Jen v Rusku potřebuje protetiku různých částí těla více než 200 tisíc lidí. Jak daleko pokročila věda při řešení tohoto problému? Jaký je rozdíl mezi moderními protézami a těmi, které se používaly na začátku minulého století? Přečtěte si odpovědi v článku MedAboutMe.
Protetika: kdysi a dnes
Nápad nahradit ztracené části těla umělými se objevil už dávno. Již v dávných dobách lidé vyráběli umělé ruce, nohy a oči a některé z těchto výrobků se staly skutečným uměleckým dílem a zázrakem mechaniky. Ale přesto tyto protézy zpravidla řešily problémy velmi omezeným způsobem a často plnily čistě estetické úkoly. Jako umělé oči.
Dnes jsou protézy mnohem funkčnější a jejich rozsah se rozšířil: umělé „náhradní díly“ mohou nahradit nejen vnější, ale i vnitřní části těla. Nikoho nepřekvapí například výměna části nádob za umělé, nebo výměna opotřebovaných spojů za plně funkční a odolné konstrukce z kovu, keramiky či polymerů. Co se týče zubní protetiky, to je téma na samostatný článek, a ne jeden, takže se toho nebudeme dotýkat.
Vědci se dnes snaží zajistit, aby umělé části těla nejen „zaplnily prázdnotu“, ale byly také stejně funkční jako „nativní“. A aby nezpůsobovaly odmítnutí těla a mohly se stát jeho součástí.
K tomu se využívají úspěchy několika vědních oborů: lékaři, biologové, fyzici, materiáloví vědci, IT specialisté, inženýři a mechanici spolupracují na vývoji protéz. Navíc je velmi důležité, aby každý z nich rozuměl společným cílům a byl schopen uvažovat o problému nejen z pohledu oblasti své odbornosti.
Základy bioprotetiky
Protože cílem je reprodukovat přirozené části těla vytvořené přírodou a evolucí, hrají v bioprotetice roli takové disciplíny, jako je bionika, biomimetika atd.
Bionika studuje funkce a vlastnosti objektů divoké zvěře a přenáší studované parametry do umělých struktur. První bionik se jmenuje Leonardo da Vinci, který se pokusil vytvořit letadlo, které by se mohlo pohybovat pohybem křídel postavených v podobě ptáků. Naše domovy jsou plné příkladů věcí vytvořených podle principů bioniky: jedná se o gumové přísavky, jejichž princip byl odkoukán od chobotnic, a suché zipy, na myšlenku přišel Georges de Mestral, když vybral z chlupů svého psa neuvěřitelně houževnaté otřepy. A mnohem více, včetně bund vyrobených z vodoodpudivé látky, jejichž myšlenka byla nalezena také v přírodě.
Biomimetika zahrnuje studium struktury přírodních materiálů a jejich replikaci za účelem získání podobných vlastností.
Pro vytvoření ideální protézy je nutné zopakovat maximum vlastností části těla, včetně nejen vzhledu, ale i vnitřní stavby, funkcí atd. A to není jednoduché, i když úspěchy existují. Například kochleární implantáty úspěšně obnovují lidem sluch tím, že zachycují zvukové vlny a vysílají příslušný signál do mozku, kde se zpracuje tak, aby neslyšící slyšel. Existují podobně fungující umělé oči. Ale s vnitřními orgány to zatím není moc dobré: můžete vyrobit umělá játra nebo slezinu, velmi podobné těm skutečným, ale nebudou moci fungovat stejně jako živé orgány.
Umělé orgány: co je již možné
Živý orgán nebo část těla je řízena mozkem, přijímá a přijímá signály přenášené nervovými vlákny. To znamená, že umělé zařízení musí být schopno rozpoznat nervové impulsy a odeslat jako odpověď ty, které mozek rozpoznat. To je ideální.
Již existují způsoby, jak vytvořit umělé kosti, které se strukturou a pevností velmi blíží těm skutečným. Ukázalo se však, že je mnohem obtížnější obnovit chrupavku. Proto se například protézy kyčelního kloubu stále vyrábějí z kovu, keramiky a speciálních polymerů.
Aby se struktura protézy přiblížila té přirozené, byly vyvinuty techniky, které umožňují kombinovat umělé struktury a živé tkáně. Z umělého nebo přírodního materiálu se například vytvoří lešení a na něj se vysadí živé kmenové buňky získané od samotného pacienta. Buňky se zakoření a pak se z nich vyvine požadovaný typ tkáně. To se může stát i v těle pacienta. Tímto způsobem je již možné vypěstovat nový bubínek nebo kůži a výzkum probíhá i v dalších směrech.
Ale protéza může být elektromechanická. Donedávna byly takovéto protézy končetin řízeny určitým souborem programů, to znamená, že neumožňovaly provádět určité druhy pohybů, pokud je program neumožňoval. Aby vědci toto omezení obešli, vyvíjejí způsoby, jak propojit lidský mozek a digitální technologie tak, aby „mluvili stejnou řečí“, rozuměli si a mohli spolupracovat.
Kyberprotetika
Pokud jste viděli moderní průmyslové manipulátory, které ve výrobě provádějí stovky nejpřesnějších operací, viděli jste „bratry“ moderních protetických končetin. Na stejném principu se vyrábějí jednotlivé protézy paží a nohou i celé exoskelety.
Jejich hlavním problémem je, že kybernetické protézy neumí „číst myšlenky“ a mohou provádět pouze předem naprogramované akce. Pro rozšíření jejich schopností se vyvíjejí rozhraní mozek-počítač.
Aby to fungovalo, jsou vytvářeny speciální biokompatibilní struktury, které se mohou spojit jak s živým nervem, tak se senzory zařízení, které musí být ovládány nervovými signály.
Tato práce začala v 50. letech minulého století, kdy neurochirurg Walter Painfield implantoval do lidského mozku elektrody, aplikoval na ně stimulační signály, a tak zjistil, která část mozku je zodpovědná za pohyb konkrétní svalové skupiny. Ale tyto experimenty byly považovány za neetické a pokrok výzkumu se zpomalil.
Poté se začaly používat neinvazivní metody záznamu mozkové aktivity – především metodou EEG. Ale přesnost čtení signálů je mnohem nižší. Invazivní metody jsou proto podle vědeckého ředitele HSE Center for Bioelectrical Interfaces, doktora věd M. Lebedeva, stále perspektivnější.
V roce 2016 byl například představen vývoj, který umožňuje vysoce přesné ovládání všech 5 prstů protetické ruky pomocí dlahy se 128 elektrodami implantovanými do odpovídající části mozku.
V roce 2021 Ilan Musk ukázal světu opici s neurálním rozhraním implantovaným do mozku, s jehož pomocí zvíře nadšeně hrálo Tetris, jen se dívalo na monitor a ničeho se nedotýkalo.
Již byla vytvořena rozhraní, která mohou nahradit lidské oči, protože mohou stimulovat nejen sítnici a optický nerv, ale také odpovídající část mozku - zrakovou kůru.
K dosažení téměř přirozené motoriky v protetické končetině je nutné nejen „naučit“ protézu reagovat na příkazy z lidský mozek, ale a dát "zpětnou vazbu" - přenášet vjemy do mozku. Pohyby by tak byly přesnější a rozmanitější. Jednou z možností řešení tohoto problému může být zařízení, které jsme nazvali „hmatový návlek“. Testy tohoto senzorického zařízení, provedené v Edinburghu v roce 2021, přinesly dobrý výsledek: většina účastníků se vypořádala se zachycením předmětů mechanicko-hmatovou protézou úspěšněji, s menší spotřebou energie.
Materiály a metody
Jedním z nejobtížnějších problémů při vytváření bioprotéz je biokompatibilita materiálů. Obvykle tělo vnímá cizí struktury jako nepřítele. Například implantované elektrody rychle začnou fungovat hůře, protože se je imunitní systém snaží izolovat a obalí je jako kapsli. Což samozřejmě narušuje přenos a čtení signálů.
Pokud vezmeme titanové protézy kyčelního kloubu, liší se vlastnostmi od skutečné kosti: jsou elastičtější a odolnější. Proto je zatížení kosti, se kterou jsou v kontaktu, menší. A kost začne být časem křehčí a méně odolná a snáze se rozbije hned vedle titanové protézy. Speciální polymer je svými vlastnostmi bližší kosti, ale je méně odolný a mnohem rychleji se opotřebovává. Zatímco protéza HJ je vyrobena z různých materiálů, snažíme se je kombinovat tak, aby bylo dosaženo co nejlepší kombinace vlastností. Mnohem lepší by ale bylo vytvořit materiál, který by se strukturou a vlastnostmi podobal skutečným kostem, chrupavkám, vazům a svalům.
Na tom se pracuje v laboratořích v mnoha zemích. Jednou z nadějných metod je 3D biotisk. Tkáň nebo orgán lze „vytisknout“ z živých buněk a biologických materiálů. Zvířecí orgány již byly takto úspěšně vytvořeny a transplantovány, k člověku se to zatím nedostalo.
Jiný způsob: z biodegradabilního, tedy polymeru, který se rozpouští ve vnitřním prostředí těla, se vyrobí základ s houbovitou nebo vláknitou strukturou - lešení. Živé buňky pacienta jsou aplikovány na tento základ a umístěny do živného média. Tam se buňky integrují, začnou růst a dělit se a živá tkáň postupně roste a nahrazuje materiál lešení. Tímto způsobem, jak se očekávalo, bude možné narůst chybějící nebo vyžadující náhradní části kostí, kůže a dalších tkání.
Zatímco někteří vědci vyvíjejí způsoby, jak znovu vytvořit ztracenou ruku tak, aby byla ve všech ohledech co nejpodobnější té skutečné, 3D tiskárny úspěšně tisknou obyčejné, nepříliš funkční, ale pohodlné a levné protézy, včetně dětských. Už v roce 2015 informovali američtí vědci o technologii, která umožňuje výrobu a dokonce i dálkové nasazování protéz pro děti s úrazy nebo vrozenou absencí horních končetin. Tento způsob výroby protéz je výrazně levnější, což má velký význam pro mladé pacienty z rozvojových a chudých zemí.
Vyhlídky pro bioprotetiku
< br>
Bioprotetika může pomoci nejen těm, kteří přišli o ruku nebo nohu. Biokompatibilní protetické srdeční chlopně, cévy, vazy mohou zlepšit zdraví mnoha lidí. A bioprotézy odstraněné mléčné žlázy jsou snem mnoha žen, které přišly o tuto důležitou, i když ne životně důležitou část těla. Existuje také vývoj v oblasti bioprotetiky mužského pohlavního orgánu, který ztratil svou funkčnost v důsledku Peyronieho choroby.
Mozek ale podle vědců v dohledné době podléhat protetice nebude. Proto by měl být chráněn obzvláště pečlivě. Informace o tom, jaké příznaky mohou naznačovat onemocnění mozku, naleznete v článku „Příznaky onemocnění mozku“.