Искусственные органы

Карагандинский  Государственный Медицинский Университет

Кафедра медицинской биофизики и информатики 
 

СРС 
 

Тема: «Искусственные органы» 
 
 
 

Выполнила: Есмагамбетова Айгуль,

                                                                                             146 группа ОМФ

                                                                               Проверила: Балмагамбетова Г.Г. 
 
 

Караганда

2011

Содержание

1. Введение
2. Искусственное легкое
3. Искусственное сердце
4. Искусственная почка
5. «Чудо-очки»

Введение

     Идеи  о замене больных органов здоровыми возникли у человека еще несколько веков назад. Но несовершенные методы хирургии и анестезиологии не позволяли осуществить задуманное. В современном мире трансплантация органов заняла достойное место в лечении терминальных стадий многих заболеваний. Были спасены тысячи человеческих жизней. Но проблемы возникли с другой стороны. Катастрофический дефицит донорских органов, иммунологическая несовместимость и тысячи людей в листах ожидания того или иного органа, которые так и не дождались своей операции.

     Современная медицинская техника позволяет  заменять полностью или частично больные органы человека. Электронный  водитель ритма сердца, усилитель  звука для людей, страдающих глухотой, хрусталик из специальной пластмассы — вот только некоторые примеры  использования техники в медицине. Все большее распространение  получают также биопротезы, приводимые в движение миниатюрными блоками питания, которые реагируют на биотоки в организме человека.

     Ученые  всего мира все чаще задумывались над созданием искусственных  органов, которые могли бы заменить настоящие по своим функциям, и  в этом направлении были достигнуты определенные успехи. Нам известны искусственные почка, легкие, сердце, кожа, кости, суставы, сетчатка, кохлеарные импланты.

     Во  время сложнейших операций, проводимых на сердце, легких или почках, неоценимую помощь медикам оказывают «Аппарат искусственного кровообращения», «Искусственное легкое», «Искусственное сердце», «Искусственная почка», которые принимают на себя функции оперируемых органов, позволяют на время приостановить их работу.

Искусственное легкое

 «Искусственное легкое» представляет собой пульсирующий насос, который подает воздух порциями с частотой 40—50 раз в минуту. Обычный поршень для этого не подходит, в ток воздуха могут попасть частички материала его трущихся частей или уплотнителя. Здесь, и в других подобных устройствах используют мехи из гофрированного металла или пластика — сильфоны. Очищенный и доведенный до требуемой температуры воздух подается непосредственно в бронхи. Искусственная вентиляция легких (ИВЛ) – эффективное средство интенсивной терапии, обеспечивающее газообмен, имеет все необходимые режимы для обеспечения различных вариантов вентиляции легких. Но как самостоятельное лечение малоэффективно, все достоинства этого метода проявляются в комплексной терапии основного заболевания. При длительном применении также возможно развитие различных осложнений.

Искусственное сердце

 «Аппарат искусственного кровообращения» устроен аналогично. Его шланги подключаются к кровеносным сосудам хирургическим путем. Первая попытка замещения функции сердца механическим аналогом была сделана еще в 1812 году. Однако до сих пор среди множества изготовленных аппаратов нет полностью удовлетворяющего врачей.

Отечественные ученые и конструкторы разработали  ряд моделей под общим названием  «Поиск». Это четырехкамерный протез сердца с желудочками мешотчатого  типа, предназначенный для имплантации  в ортотопическую позицию.

В модели различают  левую и правую половины, каждая из которых состоит из искусственного желудочка и искусственного предсердия. Составными элементами искусственного желудочка являются: корпус, рабочая  камера, входной и выходной клапаны. Корпус желудочка изготавливается  из силиконовой резины методом наслоения. Матрица погружается в жидкий полимер, вынимается и высушивается — и так раз за разом, пока на поверхности матрицы не создается  многослойная плоть сердца. Рабочая  камера по форме аналогична корпусу. Ее изготавливали из латексной резины, а потом из силикона. Конструктивной особенностью рабочей камеры является различная толщина стенок, в которых  различают активные и пассивные  участки. Конструкция рассчитана таким  образом, что даже при полном напряжении активных участков противоположные  стенки рабочей поверхности камеры не соприкасаются между собой, чем  устраняется травма форменных элементов  крови.

Российский конструктор Александр  Дробышев, несмотря на все трудности, продолжает создавать новые современные  конструкции «Поиска», которые будут  значительно дешевле зарубежных образцов.

Принципы создания искусственного сердца были разработаны  В. П. Демиховым еще в 1937 г. С течением времени это устройство претерпело колоссальные преобразования в размерах и способах использования. Искусственное сердце – механический прибор, который временно берет на себя функцию кровообращения, в случае если сердце пациента не может полноценно обеспечивать организм достаточным количеством крови. Одна из лучших на сегодня зарубежных систем «Искусственное сердце» «Новакор» стоит 400 тысяч долларов. С ней можно целый год дома ждать операции. В кейсе-чемоданчике «Новакора» находятся два пластмассовых желудочка. На отдельной тележке наружный сервис компьютер управления, монитор контроля, который остается в клинике на глазах у врачей. Дома, с больным блок питания, аккумуляторные батареи, которые сменяются и подзаряжаются от сети. Задача больного — следить за зеленым индикатором ламп, показывающих заряд аккумуляторов. Существенным его недостатком является потребность в постоянной подзарядке от электросети.

Искусственная почка

Один из самых  необходимых искусственных органов  — это почка. В настоящее время  сотни тысяч людей в мире для  того, чтобы жить, должны регулярно  получать лечение гемодиализом. Беспрецедентная  « машинная агрессия», необходимость  соблюдать диету, принимать медикаменты, ограничивать прием жидкости, потеря работоспособности, свободы, комфорта и различные осложнения со стороны  внутренних органов сопровождают эту  терапию.

Аппараты «Искусственная почка» работают уже довольно давно  и успешно применяются медиками. Еще в 1837 году, изучая процессы движения растворов через полупроницаемые  мембраны, Т. Грехен впервые применил и ввел в употребление термин «диализ» (от греческого dialisis — отделение). Но лишь в 1912 году на основе этого метода в США был сконструирован аппарат, с помощью которого его авторы проводили в эксперименте удаление салицилатов из крови животных. В аппарате, названном ими «искусственная почка», в качестве полупроницаемой мембраны были использованы трубочки из коллодия, по которым текла кровь животного, а снаружи они омывались изотоническим раствором хлорида натрия. Впрочем, коллодий, примененный Дж. Абелем, оказался довольно хрупким материалом и в дальнейшем другие авторы для диализа пробовали иные материалы, такие как кишечник птиц, плавательный пузырь рыб, брюшину телят, тростник, бумагу…

Для предотвращения свертывания крови использовали гирудин — полипептид, содержащийся в секрете слюнных желез медицинской  пиявки. Эти два открытия и явились  прототипом всех последующих разработок в области внепочечного очищения.

Каковы бы не были усовершенствования в этой области, принцип пока остается одним и  тем же. В любом варианте «искусственная почка» включает в себя полупроницаемую  мембрану, с одной стороны которой  течет кровь, а с другой стороны  — солевой раствор. Для предотвращения свертывания крови используют антикоагулянты — лекарственные вещества, уменьшающие  свертываемость крови. В этом случае происходит выравнивание концентраций низкомолекулярных соединений ионов, мочевины, креатинина, глюкозы, других веществ с малой молекулярной массой. При увеличении пористости мембраны возникает перемещение веществ с большей молекулярной массой. Если же к этому процессу добавить избыточное гидростатическое давление со стороны крови или отрицательное давление со стороны омывающего раствора, то процесс переноса будет сопровождаться и перемещением воды — конвекционный массообмен. Для переноса воды можно воспользоваться и осмотическим давлением, добавляя в диализат осмотически активные вещества. Чаще всего с этой целью использовали глюкозу, реже фруктозу и другие сахара и еще реже продукты иного химического происхождения. При этом, вводя глюкозу в больших количествах, можно получить действительно выраженный дегидратационный эффект, однако повышение концентрации глюкозы в диализате выше некоторых значений не рекомендуется из-за возможности развития осложнений. Наконец, можно вообще отказаться от омывающего мембрану раствора (диализата) и получить выход через мембрану жидкой части крови вода и вещества с молекулярной массой широкого диапазона.

В 1925 году Дж. Хаас провел первый диализ у человека, а в 1928 году он же использовал гепарин, поскольку длительное применение гирудина было связано с токсическими эффектами, да и само его воздействие на свертывание крови было нестабильным. Впервые же гепарин был применен для диализа в 1926 году в эксперименте X. Нехельсом и Р. Лимом.

Поскольку перечисленные  выше материалы оказывались малопригодными в качестве основы для создания полупроницаемых  мембран, продолжался поиск других материалов. И в 1938 году впервые для  гемодиализа был применен целлофан, который в последующие годы длительное время оставался основным сырьем для производства полупроницаемых  мембран.

Первый же аппарат  «искусственная почка», пригодный для  широкого клинического применения, был  создан в 1943 году В.Колффом и X.Берком. Затем эти аппараты усовершенствовались. При этом развитие технической мысли в этой области вначале касалось в большей степени именно модификации диализаторов и лишь в последние годы стало затрагивать в значительной мере собственно аппараты. В результате появилось два основных типа диализатора. Так называемых катушечных, где использовали трубки из целлофана, и плоскопараллельных, в которых применялись плоские мембраны.

В 1960 году Ф.Киил сконструировал весьма удачный вариант плоскопараллельного диализатора с пластинами из полипропилена, и в течение ряда лет этот тип диализатора и его модификации распространились по всему миру, заняв ведущее место среди всех других видов диализаторов. Затем процесс создания более эффективных гемодиализаторов и упрощения техники гемодиализа развивался в двух основных направлениях. Конструирование самого диализатора, причем доминирующее положение со временем заняли диализаторы однократного применения, и использование в качестве полупроницаемой мембраны новых материалов. Диализатор — сердце «искусственной почки», и поэтому основные усилия химиков и инженеров были всегда направлены на совершенствование именно этого звена в сложной системе аппарата в целом. Однако, техническая мысль не оставляла без внимания и аппарат как таковой.

В 1960-х годах  возникла идея применения так называемых центральных систем, то есть аппаратов  «искусственная почка», в которых  диализат готовили из концентрата —  смеси солей, концентрация которых  в 30—34 раза превышала концентрацию их в крови больного.

Комбинация диализа  «на слив» и техники рециркуляции была использована в ряде аппаратов  «искусственная почка», например американской фирмой «Travenol». В этом случае около 8 литров диализата с большой скоростью циркулировало в отдельной емкости, в которую был помещен диализатор, и в которую каждую минуту добавляли по 250 миллилитров свежего раствора и столько же выбрасывали в канализацию.

На первых порах  для гемодиализа использовали простую  водопроводную воду, потом из-за ее загрязненности, в частности микроорганизмами, пробовали применять дистиллированную воду, но это оказалось очень дорогим  и малопроизводительным делом. Радикально вопрос был решен после создания специальных систем по подготовке водопроводной  воды, куда входят фильтры для ее очистки от механических загрязнений, железа и его окислов, кремния  и других элементов, ионообменные смолы  для устранения жесткости воды и  установки так называемого «обратного»  осмоса.

Много усилий было затрачено на совершенствование  мониторных систем аппаратов «искусственная почка». Так, кроме постоянного слежения за температурой диализата, стали постоянно  наблюдать с помощью специальных  датчиков и за химическим составом диализата, ориентируясь на общую электропроводность диализата, которая меняется при  снижении концентрации солей и повышается при увеличении таковой. После этого  в аппаратах «искусственная почка» стали применять ионо-селективные проточные датчики, которые постоянно следили бы за ионной концентрацией. Компьютер же позволил управлять процессом, вводя из дополнительных емкостей недостающие элементы, или менять их соотношение, используя принцип обратной связи.

Величина ультрафильтрации в ходе диализа зависит не только от качества мембраны, во всех случаях  решающим фактором является трансмембранное  давление. Поэтому в мониторах  стали широко применять датчики  давления: степень разрежения по диализату, величина давления на входе и выходе диализатора. Современная техника, использующая компьютеры, позволяет  программировать процесс ультрафильтрации. Выходя из диализатора, кровь попадает в вену больного через воздушную  ловушку, что позволяет судить на глаз о приблизительной величине кровотока, склонности крови к свертыванию. Для предупреждения воздушной эмболии  эти ловушки снабжают воздуховодами, с помощью которых регулируют в них уровень крови. В настоящее время во многих аппаратах на воздушные ловушки надевают ультразвуковые или фотоэлектрические детекторы, которые автоматически перекрывают венозную магистраль при падении в ловушке уровня крови ниже заданного.

«Чудо-очки»

Недавно ученые создали приборы, помогающие людям, потерявшим зрение — полностью  или частично.

Чудо-очки, например, разработаны в научно-внедренческой производственной фирме «Реабилитация» на основе технологий, использовавшихся ранее лишь в военном деле. Подобно ночному прицелу, прибор действует по принципу инфракрасной локации. Черно-матовые стекла очков на самом деле представляют собой пластины из оргстекла, между которыми заключено миниатюрное локационное устройство. Весь локатор вместе с очковой оправой весит порядка 50 граммов — примерно столько же, сколько и обыкновенные очки. И подбирают их, как и очки для зрячих, строго индивидуально, чтобы было и удобно, и красиво. «Линзы» не только выполняют свои прямые функции, но и прикрывают дефекты глаз. Из двух десятков вариантов каждый может выбрать для себя наиболее подходящий. Пользоваться очками совсем не трудно: надо надеть их и включить питание. Источником энергии для них служит плоский аккумулятор размерами с сигаретную пачку. Здесь же, в блоке, помещается и генератор. Излучаемые им сигналы, натолкнувшись на преграду, возвращаются назад и улавливаются «линзами-приемниками». Принятые импульсы усиливаются, сравниваются с пороговым сигналом, и, если есть преграда, тотчас звучит зуммер — тем громче, чем ближе подошел к ней человек. Дальность действия прибора можно регулировать, используя один из двух диапазонов.

Работы по созданию электронной сетчатки успешно ведутся  американскими специалистами НАСА и Главного центра при университете Джона Гопкинса.

На первых порах  они постарались помочь людям, у  которых еще сохранились кое-какие  остатки зрения. «Для них созданы  телеочки, — пишут в журнале «Юный техник» С. Григорьев и Е. Рогов, — где вместо линз установлены миниатюрные телеэкраны. Столь же миниатюрные видеокамеры, расположенные на оправе, пересылают в изображение все, что попадает в поле зрения обычного человека. Однако для слабовидящего картина еще и дешифруется с помощью встроенного компьютера. Такой прибор особых чудес не создает и слепых зрячими не делает — считают специалисты, но позволит максимально использовать еще оставшиеся у человека зрительные способности, облегчит ориентацию.

Например, если у человека осталась хотя бы часть  сетчатки, компьютер «расщепит» изображение  таким образом, чтобы человек  мог видеть окружающее хотя бы с  помощью сохранившихся периферийных участков.

По оценкам  разработчиков, подобные системы помогут  примерно 2,5 миллионов людей, страдающих дефектами зрения. Ну а как быть с теми, у кого сетчатка практически  полностью утрачена? Для них ученые глазного центра, работающего при  университете Дюка (штат Северная Каролина), осваивают операции по вживлению электронной сетчатки. Под кожу имплантируются специальные электроды, которые, будучи соединены с нервами, передают изображение в мозг. Слепой видит картину, состоящую из отдельных светящихся точек, очень похожую на демонстрационное табло, что устанавливают на стадионах, вокзалах и в аэропортах. Изображение на «табло» опять-таки создают миниатюрные телекамеры, укрепленные на очковой оправе».

И, наконец, последнее  слово науки на сегодняшний день — попытка методами современной  микротехнологии создать новые чувствительные центры на поврежденной сетчатке. Такими операциями занимаются сейчас в Северной Каролине профессор Рост Пропет и его коллеги. Совместно со специалистами НАСА они создали первые образцы субэлектронной сетчатки, которая непосредственно имплантируется в глаз.

«Наши пациенты, конечно, никогда не смогут любоваться полотнами Рембрандта, — комментирует профессор. — Однако различать, где  дверь, а где окно, дорожные знаки  и вывески они все-таки будут.. » 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

     Все эти устройства можно рассматривать  как временную меру, пока пациент  ждет орган для пересадки. Все  они далеки от совершенства и доставляют больному массу неудобств.

Идеальный искусственный  орган должен соответствовать следующим  параметрам:

• его можно имплантировать в организм человека;
• он не имеет сообщения с окружающей средой;
• изготовлен из легкого, прочного, обладающего высокой биологической совместимостью материала; долговечный, выдерживающий большие нагрузки;
• полностью моделирует функции естественного аналога.

   Но  на данном этапе мы должны довольствоваться тем, что имеем, и пытаться усовершенствовать  имеющиеся искусственные органы. Все эти недостатки, острая необходимость  в усовершенствовании дают стимул для  развития физики, нано-технологий

   В начале XXI века возникли предпосылки появления  принципиально новых подходов к  восстановлению функций жизненно важных органов, основанных на технологиях  клеточной и тканевой хирургии.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы

1. Антонов В.Ф.(редактор). Биофизика. Москва, 2000 г, 256 с.
2. Мурашко В.В. Струтынский А.В. «Электрокардиография:учебное пособие», М.: МЕДпрессинформ 2005 г., 320с.
3. Орлов В.Н. «Руководство по электрокардиографии» - М.: «Медицина» 1983г. с.528
4. http://www.tiptoptech.net/organi.html
5. http://transplantation.eurodoctor.ru/artificialorgan/