Współczesna inżynieria biomedyczna

 Każdy z nas pamięta z mitologii greckiej postać Dedala i Ikara. Dedal był architektem i wynalazcą, synem Ateny, ojcem Ikara. Postaci te znane są z historii związanej z królem Minotaurem, który zamknął Dedala w wieży i zabronił powrotu do ojczystych Aten. Jednak Dedal wraz z synem Ikarem zdecydował uciec z wieży na skrzydłach zrobionych własnoręcznie z piór i wosku. W trakcie ucieczki Ikar zginął, ponieważ podleciał zbyt blisko słońca.

Choć dziś inżynieria medyczna nie stworzyła jeszcze sztucznych skrzydeł dla ludzi, a marzenia Ikara o lataniu są wciąż fantazją, to jej współczesne osiągnięcia niekoniecznie ustępują pragnieniom mitycznego bohatera.

Bionika

Czasem „los” pisze dla ludzi nieprzychylny scenariusz. Bez względu jakie są przyczyny ludzkich ograniczeń, każdy z nas chce realizować się w pełni. W wyniku wypadków czy też procesu starzenia się, nasz organizm ulega procesowi powolnego zużycia. Postęp technologiczny otwiera jednak nowy rozdział w historii medycyny, w historii technologii, w którym niemalże każdy uszkodzony narząd, dzięki pracy bioników i inżynierów medycznych można wymienić na nowy, wzorowany na naturalnym. Ludzki organizm, jak wiemy na poziomie biologii, jest najwspanialszych jej tworem – swoistym mikrokosmosem – kombinacją mięśni, zmysłów i organów, bezpośrednio połączonych ze sobą. Dlatego naukowcy nie szukają już nowych rozwiązań konstruktorskich dla kończyn, serca czy oka, ale uważnie podpatrują naturę, analizują strukturę anatomiczną człowieka tak, by jak najwierniej ją odtworzyć za pomocą współczesnych materiałów biomedycznych. Jedną z dziedzin, która zajmuje się łączeniem biologii i współczesnych technologii jest właśnie bionika. Czym ona jest? Bionika, zwana inaczej biomimetyką, jest to interdyscyplinarna nauka o naśladowaniu żywych organizmów. Wykorzystuje rozwiązania zaproponowane przez naturę po to, by tworzyć zastępcze organy ludzkiego ciała, użyteczne technicznie modele systemów biologicznych dla osób, które doznały urazu. Jej głównym celem jest zastosowanie rozwiązań biologicznych w technice. Termin bionika został po raz pierwszy użyty w 1960 roku, na sympozjum naukowym Living prototypes of artificial organs w Dayton w USA.

Bioniczne oko

Pierwsze bioniczne oko zostało wszczepione przez naukowców z Australii a sam zabieg bardzo skutecznie zwrócił uwagę świata na możliwości współczesnej inżynierii medycznej. Naukowcy zaprezentowali szansę na przywrócenie wzroku milionom niewidomych ludzi. Sztuczne oko to hybryda normalnego ludzkiego organu i elektrod. Kobieta, która cierpiała na dziedziczne barwnikowe zwyrodnienie siatkówki, po udanej operacji przeszczepienia sztucznego oka dostrzega kształty przedmiotów, pomimo, że jej choroba spowodowała niemal całkowita utratę wzroku.

Bioniczne oko, które wszczepiono Australijce jest implantem, prototypem elektronicznej siatkówki i składa się z 24. elektrod wszczepionych tuż pod biologiczną siatkówką. Impulsy do elektrod biegną przewodem poprowadzonym od dna oka do „wyjścia” tuż za uchem i dalej do specjalnej aparatury laboratoryjnej. Naukowcy mają nadzieję, że uda im się udoskonalić implant oka w ciągu najbliższych lat. Ponadto nie chcą, żeby urządzenie było zbyt skomplikowane. Celem jest, aby każdy chirurg mógł wykonać zabieg implantacji. Niestety, na ten moment organy bioniczne dla przeciętnego człowieka są po prostu mało dostępne: operacja i budowa implantu kosztowały ponad 42. miliony dolarów.

Protetyka – sztuczne kończyny

Jedną z prężnie rozwijających się dziedzin nauki, która ma ogromny wpływ na postęp bionicznych protez jest robotyka. Naukowcy mogą pochwalić się już skonstruowaniem biomanipulatorów, które z dużą dokładnością naśladują ruch zdrowej kończyny ludzkiej. Proteza tego typu sterowana jest poprzez sygnały elektromiograficzne, za których rozpoznawanie odpowiada procesor sygnałowy, zaś do akwizycji tych sygnałów używa się elektrod powierzchniowych umieszczonych w leju protezy. Mimo skomplikowanej budowy, zasada działania jest taka sama, jak zdrowej kończyny.

W protezach rąk wykorzystuje się silikonowe uzupełnienie estetyczne dłoni i palców. Od wielkości ubytku zależy zakres ruchów i funkcja protezy np. pisanie na klawiaturze komputera, pisanie długopisem, chwytanie i utrzymywanie przedmiotów. Protezy ramienia bywają wyposażone w funkcjonalny staw łokciowy. Daje to możliwość otwierania i zamykania ręki, zgięcia nadgarstka, obracanie przedramienia, zginania i prostowania łokcia a także blokowanie wybranej pozycji. Protezy całej kończyny górnej są bardziej skomplikowane. Elektroniczny przegub kolanowy to z kolei oprogramowanie dostosowujące pracę kolana do potrzeb i aktualnej sytuacji pacjenta. Specjalny płyn reagujący na pole magnetyczne, które zmniejsza jego gęstość tłumi lub ułatwia wykonanie wymachu czy podporu. W przypadku całkowitego braku kończyny górnej obudowywana jest sztuczna struktura. Ruch stawu barkowego sterowany jest przez część barku i drugą kończynę oraz ruch tułowia. Lekarze i naukowcy pracują nad protezami dla dzieci, które mogłyby rosnąć wraz z nimi.

Przykładem efektywności bioprotez jest 32. Brytyjka Claire Lomas, sparaliżowana od 5. lat po wypadku konnym, która jest pierwszą kobietą, która ukończyła maraton na bionicznych protezach. 42. kilometrową trasę Londynie, pokonała w 16. dni.

Na potrzeby protezy bionicznej wytworzono sztuczne mięśnie z lekkich i trwałych włókien węglowych. Choć na razie powstały z myślą o wykorzystaniu ich w robotyce, jest to niewątpliwie pierwszy krok ku pomocy ludziom z uszkodzonym narządem ruchu. cechuje je ogromna twardość i wytrzymałość, a także lekkość (1 cm3 waży zaledwie 1,5 miligrama). Ich mechanizm jest oparty o działanie naturalnych mięśni - pod wpływem prądu elektrycznego rozszerzają się (aż o 220%), cały proces trwa milisekundy, a co ważne, ich długość nie zmienia się w ogóle.

Bezsprzecznie osiągnięcia bioniki są spektakularne i wielu osobom pozwalają żywić realną nadzieję na znaczną poprawę sprawności. Z pewnością także ich cena będzie spadać, co rzecz jasna, pociągnie za sobą zwiększenie ich dostępności. Póki co jednak, warto robić, to co można i co jest z zasięgu niemal każdego i to od razu: korzystać z aktywnej rehabilitacji.

Dominika Miros