Kości zostały rzucone

Innowacje sier 3, 2016 at 1:39 pm

Każdy zdrowy człowiek, który ma dwie ręce i dwie nogi, nie zastanawia się, jak to jest ich nie mieć. Medycyna od lat szuka rozwiązania problemu protez i implantów, a zupełną nowością, rokującą ogromne nadzieje, są kości bioniczne. 

Drewniana piracka noga, stukająca głośno o deski podkładu szkunera, to dziś jedynie obraz z bajek. W ostatnich dziesięcioleciach lekarze wstawiali swoim pacjentom implanty i protezy plastikowe, metalowe oraz ceramiczne. Od zębów, przez kości i panewki biodrowe, rzepki kolanowe po brakujące kończyny – takich operacji w samym Ontario przeprowadza się setki. Według danych Canada Joint Replacement Registry w latach 2013-14 w naszej prowincji wstawiono prawie 26 tysięcy sztucznych stawów kolanowych i niemal 20 tysięcy bioder.

bioniclimb

Bionika – kopiowanie natury
Bionika, biomimetyka czy inżynieria bioniczna to nauka badająca budowę i zasady działania organizmów oraz adaptowanie ich w technice (głównie automatyce) i budowanie urządzeń technicznych na wzór organizmu. Patenty przygotowane przez naukowców wykorzystują rozwiązania występujące w przyrodzie. W medycynie, bo o niej dzisiaj mowa, bionika oznacza zastępowanie lub wspomaganie różnych organów i części ciała urządzeniami, które – w przeciwieństwie do protez – bardzo dobrze naśladują ich naturalne funkcjonowanie.
Pierwszym przełomem w światowej bionice była pionierska operacja połączenia sztucznej nogi z kikutem amputowanej kończyny, którą wykonano cztery lata temu w Australii. Marny Cringle straciła lewą nogę podczas wypadku w londyńskim metrze. Przez piętnaście lat lekarze nie potrafili dopasować protezy, ponieważ to, co zostało z kości udowej, było za krótkie. Po latach badań udało się wydłużyć kość udową oraz „wyhodować” pięć dodatkowych centymetrów kości, które pozwoliły na założenie bionicznej nogi. Lekarze prognozowali, że z czasem tkanka kostna i mięśnie obrosną bioniczną nogę, spajając wszystko w całość.
Największym osiągnięciem inżynierii bionicznej jest i-LIMB – jedna z najbardziej zaawansowanych sztucznych rąk, która służy szwajcarskiemu psychologowi społecznemu Bertoltowi Meyerowi, urodzonemu z nieprawidłowo rozwiniętą górną kończyną. Ręka i-LIMB, dzięki sensorom reagującym na impulsy z ruchu mięśni, następnie „tłumaczonym” na ruch, działa w zasadzie tak samo, jak naturalnie wykształcona część ciała. Nowością jest też LifeHand2, bioniczna ręka sterowana za pomocą myśli użytkownika. Współczesne protezy bioniczne są jak samodzielne pojazdy, które przy połączeniu z amputowaną kończyną, dzięki zaprogramowanemu algorytmowi, podążają za resztą ciała wykonując ruch typowy dla łydki czy kolana.

bionichand

Zabawa w Boga?
Sztuczne ręce i-LIMB, jak i wszystkie inne części ciała, posiada pierwszy bioniczny człowiek – Rex. Samodzielnie, choć jeszcze niepewnie chodzi, oddycha, a jego sztuczne serce pompuje syntetyczną krew. Powstał w Wielkiej Brytanii w laboratorium dwóch inżynierów – Richa Walkera i Matthew Goodena. Nogi stworzył mu Hugh Herra, naukowiec bostońskiego MIT, który sam z takich korzysta – własne stracił poprzez odmrożenie podczas zimowej wspinaczki na Mount Washington. Sylwetkę bionicznego człowieka podtrzymuje egzoszkielet (zewnętrzne struktury, które u normalnego homo sapiens opasują ciało i reagują na jego ruchy, wzmacniając je mocą elektrycznych i hydraulicznych siłowników). Serce to taki sam implant, jaki służy pacjentom czekającym na przeszczep, Rex posiada też w pełni działającą syntetyczną śledzionę, trzustkę oraz nerkę. Jego twarz jest nieruchoma i gładka, jak u manekina. Żadnych zmarszczek, żadnej mimiki. Funkcje widzenia częściowo odtwarza bioniczne oko – implant siatkówkowy z kamerą. Podobne rozwiązania stosuje się już w okulistyce w USA. Z Rexem można też pogadać. Nie wejdzie w prawdzie w żadną zaawansowaną dyskusję, ale do pewnego stopnia rozpoznaje ludzką mowę i odpowiada dzięki programowi typu chatbot, zbliżonemu do Siri. Jego sztuczna inteligencja jest obecnie na poziomie trzynastolatka. Brakuje mu systemu trawiennego i wątroby, więc raczej z nami nie poimprezuje, ale inżynierowie twierdzą, że już udało im się odtworzyć ludzki organizm w 70%.

Mihaela – gwiazda bioniki
Emerytowany profesor University of Toronto Bob Pilliar, kanadyjski ojciec bioceramiki, od dwudziestu lat poszukuje syntetycznego substytutu kości. Długotrwałego, solidnego, ulegającego biodegradacji materiału przyszłości, który pozwoli tworzyć protezy „szyte na miarę”, dopasowane do indywidualnych potrzeb każdego pacjenta. Najnowsze badania rokują sukces. Opowiedzią ma być polifosforan wapnia – proszek, w którego skład wchodzą te same minerały, które stanowią budulec ludzkiej kości. Odkrycie samego materiału, nie rozwiązało jednak problemu, pojawiła się kwestia, jak taką kość zbudować?

Mihaela-3D-Printing1Z pomocą przyszła młoda pani naukowiec Mihaela Vlasea z Uniwersytetu w Waterloo, specjalizująca się w inżynierii mechatronicznej (dziedzina łącząca komputery, elektronikę i systemy mechaniczne).
Technologia, która wciąż brzmieć może jak sience-finction (opatentowana już w 1986) – druk przestrzenny 3D – pozwala tworzyć trójwymiarowe obiekty na podstawie modelu komputerowego. Mihaela poszła jednak trochę dalej – skonstruowała specjalistyczną drukarkę o rozmiarach średniej lodówki, która, za pomocą promieni ultrafioletowych, spaja sproszkowany polifosforan wapnia w całość. Warstwa po warstwie, powstaje implant, we wnętrzu którego, z zegarmistrzowską precyzją budowane są kanały i wgłębienia. Maleńkie dziurki na powierzchni prowadzą, jak w mrowisku, do wewnętrznej sieci mikroskopijnych przewodów. Kiedy implant zostanie wszczepiony, ludzkie komórki kostne automatycznie rozprzestrzenią się wewnątrz, wypełnią ubytki i odbudują nową kość. Ponieważ polifosforan wapnia ulega biodegradacji, z czasem zostanie wchłonięty przez organizm pacjenta, a nowopowstałe tkanki i komórki przyjmą kształt sztucznej protezy. Tak jak złamana piszczel zawsze sama się zrasta, tak tu – przy pomocy innowacyjnej technologii – nasz organizm potrafił będzie zbudować całą, zupełnie nową, normalnie funkcjonującą kość. Na razie badania i próby dotyczą małych fragmentów ubytków kostnych, w niedalekiej przyszłości jednak prawdopodobnie możliwe będzie zupełne wykluczenie metalowych protez.
Inżynieria bioniczna jest bez wątpienia przyszłością medycyny, a umiejętność tworzenia syntetycznych organów uratować może w przyszłości wielu ludzi, czekających na transplantacje, implanty i protezy.

Kaja Cyganik