Бионика и медицина. Определения со слайда номер 2
 Скачать 27.57 Kb.
|
|
В наши дни наука открывает перед человечеством новые неизведанные горизонты, позволяющие шагнуть далеко и достичь многих важных побед. И одна из таких наук - это бионика в медицине, с её открытием у учёных появилось много вопросов и противоречивых проблем, ответы на которые до сих пор не найдены. Но перед тем как перейти к описанию, стоит понять, что же такое бионика и какие возможности она открывает в медицине. Определения со слайда номер 2. Как вывод: прикладная бионика — наука, которая объединяет биологию и технику. Применение бионики в медицине позволит спасти жизнь многим пациентам или просто улучшить её качество. Постоянно ведутся работы по созданию искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека. Сама бионика, как наука, появилась относительно недавно, впервые о ней мир услышал тринадцатого сентября тысяча девятьсот шестидесятого года, на популярном американском симпозиуме на тему «Живые прототипы искусственных систем». Именно на этом симпозиуме учёные выступили с накопленными за долгие годы знаниями. Часть из этих знаний позволяла ещё лучше узнать о принципах организации и самом функционировании живых систем, к тому же эти знания позволяли решать актуальные проблемы. Несмотря на то, что прошло уже порядочно лет, многие учёные так и не пришли к единому выводу, чем же считать бионику в медицине, одни её считают перспективной ветвью в развитии человечества, а другие напротив, относятся крайне скептически, но есть и такие которые считаю бионику в медицине перспективной и развивающейся наукой. Если посмотреть на бионику в медицине, то можно смело утверждать, что эта наука, которая занимается изучением принципов построения, а также функционирования не только сложных биологических систем, но и их элементов. Занимаясь подробным изучением бионики в медицине, учёные могут добиться потрясающих результатов, а также усовершенствовать текущие наработки, всё это позволит разработать методы помогающие людям избавиться от сложных проблем и излечить серьёзные болезни. Вообще сама наука бионика и медицина плотно связаны друг с другом, ведь если посмотреть, то бионика не может обойтись без биологии, химии, инженерных наук и кибернетики, все это связывает бионику в медицине прочной цепью. Ещё древние мудрецы предложили использовать знания о живой природе во благо человечества. Слайд №3. Бионика в медицине охватывает множество очень важных направлений, над которыми работают учёные, к тому же эта наука изучает следующие проблемы: Бионика в медицине ставит перед учёными важные задачи по изучению нервной системы человека и животных, а также моделирования нервных клеток и нейронных сетей для создания более совершенных вычислительных систем. Также бионика в медицине занимается изучением органов чувств и многих систем восприятия окружающего мира живыми организмами. Важной задачей бионики в медицине по-прежнему является изучение принципов ориентации, навигации и локации у различных видов животных. И последнее, но не менее важно исследование бионики в медицине, является тщательное изучение физиологических, биохимических, а также морфологических особенностей живых организмов. Слайд №4 и 5. Рассмотрим применение методов и решений бионики в медицине — той отрасли биологических наук, с которой каждый человек не раз сталкивается за свою жизнь. Многие из «изобретений» природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические операции, арабские врачи уже много сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения, а затем и для коррекции зрения. Интересный факт в науке о том, когда в одном из своих странствий Джеральд Дарелл был вынужден согласиться на пари, смыслом которого было назвать четыре выдающихся изобретения и доказать, что заложенный в них принцип использовали животные до того, как до этого додумался человек, одним из изобретений было названо использование осами анестезии. При «заготовлении» дорожными осами корма для будущих личинок они применяют методы, которые любой врач может назвать методами проводниковой анестезии — укус с впрыскиванием нейроплегического (нервнопаралитического) вещества в область крупных нервных стволов полностью парализует, но не умерщвляет паука, который недвижимо лежит в осином гнезде вплоть до появления из кладки личинок, для которых и заготавливалась эта пища. Это еще одно доказательство бионики в действии. Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира. Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью выполнения общего анализа крови, неоднократно назначаемого каждому из нас врачами всех профилей), сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается безболезненностью, а с другой — всегда сопровождается достаточно сильным кровотечением. Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых — комара и блохи, с укусом которых гарантированно знаком каждый человек. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы — формы реберных костей крупных рыб, а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой. Все, что было в природе, со временем внедрялось в жизнедеятельность человека. Но это лишь самые простые примеры, дошедшие до нас буквально из глубины веков, а современное развитие бионики касается множества высокоразвитых медицинских технологий. Типичным примером является современная технология реконструкции и наращивания зубной эмали, являющаяся одним из «китов» нынешней стоматологии и применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос. Основой для этих технологий является принцип построения морских губок, а также техника строения гнезд стрижей-саланганов. Оба эти строительных принципа основаны на химиоотвердевающей и светоотвердевающей методиках. Слайд №6. В медицине благодаря бионике совершились множественные полезные открытия, среди которых можно назвать и использование биотоков. Правда, их открыл ещё раньше итальянский физиолог Гальвани, но в те времена использование биотоков не позволяло добиться нужного результата. Но только не в наше время, сегодня использование биотоков в медицинской бионике позволило сделать существенный прорыв в виде искусственной руки, которая работает с помощью импульсов. Первый искусственный протез появился в тысяча девятьсот пятьдесят седьмом году, но его возможности были крайне малы, такая рука могла только сжимать и разжимать пальцы, а также совершать чередование этих команд. Эти опыты проводились до тысяча девятьсот шестидесятого года, после этого бионика в медицине вновь совершила стремительный рывок, предоставив общественности новый вид искусственной руки, она уже могла не только сжимать пальцы, но и более сносно писать с помощью ручки. Первым посчастливилось испытать бионический протез (современный) датчанину Деннису Аабо. Он потерял половину руки, но сейчас имеет возможность воспринимать предметы на ощупь с помощью изобретения медиков. Его протез подключён к нервным окончаниям пострадавшей конечности. Сенсоры искусственных пальцев способны собирать информацию о прикосновении к предметам и передавать её в мозг. Конструкция на данный момент ещё не доработана, она очень громоздкая, что затрудняет её использование в быту, но уже сейчас можно назвать такую технологию настоящим открытием. В России разработкой миоэлектрических протезов занимается компания «Моторика», которая в апреле 2016 года уже получила декларацию соответствия на активный тяговый протез кисти. 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… Слайд №7. Передовые бионические конечности, разрабатываемые в настоящее время, позволяют человеку управлять движениями с помощью своих мыслей. Технически это называется «целевая мышечная реиннервация». 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. Слайд №8. 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. 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. Слайд №9. 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. 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. Слайд №10. 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. Слайд №11. 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. Слайд №12. 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. Последний слайд Будущее бионики 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. 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. 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. 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. 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 |