Ученые работают над новым бионическим сердцем

Содержание

Живое сердце напечатают на принтере целиком « Троицкое благочиние г. Москвы

Ученые работают над новым бионическим сердцем

Сердце — удивительно сильный и в то же время очень уязвимый орган. Сердечнососудистые заболевания остаются причиной смерти №1 в мире, по данным ВОЗ, на них приходится 3 из 10 смертей.

В некоторых странах, благодаря медицинскому просвещению, пропаганде здорового образа жизни, отказа от курения и превентивным лекарственным терапиям, распространенность болезней сердца и сосудов снижается, как это произошло в США.

Лечение, однако, никогда не перестанет быть актуальным, и конечно, больше всего человечество заинтересовано в тех терапиях, которые позволят восстановить утративший жизнеспособность орган либо заменить его на новый, не опасаясь реакции отторжения.

В одной статье невозможно охватить все достижения медицинской науки в области кардиологии и кардиохирургии, мы остановимся на некоторых из тех, что уже сегодня приоткрывают дверь в будущее.

Копия сердца на 3D принтере стала тренажером для хирургов

Фото с сайта 3dprint.com

Операция, которую провели китайские врачи на сердце 9-месячного ребенка весной нынешнего года, не может не восхищать.

Маленький мальчик родился с тяжелейшим пороком сердца под названием тотальный аномальный дренаж легочных вен. При этом пороке артериальная кровь, минуя сердце, попадает в большие вены и в правое предсердие.

В дополнение к этому у малыша был атриовентрикулярный дефект предсердной перегородки, при котором кровь свободно перетекает между предсердиями.

Пройдя через перегородку, артериальная кровь оказывалась там, где ей полагалось быть изначально – в левом предсердии, и дальше совершала обычный путь по большому кругу кровообращения.

Трудно представить себе, что такое возможно, но дети с этим пороком рождаются доношенными, а сердце некоторое время справляется с ситуацией.

Малыш из Цзилиня сразу после рождения казался вполне здоровым, однако через некоторое время у него развилась сильная одышка, и в возрасте 9 месяцев он поступил в Педиатрический кардиоцентр Народной больницы Цзилиня в критическом состоянии из-за острой сердечной недостаточности и тяжелой пневмонии. При отсрочке лечения вероятность не дожить до своего первого дня рождения составляла для мальчика, по оценке директора Центра Чжан Ксуекина, 80%.

Но как спланировать операцию при таком сложном дефекте, основываясь лишь на снимках УЗИ? Как избежать осложнений в процессе хирургического вмешательства? Ведь такой порок чрезвычайно редок и исправить его очень сложно.

Специалисты Центра нашли выход. С помощью 3D принтера им удалось напечатать точную копию маленького сердца и на ней тщательно отработать последовательность действий при хирургическом вмешательстве.

«После тренировки на модели мы знали точно, где нужно сделать надрез и какого размера он должен быть.

Имея тщательно разработанный план, мы потратили всего половину того времени, которое было запланировано на операцию», — говорит Чжан Ксуекин.

Малыш чувствует себя хорошо, и врачи считают, что в дальнейшем он будет почти или даже полностью здоровым.

Первое в мире бионическое сердце, работающее без пульса

Человеку его пока что не пересадили, но планируют сделать это в скором времени. А вот овечка с непульсирующим бионическим сердцем, полученным ею в январе 2016 года, не только жива, но вполне здорова и активна.

Что заставило австралийских ученых из Технологического университета Квинсленда заняться поиском нового конструктивного решения?

Дело в том, что существующие модели искусственного сердца довольно крупные и недолговечные. Одна из конструктивных особенностей — наличие мешочка, похожего на воздушный шарик, который со временем рвется, ведь искусственное сердце совершает миллиарды ударов в год.

Новое бионическое сердце BiVACOR для продвижения крови по кровеносной системе использует вращение двух титановых дисков под действием магнитной левитации со скоростью 2000 оборотов в минуту. Срок службы искусственного сердца увеличился примерно на 10 лет, так как в нем нет трущихся деталей и полностью исчез пульс.

Для испытаний на человеке ученым требуется финансирование на дальнейшие исследования. При удачном стечении обстоятельств уйдет год для подтверждения безопасности и работоспособности устройства и от 3 до 5 лет на то, чтобы полностью адаптировать модель для человека.

Стволовые клетки: починить и даже вырастить сердце

Место действия — снова Австралия, Брисбен. Буквально на днях в исследовательской лаборатории больницы принца Чарльза ученые продемонстрировали журналистам живую пульсирующую ткань сердца, выращенную из стволовых клеток.

Они полагают, что в будущем созданные таким образом клетки сердца будут использоваться для восстановления поврежденной при инфаркте или в результате другого заболевания ткани сердечной мышцы.

Будучи доставленными в определенный отдел сердца, клетки начнут расти и «чинить» поврежденный участок.

Можно ли вырастить человеческое сердце из дифференцировавшихся стволовых клеток?

«В теории — да!», — говорит доктор Натан Палпант, ведущий исследования в Институте молекулярной биологии Квинсленда, работающий в составе интернациональной команды над следующим поколением сердечных трансплантатов.

Сложность заключается в том, что вырастить требуется не просто ткани разных типов сердечных клеток. У сердца есть архитектура, ткани должны заполнить определенный каркас, чтобы сконструировать рабочий орган.

На сегодняшний день американским ученым из Гарварда и Массачусетса удалось вырастить человеческое сердце, используя в качестве каркаса донорское сердце, клетки которого заместили выращенными из стволовых, которые, в свою очередь, были получены из клеток кожи пациента. Когда через сердце пропустили электрический ток, оно забилось.

Принципиально важно то, что донорское сердце для традиционной пересадки очень сложно подобрать так, чтобы оно не вызвало реакцию отторжения. Клетки же, выращенные из собственных клеток реципиента, такой реакции вызвать не могут.

В настоящее время ученые работают над тем, чтобы создать оптимальные условия для выращенного сердца, максимально приближенные к естественной среде человеческого тела и ускорить время созревания органа.

Биопечать одного клапана…

Принципиальная задача, однако, научиться создавать трансплантаты, не прибегая к использованию донорских органов. Исследователи Денверского университета (Колорадо, США) надеются, что они смогут решить эту проблему. Для биопечати они используют сравнительно недорогой 3D принтер BioBot 1. Первым этапом их работы стала печать клапанов сердца.

В настоящее время кардиохирурги вполне успешно используют клапаны из искусственных материалов, но здесь есть одна сложность: для растущего детского сердца такой клапан может быть лишь временным, а вот живой клапан будет расти вместе с сердцем и не потребует очередного хирургического вмешательства.

«Чтобы внедрить аортальный клапан, пациентам обычно делают множество операций. Метод инвазивный, а потому это не лучший подход к решению проблемы. Создавая клапаны биоинженерным способом, мы можем вживить в сердце клапан, который будет расти вместе с ребенком» — говорит доктор Али Азадани, директор Лаборатории сердечной биомеханики Денверского университета.

Исследователи уже начали печатать сердечные клапаны, сформированные на основе магнитно-резонансных и компьютерно-томографических сканов сердца пациента.

Сердечный 3D-клапан был напечатан за 22 минуты, но команда пока работает над тем, чтобы он был полностью совместим с живыми тканями.

Чтобы соединить клетки тела человека с напечатанным сердечным клапаном, ученым требуется биореактор (камера, в которой создана среда для «дозревания» органов).

Команда исследователей Денверского университета в начале пути, однако они полагают, что разрабатываемая ими биотехнология со временем станет реальной терапией.

…или биопечать всего сердца: фантастика или реальность?

Фото с сайта 3dops.co

Если послушать Стюарта Вилльямса, директора Института кардиоваскулярных инноваций (Луисвилль, США), то задача неосуществимой не кажется: «Осмелюсь заметить, один из простейших объектов биопечати – сердце.

Это всего лишь насос с трубочками, которые необходимо соединить между собой, – говорит он.

– Нужно взять всего два комочка жира, каждый размером с шарик для гольфа – и у вас будет достаточно клеток для того, чтобы воссоздать практически все самые важные кровеносные сосуды сердца».

Некоторые эксперты, впрочем, считают, что, несмотря на всю заманчивость, теория так и останется теорией, ведь важно не просто воспроизвести орган с помощью 3D печати, нужно, чтобы он «созрел» в биореакторе, а затем начал жить и функционировать в человеческом организме, а это задача не из легких. Однако перспектива заменить пришедшее в негодность сердце пациента на здоровое, напечатанное из его собственных клеток, которые сменили свой профиль, столь заманчива, что исследователи разных стран мира упорно работают над ней.

Впрочем, целью исследователей является не только сердце, но и печень, почки, и другие органы.

Один из пионеров биопечати — профессор Энтони Атала, директор Института регенеративной медицины Вейк Форест (Новая Каролина). Выше мы говорили о пульсирующей сердечной ткани, впервые выращенной на основе стволовых клеток, а научная группа Аталы весной 2015 года впервые напечатала миниатюрные участки сердечной ткани, способные сокращаться.

Сердечные клетки были получены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые, в свою очередь, стали результатом генной модификации клеток человеческой кожи.

Миниатюрный орган, напечатанный на специализированном биопринтере, поместили в среду с температурой, соответствующей температуре человеческого тела.

При помощи электрической и химической стимуляции исследователи смогли менять режим сокращения ткани.

Конечно, для создания сердца сокращающейся ткани недостаточно. Нужны еще 4 части: клапаны, коронарные сосуды, сосуды микроциркуляции крови и электросистема. Команде Стюарта Вилльямса из Луисвилльского института кардиоваскулярных инноваций удалось создать небольшую часть сердца с кровеносными сосудами и вживить их «пациенту» — пока что мыши.

Очередная сенсация от команды Энтони Аталы тоже не обошлась без участия мыши: в феврале нынешнего года они напечатали орган, пересадили его животному, и он не только прижился, но и заработал! Орган, правда, попроще сердца: это ухо размером 2,5 см, но оно сформировало хрящевую ткань и кровеносные сосуды, то есть успешно интегрировалось в живой организм.

Научный прорыв стал возможным благодаря новому биопринтеру Института Вейк Форест. Это ITOP (Integrated Tissue and Organ Printing System), или Объединенная система для печати тканей и органов.

Главное его преимущество заключается в том, что он может печатать васкуляризированные, то есть обладающие сетью кровеносных сосудов, ткани.

Васкуляризированные органоиды после имплантации хорошо приживаются и полностью интегрируются в организм, как это и произошло с ухом.

Сколковская мышь

Фото с сайта fotolia.com

Особенно радует, что от американских ученых на этом поприще не отстают и наши соотечественники. В феврале нынешнего года компания-резидент «Сколково» объявила о том, что ее команда исследователей на первом разработанном в РФ биопринтере напечатала щитовидную железу и успешно вживила ее мыши.

Вице-президент фонда «Сколково», исполнительный директор кластера биомедицинских технологий Кирилл Каем считает это важным достижением, потому что щитовидка — не такой уж простой для печати орган.

А это значит, что ученые уже идут по тому пути, который может привести к биопечати сердца.

Кирилл Каем оценивает время, необходимое на освоение печати органов в 15 лет. «Условно говоря, с технологической точки зрения, я надеюсь, что мы сможем печатать органы человека и получать их в нужном качестве в течение семи-восьми лет. А оставшееся время уйдет на внедрение в клиническую  практику хотя бы на уровне клинических испытаний».

Прогноз нашего соотечественника примерно совпадает с перспективным планом Стюарта Вилльямся, рассчитанным на 10 лет. Вилльямс говорит, что некоторые из коллег-медиков смеются над его амбициозным намерением сравнительно через небольшой срок напечатать человеческое сердце.

«Я рад, что они смеются, — добавляет он. — Это тот самый вызов, который мне так необходим».

Источники:

3D Printed Heart Replica Helps Save the Life of a Nine-Month-Old Baby

Stem cells grow heart tissue in breakthrough research

This world-first bionic heart works without a pulse

Scientists Grow Full-Sized, Working Human Hearts From Stem Cells

Denver University Researchers Bioprint Artificial Heart Valves with BioBot 3D Printer

The World’s First 3D Printed Beating Artificial Heart Cells

Проще всего напечатать сердце: невероятные факты про биопечать

How close are we to a 3D-printed human heart?

Каем: органы человека на биопринтере сможем «печатать» через 7-8 лет

Запись Живое сердце напечатают на принтере целиком впервые появилась Милосердие.ru.

Дата последнего изменения: 04.10.2016

Источник: http://troitse-paraskevo.ru/2016/10/zhivoe-serdce-napechatayut-na-printere-celikom/

Бионические протезы и выращенные в лабораториях органы. Что делают ученые, чтобы спасти человеку жизнь – Технологии Onliner

Ученые работают над новым бионическим сердцем

Подорожник и зеленка до сих пор являются наиболее эффективными средствами для лечения практически любого заболевания. На самом деле, конечно, нет. Живем мы теперь дольше, болезней не так чтобы меньше, они просто другие, да и протекают иначе.

Некоторые недуги даже удалось полностью изжить. Способа, как обеспечить себе вечное существование, человечество пока не придумало, но пути продления жизни уже существуют.

Более того, медики научились заменять «сбойные» органы — это невероятное достижение.

Просто попробуйте представить, как себя почувствует врач начала прошлого века, окажись он в современной операционной. Вероятнее всего, вначале он впадет в ступор, а чуть позже его восторг не будет знать границ. А если это лекарь из века так 17-го? Потребуется куда больше времени, чтобы объяснить ему, что все вокруг — не магия.

Все, как обычно, начиналось с малого, а впереди нас ждет появление все большего количества полностью искусственных органов, и недалек тот час, когда серьезные травмы не окажутся приговором.

Пока человечество не научилось создавать полноценные искусственные органы. Как правило, существующие механизмы применяют в качестве временного решения — в ожидании донорского сердца, печени, почки и так далее.

Первая успешная трансплантация человеческого органа — почки от живого донора — была проведена в 1954 году. Реципиентом стал Ричард Херрик, получивший почку от брата-близнеца Рональда.

Обоим тогда было по 23 года, и Ричард смог прожить на 8 лет дольше «положенного», а его брат умер в 1997-м в возрасте 79 лет.

Можно только догадываться, как страшно им было тогда и какие надежды они возлагали на операцию.

Врачи продолжали активно двигаться вперед, и менее чем через 10 лет была проведена успешная пересадка легкого. Позже пришел черед других органов. Конечно, далеко не каждая операция завершалась как было задумано, были неудачи, много неудач.

Принимались неверные решения, врачам приходилось бороться с отторжением органов, и шансы прожить сколь-нибудь долго после манипуляций с организмом были ох как невысоки.

Под конец 20-го века человеку впервые была успешно пересажена конечность — рука, но спустя несколько лет по вине нового владельца ее пришлось ампутировать… А в 2010 году медики провели полную трансплантацию лица.

Рекордсменка по количеству одновременно пересаженных органов

Об американке Аланне Шевенелл активно писали около 5 лет назад. В 2012-м ей было 9 лет, а шансы прожить еще немного казались призрачными, как предрассветный туман. В ее теле активно развивалась раковая опухоль, с которой не могли справиться ни операции, ни химиотерапия.

Девочка стала рекордсменкой по количеству одновременно пересаженных органов. Ей заменили пищевод, печень, желудок, селезенку, поджелудочную железу и тонкий кишечник. Врачи же называли рак в ситуации с Аланной не иначе как «монстром», так как две трети 14-часовой операции они «зачищали» от болезни те органы, которые замене не подлежали.

По состоянию на 2015 год все у Аланны было хорошо — отторжения трансплантированных органов не последовало, рак не вернулся. Разве что пришлось нагонять школьную программу за несколько лет.

Металл, пластик, электроника

Тем не менее человек ищет способы и технологии, призванные ликвидировать упущения природы.

Внешне Нил Харбиссон немного походит (или походил ранее) на робота Вертера в исполнении Евгения Герасимова из советского научно-фантастического фильма «Гостья из будущего».

К тому же Харбиссон продвигает тему киборгизации людей, так как сам является представителем этого «вида». Таких, как он, иногда называют биохакерами, однако Нил не просто энтузиаст, играющий с природой.

Британец (на самом деле он родом из Испании) родился в 1984 году с полной цветовой слепотой. Будучи уже взрослым, он, как творческая личность, пожелал избавиться от наложенных на него ограничений. С точки зрения медицины Харбиссон вполне мог бы продолжить жизнь в монохромном мире. Но так легко говорить лишь тем, кто на зрение не жалуется.

«Улучшить» себя британцу помог Адам Монтадон, разработавший устройство, которое получило название Eye-Borg. Нет, оно не позволяет увидеть цвета, но дает возможность услышать их.

Однако и здесь не все просто: специальная антенна отправляет звук не в наушник, а передает его напрямую в кости черепа британца.

Более того, благодаря антенне, выразительно возвышающейся над головой мужчины, он получает данные также из других источников — например, об электромагнитном излучении.

В комплект одного из первых вариантов Eye-Borg входил ранец с компьютером, звук же передавался через наушники. Позже устройство интегрировали в кость, а вся система постепенно уменьшилась.

Разработка, кстати, подключается к интернету, а звонки на мобильный поступают сразу «в голову» Харбиссона.

Утверждается, что сегодня в мире есть пять человек, которые могут отправлять изображения, видео и звуки «абоненту» напрямую.

Самая неприятная история случилась с британцем в 2012 году в Барселоне. Полиция потребовала от него прекратить видеосъемку проходившей там демонстрации. Стражи порядка не прислушались к словам Харбиссона, который заявил, что антенна и «периферия» на ней — часть его самого. В итоге в гостиницу киборг отправился с оборванными проводами.

Еще одним «айборгом» (eyeborg) называют Роба Спенса. Кинематографист решил заменить искусственный глаз видеокамерой — с батареей и беспроводным передатчиком. Впрочем, к мозгу вся эта электроника не подключена и работает до момента своего перегрева недолго. Тем не менее выглядит впечатляюще. Особенно в темноте. Но особого смысла в этом, вероятно, нет.

Внимание! не рекомендуется к просмотру впечатлительным людям.

Сердце мое

А что если взглянуть на историю создания искусственного сердца? Первые экземпляры по размерам напоминали металлические шкафы высотой более полутора метров, с колбами, насосами, индикаторами, трубками, переключателями. Они сочетали в себе функции набора органов. Так, в 1957 году появился аппарат Mayo-Gibbon, который применялся во время операций и заменял пациенту сердце и легкие.

Но вот в 2001 году компания AbioMed показала полностью искусственное сердце AbioCor с длительным сроком службы, предназначенное для людей (первопроходцем в этом деле называют советского хирурга Владимира Демихова — в 1937-м он установил искусственное сердце собаке).

Прибор имплантируется внутрь грудной клетки. Первый реципиент прожил 151 день после установки органа, однако затем умер от инсульта. Второй смог прожить 512 дней, скончавшись в итоге от износа мембраны AbioCor.

Были планы по разработке новой версии системы, но вскоре после смерти ее создателя работы прекратили.

Подобные устройства — не только сердца — разрабатываются компаниями по всему миру. Они отличаются конструкцией, сроком службы, имеют разную степень автономности — нередко требуется внешний источник питания. Чаще медики двигаются в направлении создания гибридных систем, когда замене подлежат «сбойные» части органов.

Наступление эпохи «киборгов», вероятно, откладывается, а механические аналоги являются временным решением — до получения донорского органа. Инженеры пока не научились собирать из металла и пластика все «компоненты» организма, поэтому ограничиваются лишь элементами.

Будущее не за горами

Тем не менее существуют «кибер»-протезы, позволяющие вернуть слух, частично — зрение. Наиболее известный бионический глаз, например, — протез сетчатки Argus II, который давно перестал быть прототипом и применяется в клиниках в ряде стран мира.

Опять же, он не возвращает «привычное» зрение: с помощью электронной системы в мозг поступают сигналы, которые еще нужно научиться интерпретировать. Кроме того, при использовании Argus II существует опасность частично или полностью уничтожить глазное яблоко.

Активно трудятся ученые также над созданием управляемых протезов конечностей — рук и ног. В случае с руками прототипы позволяют совершать базовые движения, но им недостает мелкой моторики — ради которой, в общем-то, все и затевалось.

Тем не менее в конце прошлого года в один из американских военных госпиталей поступила первая пара бионических протезов LUKE (DEKA Arm System). Они управляются благодаря считыванию сигналов от мускулов, есть и пульт внешнего управления.

Определенные перспективы открывают системы, позволяющие подключать протезы конечностей к нервным окончаниям.

Естественно, двигать пальцами пока не получается, но вот в случае с нижними конечностями процесс идет куда более активно — благодаря имплантированным в тело чипам.

Известным примером является Зак Воутер из Калифорнии, который ныне занимает пост разработчика в Uber Advanced Technologies Group. В 2013 году он стал звездой СМИ благодаря участию в испытании продвинутой бионической ноги, с которой не расстается и по сей день.

Еще один пример человека, получившего невероятную возможность вновь встать на ноги, — Хью Герр (своих он лишился в 17 лет). Вначале он разработал протезы собственной конструкции, которые позволили ему вернуться к любимому занятию — скалолазанию.

Позже Герр обзавелся высокотехнологичными протезами, управляемыми с помощью компьютера. Сейчас он возглавляет исследовательскую лабораторию в MIT, где занимается так знакомой ему проблемой — разработкой все более совершенных роботизированных протезов.

Следующим шагом стало создание «чувствующих» протезов. Менее года назад были проведены испытания протеза кисти с обратной связью. Такие устройства позволяют дозировать напряжение на элементах конструкции — снижается шанс сделать больно другому человеку или раздавить тот же стакан, а также понять, что за материал трогает искусственный палец.

Кстати, демонстрацию потенциальных возможностей полностью искусственных органов устроил «бионический человек» Фрэнк в 2013 году. Внешне он походит на пародию на киборгов, но при этом управляет двумя сотнями процессоров, использует около миллиона сенсоров, 26 микродвигателей, обладает системой кровообращения, сердцем, легкими, зрением, набором функционирующих протезов, а также экзоскелетом.

В настоящее время ученые все больше обращают внимание на технологии, позволяющие создать новый орган из клеток самого пациента. В 2011 году в лаборатории удалось вырастить искусственную трахею, которую затем успешно пересадили реципиенту. В чем преимущество выращенных органов? Не требуется донор и нет риска отторжения.

Что дальше? На очереди — пересадка тела, которую намерен провести итальянский хирург Серджио Канаверо в 2018-м. В его чуть отдаленных, но весьма амбициозных планах — перемещение мозга из одной черепной коробки в другую. Но не исключено, что дальше слов дело не пойдет. Как скоро мы увидим первых настоящих киборгов, прогнозировать пока сложно.

Тонометры в каталоге Onliner.by

Источник: https://tech.onliner.by/2017/06/19/cyborgs-2

Бионические люди

Ученые работают над новым бионическим сердцем

Медицинские технологии, которые действительно могут сделать нас лучше, быстрее, сильнее…

Специалисты по бионике трудятся над созданием механических и электронных устройств, имитирующих биологические функции организма человека. Ведь по существу весь человеческий организм, за исключением мозга, можно собрать заново с использованием комбинации механических, электронных и бионических технологий.

Бионическая конечность отражает строение человека.

Твердые материалы, такие как алюминий и углеродное волокно, заменяют скелет, двигатели и гидравлика отвечают за движение конечности, сухожилия заменяются пружинами, которые сохраняют и высвобождают потенциальную энергию упругой деформации.

Компьютер управляет движением и прохождением сигналов по электрическим проводам, как по нервам в настоящей конечности. Теперь пациенты могут управлять такими конечностями с помощью своего мозга.

Ученые работают над заменой отдельных мышц и сухожилий после травм. Искусственные мышцы формируются из полимерного геля, который расширяется и сжимается в ответ на электрические сигналы, подобно человеческим мышцам. Сухожилия состоят из тонких синтетических волокон, которые способны работать почти как настоящая соединительная ткань.

Механическая природа конечностей делает их превосходными кандидатами на создание роботизированных аналогов. То же самое относится к человеческому сердцу и легким.

Два желудочка, которые снабжают кровью тело, и легкие заменяются камерами с гидравлическим приводом.

Впрочем, заменить можно не только механические части человеческого тела; по прошествии какого-то времени могут быть воссозданы даже части сложной системы органов чувств.

К примеру, кохлеарные имплантаты используют микрофоны в качестве замены уха, а имплантаты сетчатки используют видеокамеры и вживляются в глаз. Полученные данные затем обрабатываются и преобразуются в электрические импульсы, которые передаются соответственно на слуховые или зрительные нервы, а затем в мозг.

Ведется активная работа над созданием бионических датчиков осязания. Например, Калифорнийский университет в Беркли разрабатывает сенсорную электронную кожу, получившую название e-skin и представляющую собой покрытие из датчиков давления в гибкой пластиковой оболочке.

Такая искусственная кожа позволит людям ощущать прикосновения к их бионическим конечностям.

Ведутся непрерывные исследования в области замены целых органов. Однако очень сложно воссоздать все специализированные биологические функции каждого пострадавшего органа.

Намного проще с помощью бионики заменить утраченную функциональность, если повреждения коснулись органа только частично. При диабете 1 типа продуцирующие инсулин бета-клетки поджелудочной железы разрушаются иммунной системой.

В настоящее время у некоторых пациентов есть искусственная поджелудочная железа: компьютер, который находится снаружи, отслеживает уровень сахара в крови и при необходимости вводит правильную дозу инсулина.

Заменить целый орган гораздо сложнее, поэтому ученые возвращаются к биологии для изготовления искусственных органов.

Объединив трехмерную печать с исследованиями стволовых клеток, мы теперь можем печатать клетки слой за слоем и наращивать ткани.

В будущем эта технология позволит пересаживать индивидуальные органы, изготовленные из собственных клеток реципиента.

Достижения в бионике таковы, что уже появляются конечности, которые превосходят возможности человека в отношении скорости и поднятия веса.

И, несмотря на все успехи бионики, сложное устройство наших внутренних органов и их взаимодействие не позволяют заменить все части тела человека механическим аналогом. Но, возможно, это всего лишь вопрос времени…

Управление протезом силой мысли

Передовые бионические конечности, разрабатываемые в настоящее время, позволяют человеку управлять движениями с помощью своих мыслей. Технически это называется «целевая мышечная реиннервация».

Ученый управляет инвалидным креслом, используя нейрокомпьютерный интерфейс

Это революционная хирургическая техника, которая перенаправляет нервы ампутированной конечности. Оставшиеся нервы, которые раньше тянулись к мышцам недостающей руки, перенаправляются к существующей мышце.

Когда человек начинает думать о том, что надо подвигать пальцами, мозг направляет сигнал по нервам, которые прикрепили к мышце. Мышца сокращается, и эти сокращения генерируют крошечные электрические сигналы, которые подхватываются протезом.

Протез запрограммирован реагировать на эти движения мышц, улавливая каждую комбинацию сигналов и переводя их в механическое движение руки. Самые сложные протезы содержат 100 датчиков, 26 подвижных соединений и 17 приводов, и все они координируются компьютером, встроенным в протез.

Совместимые материалы

Одним из наиболее важных факторов в биомедицинской инженерии является биосовместимость — взаимодействие различных материалов с биологическими тканями.

Материалы для имплантатов выбираются такие, чтобы они были «биологически инертны», и в результате они не вызывают иммунного ответа. Они могут включать титан, силикон и пластики, такие как PTFE (политетрафторэтилен — тефлон).

Искусственные сердечные клапаны часто покрыты слоем сетчатой ткани, сделанной из того же пластика, который используется для бутылок с безалкогольными напитками, — дакрона. В биологическом контексте пластиковая сетка служит инертным каркасом, позволяя тканям сердца нарастать над клапаном, закрепляя его на месте.

Некоторые каркасы, используемые в имплантатах, являются биоразлагаемыми, они обеспечивают временную поддержку растущей ткани, а затем безвредно растворяются в организме.

Искусственные сердечные клапаны часто делают из металла, например, из титана или стали

Бионические конечности носят на теле, поэтому материалы для них выбираются исходя из их прочности и гибкости, а не биосовместимости. Для создания отдельных элементов протеза используются алюминий, углеродные волокна и титан, что обеспечивает огромную механическую прочность.

Сборка бионического человека

Технологические достижения позволяют создавать конечности с компонентами, имитирующими функции скелета, мускулатуры, сухожилий и нервов человеческого тела. Для замены органов чувств могут быть использованы микрофоны, камеры, датчики давления и электроды.

Даже самый жизненно важный орган, — сердце, можно заменить гидравлическим насосом. Некоторые новейшие технологии настолько продвинуты, что компоненты, созданные с их использованием, превосходят их биологические аналоги.

Бионические конечности

В последние несколько десятилетий в сфере создания протезов конечностей произошел скачок.

Они по-прежнему сохраняют характерные особенности, такие как внутренний каркас для структурной поддержки и приемное гнездо для присоединения к месту ампутации, однако самые инновационные модели теперь способны воспроизводить естественные движения или даже превосходить их. Вместо мышц используются двигатели, вместо сухожилий — пружины и вместо нервов — провода.

Движение большинства протезов контролируется извне, с использованием кабелей, прикрепленных к другим частям тела, или с помощью ряда кнопок и переключателей. Появляются новые технологии, позволяющие человеку осуществлять движение бионической конечности с помощью мыслей.

Следующим логическим шагом в этом процессе является разработка технологии, которая позволит протезной конечности ощущать прикосновения и передавать информацию об этом человеку.

Исследователи, финансируемые Агентством передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA), разработали технологию под названием FINE, которая обеспечивает непосредственный контакт нервов с электродами, позволяя передавать в мозг информацию с датчиков.

Имплантат сетчатки Argus II компании Second Sight

Камера, установленная на очках, фиксирует изображения в реальном времени и передает их по беспроводной связи на имплантат на сетчатке.

Имплантат содержит 60 электродов и, в зависимости от изображения, генерирует различные шаблоны электрических сигналов, которые затем направляются в оставшиеся здоровые клетки сетчатки.

Эти клетки активируются сигналами и передают визуальную информацию в мозг для обработки.

Кохлеарный имплантат Nucleus 6 компании Cochlear

Кохлеарный имплантат Nucleus 6 состоит из четырех основных компонентов. Микрофон, размещаемый около уха, регистрирует звук и передает сигнал звуковому процессору.

Затем процессор выравнивает сигнал и отправляет его на встроенный передатчик. Передатчик направляет сигнал имплантированному приемнику/стимулятору, который преобразует его в электрические сигналы для электродов.

Наконец, эти сигналы передаются на слуховой нерв.

Искусственное сердце Total Artifi cial Heart компании SynCardia Systems

Пластиковое сердце может быть имплантировано для замены двух желудочков сердца. Для замены клапанов служат пластиковые трубки, а к ним уже прикрепляются две искусственные камеры. Сердце подключается к пневматическому насосу, который носится в рюкзаке, и посылает воздушные потоки в камеры, создавая давление, необходимое для прокачки крови по сосудам тела.

Операция по вживлению искусственного сердца стоит около 125 тыс. долларов США и еще 18 тыс. долларов в год необходимо для поддержания прибора в рабочем состоянии.

Будущее бионики

  1. Трехмерная печать органов. Трехмерная печать — это будущее промышленности, и уже сейчас биологи адаптируют эту технологию для печати органов с использованием живых человеческих клеток. Клетки укладываются слоями, чередуясь с поддерживающим прозрачным гелеподобным материалом. Когда клетки срастаются, поддерживающий слой растворяется.
  2. Экзоскелет.

    Компания Ekso Bionics разрабатывает бионические экзоскелеты, чтобы люди с параличом нижних конечностей могли ходить. Экзоскелет поддерживает тело пациента и с помощью датчиков движения регистрирует жесты, а затем преобразует их в движения.

  3. Искусственная почка. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско работают над созданием бионической почки.

    Размером приблизительно с бейсбольный мяч, она содержит мембраны с наноотверстиями для фильтрации поступающей крови. Также она будет содержать искусственные почечные клетки.

  4. Рукотворный иммунитет. Ученые создали искусственные клетки под названием лейко-полимеросомы, которые имитируют клетки иммунной системы.

    Они могут определять поврежденные ткани и доставлять лекарственные вещества к пораженным местам в теле человека, в частности к раковым клеткам.

  5. Роботизированные клетки крови. Сотрудники Института молекулярной технологии разрабатывают нанотехнологии, которые могут повысить способность крови к насыщению кислородом.

    Известные под названием «респироциты», клетки производятся атомом за атомом — в основном из углерода

ссылкой

Источник: https://SiteKid.ru/izobreteniya_i_tehnika/roboty/bionicheskie_lyudi.html

Бионика – чудесный сплав лучших явлений природы, научной мысли и технологий

Ученые работают над новым бионическим сердцем

Willyam Bradberry / shutterstock.com 

Что такое чудеса современной бионики – Микка Терхо знает лучше нас с вами. Ему 46 лет, почти половину из которых он работает финансовым консультантом в одной финской компании, расположенной в Хельсинки. Микка открывает глаза и смотрит перед собой.

Настенные часы показывают половину пятого. Ничего примечательного, если бы не тот факт, что сегодня он впервые за 10 лет сумел взглянуть на часы и узнать, сколько времени.

А в эту самую секунду крохотные датчики и микрочипы, размещенные на сетчатке его глаза, посылают электрические импульсы на зрительный нерв и передают сигнал в мозг.

Нет, это не начало сюжета фантастического фильма про киборгов, а мгновение из личной истории человека, которому посчастливилось жить в эпоху развития бионических технологий – магического результата переплетения естественных и технических наук.

Людей, испытывающих те же проблемы, что и этот простой финский экономист, огромное множество.

Одни теряют зрение и слух, другие рождаются с физическими дефектами или утрачивают части тела в результате несчастных случаев – так или иначе целостность и естество их организма нарушено. Однако не безвозвратно.

И во многом благодаря бионике – одной из наиболее перспективных областей современной науки. Но обо всем по порядку.

Откуда растут корни бионики?

Вероятно, если бы наш финский знакомый открыл толковый словарь, завалявшийся у него на полке со времен студенчества, то напротив слова «бионический» он бы нашел такое определение: «характеристика фантастического персонажа, имеющего полностью или частично искусственное тело, ничем не отличающееся от живого человека». Действительно, бионические технологии – это новейшее явление, которое когда-то казалось лишь домыслами писателей-фантастов.

На самом деле понятие бионики появилось в 1958 году. Ввел его американский доктор, работавший в лаборатории аэрокосмических медицинских исследований при ВВС США и специализировавшийся на разработке киборгов. Собственно, сам термин «бионика» представляет собой слияние двух слов «биология» и «электроника», что как нельзя лучше отражает междисциплинарную природу этой области.

И в широком смысле бионика – это наука создания искусственных систем, обладающих характеристиками живых организмов и их частей.

Важно понимать два принципиальных момента. Первый: бионика не связана с биоинженерией и генными технологиями.

Второй аспект заключается в том, что эта научная область не ограничивается одними только разработками бионических протезов (хотя они и составляют ее основную часть), специалисты данной сферы в принципе занимаются разработками, основанными на имитации элементов живой природы.

С точки зрения бионики, мышцы людей и животных можно представить, как постоянно работающие моторы, а передача нервных импульсов аналогична сигналам компьютера. Иными словами, на вооружение берется принцип «все самое продуманное и технологически совершенное уже создала природа», а человеку остается черпать из нее вдохновение и синтетически воссоздавать ее шедевры.

Claudia Mitchell – first woman to have a bionic arm – a … – #tech #technews #technology https://t.co/DcJcBW1Qu6 pic..com/DINehONJDh

— Tech Daily (@TechDailyNow) February 14, 2016

Человек-конструктор или бионические чудеса

Желание искусственно реализовывать гениальные биологические задумки, которые можно найти в окружающем мире, привело ученых к ряду важных достижений. Безусловно, на переднем плане таких разработок стоят суперсовременные протезы человеческих частей тела и органов.

Именно благодаря этому обстоятельству Микка Терхо после многолетней жизни в темноте смог увидеть, что показывают стрелки на часах, прочитать свое имя в больничной карте и различить столовые приборы и фрукты, лежащие перед ним.

Финский экономист потерял зрение в результате дегенерации желтого пятна – заболевания центральной части сетчатки. Теперь имплантированный в его глаз чип выполняет функцию, утраченную в результате дистрофии глаза и всей зрительной системы.

Кроме того, что датчики позволяют мозгу получать и обрабатывать визуальные образы, они также осуществляют интеллектуальную обработку изображения, автоматически улучшая его контрастность и снижая зернистость.

Можно ли при помощи бионики «собрать» полную техно-копию человеческого тела?

Помимо бионических глаз, современные ученые создают и другие искусственные органы. Например, утраченные конечности – руки и ноги, которые выполняют не только эстетическую функцию, но и соединяются со здоровыми двигательными нервами при помощи особых электродов и отвечают нервным импульсам, поступающим от здоровых и сохранившихся мышц.

Так, недавно исследователи разработали прототип протеза кисти, который способен выполнять различные манипуляции с предметами и предварительно оценивать то, какие движения оптимальны при взаимодействии с теми или иными вещами.

А некоторые подобные протезы могут обеспечивать даже передачу тактильных ощущений от соприкосновения с поверхностями различных предметов.

Другой популярный пример – бионические уши – уже существует на рынке медицинских технологий не первый год, и множество людей спасаются от глухоты кохлеарными имплантами. Также ведутся разработки по совершенствованию «портативных почек» – устройств, отвечающих за удаление токсинов из крови и поддержание баланса жидкости в организме человека с почечной недостаточностью.

Ряд исследовательских центров, в частности, Техасский университет и университет Сент-Эндрюса, ищут способы создать аналог человеческих мышц из синтетических полимерных гелей, которые способны сжиматься и расширяться (читай: сокращаться) под воздействием электротоков.

Схема дырчатого инплантанта. Показано внедрение полимерного имплантанта в сетчатку глаза. Миг / traditio.wiki (CC BY-SA 2.5)

Бионика = шанс на жизнь?

Но, пожалуй, самое непростое – воссоздать человеческое сердце и мозг. Однако с одной проблемой ученым уже удалось справиться, ведь первое бионическое сердце было пересажено человеку еще в 2011 году.

C мозгом все обстоит намного сложнее. По сути, полностью бионический мозг – есть воплощение искусственного интеллекта, успеха в создании которого сегодня стремятся достичь исследователи по всему миру.

Понимая все трудности в исполнении этой задачи, специалисты в области нейрофизиологии и биоэлектроники работают над более приземленными проектами, а именно: конструируют специальные чипы, которые могут заменить собой отдельные участки головного мозга.

Например, ученым в университете Южной Калифорнии удалось создать имплант, который моделирует сложную нервную активность и помогает сохранять воспоминания.

В частности, такие микрочипы, имитирующие гиппокамп, уже вживляются пациентам, перенесшим инсульт и страдающим болезнью Альцгеймера.

Невольно возникает вопрос: а можно ли при помощи бионики «собрать» полную техно-копию человеческого тела? На данный момент он остается открытым.

Тем более, что по оценкам одного из признанных специалистов в этой сфере, профессора университета Бата Джулиана Винсента (Julian Vincent), на сегодняшний день переплетение биологии и искусственных технологий, с точки зрения использования потенциала, составляет всего лишь 12%.

На что еще природа вдохновляет ученых?

На самом деле бионика охватывает огромное пространство для технологических и конструкторских решений. Подобно тому, как в свое время великий Леонардо да Винчи создавал свой летательный аппарат, вдохновленный физиологической архитектурой стрекозы, современные ученые черпают идеи из живой природы, не обязательно связанные с человеческим телом.

Например, военными, путешественниками и спортсменами широко используется так называемая «умная одежда», которая изготавливается из специальной мембранной ткани, способной адаптироваться под температуру тела и условия окружающей среды. Не секрет, что механизм открытия частиц ткани во время жары и их смыкание на холоде был заимствован инженерами у сосновых шишек, чешуйки которой ведут себя аналогичным образом.

А в 2004 году исследователи из Пенсильванского университета начали подробно изучать наноструктуры крыльев синих бабочек Морфо. В результате механизм люминесценции в крыльях этих насекомых был взят за основу при создании наносенсеров для обнаружения взрывчатых веществ.

А в число же наиболее известных из последних бионических разработок входят такие любопытные проекты, как: бронежилеты из сверхпрочного материала, структура которого напоминает паутину; суперклейкая лента, вдохновленная удивительными способностями гекконов прочно закрепляться на любых плоскостях и при этом свободно перемещаться; а также практически христоматийный пример бионики – самоочищающиеся и водоотталкивающие материалы, сконструированные благодаря технологии, подсмотренной у цветков лотоса.

К слову, если вы слышали о фаворитах всех профессиональных пловцов – купальных костюмах Speedo Fastskin, то вот секрет их высокого качества: ткань для купальников была разработана после подробного изучения микроструктур на поверхности кожи акулы, и по сути представляет собой синтетический ее аналог.

О взаимном влиянии человека и природы можно вести нескончаемые философские дискуссии. Но одно можно сказать точно: использование живого мира в качестве источника вдохновения для науки и технологий – куда лучший сценарий отношения людей и окружающей среды, чем нещадная эксплуатация ее ресурсов.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://sciencepop.ru/vdohnovlennye-prirodoj-chudesa-sovremennoj-bioniki/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.