быть «напечатаны» из живых клеток и биологических материалов. Органы животных уже были успешно созданы таким образом и пересажены, до человека пока дело не дошло.
Еще один метод: из биодеградируемого, то есть растворяющегося во внутренней среде организма полимера изготавливают основу с губчатой или волокнистой структурой — скаффолд. На эту основу наносят живые клетки пациента, и помещают в питательную среду. Там клетки интегрируются, начинают расти и делиться, и постепенно вырастает живая ткань, замещая собой материал скаффолда. Таким способом, как предполагается, можно будет выращивать недостающие или требующие замены участки кости, кожи и других тканей.
Пока одни ученые разрабатывают способы воссоздать утраченную руку так, чтобы она максимально была похожа на настоящую по всем параметрам, на 3D-принтерах успешно печатают обычные, не слишком функциональные, но зато удобные и недорогие протезы, в том числе и для детей. Уже в 2015 году американские ученые сообщали о технологии, позволяющей производить, и даже дистанционно примерять протезы для детей с травмами или врожденным отсутствием верхних конечностей. Такой метод изготовления протезов существенно дешевле, что имеет большое значение для маленьких пациентов из развивающихся и бедных стран.
Перспективы биопротезирования
Биопротезирование может помочь не только тем, кто потерял руку или ногу. Биосовместимые протезы сердечных клапанов, кровеносных сосудов, связок могут улучшить здоровье очень многим людям. А биопротезы удаленной молочной железы — мечта многих женщин, лишившихся этой важной, хотя и жизненно не необходимой части тела. Есть разработки и по биопротезированию мужского полового органа, утратившего функциональность вследствие болезни Пейрони.
Вот только мозг, по мнению ученых, в обозримом будущем протезированию подлежать все-таки не будет. Поэтому его стоит беречь особенно тщательно. О том, какие признаки могут указывать на заболевания мозга, читайте в статье «Симптомы болезней мозга».
