XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Трансплантация искуственных конечностей в современном мире и России

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Вагапов И.А. 1

---

1МАОУ Школа №49 ГО г.Уфа

Сабитова А.Н. 1

---

1МАОУ Школа №49 г.Уфа

Работа в формате PDF

859.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Тело человека — сильный, совершенный, но вместе с тем уязвимый механизм. К началу 2019 года доля инвалидов составила 8,1% от общего населения России, или 11,947 млн. человек. Более 200 тысяч нуждаются в протезировании рук или ног.

Каждый раз, когда я вижу человека без руки и ноги, я понимаю, что они не могут полноценно жить и ощущать себя здоровыми. Любая травма накладывает серьезный отпечаток на человека, особенно если идет потеря какого-либо органа.

Функциональность человека и его полноценная жизнь складывается из здоровых и хорошо работающих частей тела, но иногда случаются некие неприятные события, которые оказывают существенное влияние на жизнь. В числе таких событий можно назвать потерю конечности или её травмирование.
С этого момента у пострадавшего начинается новая жизнь и чтобы облегчить её, постаравшись вернуть, насколько это возможно, прежний функционал — предназначено протезирование с использованием механизированных протезов. 

Цель: изучить необходимость трансплантации и протезирования при потере конечностей и является ли это единственным решением.

Гипотеза

Существующие технологии восстановления органов и протезирования, которые активно развиваются в данное время, очень быстро меняются в направление полной схожести со своим потерянным родным органом, как внешне, так и функционально, что возможно, искусственные конечности имеют большие возможности перед здоровыми органами.

Задачи:

Изучить строение мышц и их типы.

Изучить виды трансплантологии и возможности современного протезирования.

Изучить плюсы и минусы данного типа восстановления конечностей..

Сделать выводы по работе.

Метод исследования:

Основной метод исследования данного вопроса – метод изучения информации, накопление и обработка материала по различным литературным и интернет источникам. Также просмотр различных видео материалов и лекций.  Изучался материал из актуальных публикаций, содержащих информацию по современным бионическим протезам и истории их создания, реализации таких устройств в настоящие дни, подробному внутреннему строению высокотехнологичных протезов, а также информацию об успешных применениях таких протезов. Поиск осуществлялся не только среди печатных источников, но также и в сети Интернет.

Глава1. Трансплантология человека, ее виды и возможности.

Трансплантология - раздел медицины, изучающий проблемы трансплантацииорганов (в частности, почек, печени, сердца), а также перспективы создания искусственных органов.

Трансплантология имеет несколько направлений:

ксенотрансплантация — трансплантация органов и/или тканей (в нашем случае – мышц) от животного другого биологического вида;

аллотрансплантация — трансплантация, при которой донором трансплантата является генетически и иммунологически другой человеческий организм;

аутотрансплантация — реципиент трансплантата является его донором для самого себя;

выращивание органов из стволовых клеток или ИПСК;

и скусственные органы, протезрование.

Проблематика трансплантологии

Дефицит донорских органов является одной из основных проблем современной клинической трансплантологии. Стандартная практика получения донорских органов требует установления диагноза смерти мозга, длительной процедурой, требующей привлечения большого числа специалистов, что в ряде случаев приводит к утрате качества донорского органа, как в результате внезапной остановки его сердца, так и за счет прижизненных системных изменений в организме умершего. В организме донора развивается системная воспалительная реакция, сопровождающаяся процессами тромбообразования, а также активацией системы комплемента (иммунных реакций).

В ажным препятствием при трансплантации тканей и органов является их отторжение. Даже если аллотрансплантация прошла успешно, пациенту с пересаженным органом как правило приходится всю оставшуюся жизнь принимать препараты, препятствующие отторжению. 

Рассмотрим подробнее последний пункт из перечисленных направлений – искусственные органы, который получает новое развитие в настоящее время.

Искусственные органы — устройства, предназначенные, чтобы временно или постоянно заменить функции родных органов реципиента. Могут быть как постоянными, так и временными; как внутренними (имплантироваться в тело), так и внешними.

Искусственные органы - мышцы, также известные как мускулоподобные приводы, представляют собой материалы или устройства, которые имитируют естественные мышцы и могут изменять их жесткость, обратимо сокращаться, расширяться или вращаться в пределах одного компонента из-за внешнего стимула (такого как напряжение, ток, давление или температура).

Изготовление и установка искусственных органов, изначально чрезвычайно трудоемкий и дорогостоящий процесс, может потребовать годы постоянного технического обслуживания, которое не требуется природному органу.^[3]

Предотвращение неминуемой смерти в ожидании пересадки (например, искусственное сердце );

улучшить способность пациента к самообслуживанию (например, протез );

улучшение способности пациента к социальному взаимодействию (например, кохлеарный имплантат - медицинский прибор (протез), воздействующий непосредственно на слуховой нерв);

улучшение качества жизни пациента путём косметического восстановления после удаления органов поражённых онкологией или после несчастного случая.

Использование человеком любого искусственного органа почти всегда предшествует обширным экспериментам на животных.  Тестирование на людях часто ограничивается теми, кто неизлечимо болен или тот, кому не помогли другие методы лечения.

Глава 2. Возможности современного протезирования

Р азвитие протезирования имеет длинную историю – от примитивных механизмов до сложных современных конструкций. Истоки ортопедической техники идут из Древнего Египта. Древнеегипетские протезы производились из ткани и дерева, их главным предназначением было вовсе не заменить утраченную конечность, но своим видом создать у человека чувство цельности, полноценного вида в обществе. Это стремление позволило выполнить первый функциональный протез большого пальца ноги еще в период 950–710 гг. до н.э. Данное изобретение было обнаружено в 2001 г. на раскопках в Саккаре. Протез состоял из двух деревянных частей, соединенных кожаной нитью через отверстия, просверленные в древесине. Палец закреплялся с помощью ремешка.

Тем не менее базовой функцией протезов оставалась эстетическая замена, служащая человеку сокрытием уродства или травмы.

Активному развитию протезов способствовала начавшаяся эпоха Ренессанса, когда открылись новые перспективы для искусства и философии и произошел резкий скачок развития в науке и медицине. В это время широкое распространение получило забытое, но ныне широко используемое протезирование зубов, а именно в отличие от более ранних приемов применения человеческих зубов их изготовление, которое осуществлялось преимущественно из таких материалов, как железо, сталь, медь и дерево.

Из этих материалов также изготавливались не только зубы, но и протезы других частей тела.

Искусственные конечности, от деревянных пальцев до механизированных устройств, дали возможность своим хозяевам не только чувствовать себя полноценными в обществе, но и частично позволили вернуть функции утраченного органа. Дальнейший прогресс в протезировании произошел в конце XX и начале XXI вв. Создание новых классов биопротезов напрямую связано с развитием микроэлектроники, медицины, нейрофизиологии, в настоящее время является одной из приоритетных задач модернизации отечественного здравоохранения. На сегодняшний день современный бионический протез представляет собой электронно-механическое устройство, большая часть которого создается из пластика. Основными компонентами конструкции таких протезов являются каркас, механика и система управления.

Технологии протезирования

Существуют 2 основных вида протезов рук и ног:

- косметические;

- функциональные.

Первые предназначены только для красоты. Они выглядят как настоящая конечность, но такой искусственной новой рукой человек не сможет держать вилку, шариковую ручку, способно пользоваться ею.

Функциональные современные протезы можно поделить еще на три подкатегории:

рабочие;

тяговые;

бионические.

Первые предназначены для выполнения конкретных заданий, работ. Такие новейшие протезы рук оснащены специальными крюками, щипковыми захватами, зажимами, другими съемными приспособлениями.

Тяговые протезы работают за счет специальных механизмом – систем тросиков, тяг, гирек, пружин. Управляются за счет сжимания-разжимания мышц. Важно проводить протезирование сразу после ампутации, чтобы культя сохранила чувствительность, мышцы не атрофировались.

Бионическая современная конструкция – протез руки нового поколения, который управляется за счет отправки сигналов от головного мозга по нервным волокнам. Грубо говоря, человек управляет искусственной конечностью силой мысли. На основе таких технологий создаются и искусственные ноги. По актуальным фото и видео таких моделей можно оценить их достоинства.

«Одна из наиболее интересных задач при этом — «научить» мозг приспособиться к новым степеням свободы и контроля, то есть сгибанием локтя, которые мозг ранее не мог осуществить», — объясняет старший научный сотрудник Центра нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ Евгений Благовещенский. — Мы считаем, что предоперационная тренировка поможет человеку быстрее освоить новые нейробиомеханические паттерны движений, функционально связанные с активацией донорской мышцы».

Протезы рук принято классифицировать по уровню ампутации: кисти, запястья, предплечья, вычленение локтевого или плечевого сустава.

А ктивные тяговые протезы рук дают возможность своему хозяину делать сотню разных операций, в том числе писать, захватывать разные предметы, зажигать спичку о коробок.  Принцип их работы прост, поэтому такие протезы устанавливаются уже двухлетним детям. Их главный минус в том, что при слабом развитии локтевого или лучезапястного сустава управлять тяговым протезом довольно трудно, что напрямую влияет, например, на силу хвата. Она может быть слишком слабой. Если у носителя протеза такой проблемы нет, то он быстро учится контролировать свое усилие.

В  бионических руках другая история: не все модели позволяют управлять силой хвата так, чтобы при рукопожатии, например, не сломать собеседнику руку. Принцип работы этих протезов такой: нервные окончания, ответственные за управление рукой или ногой, посылают сигналы, которые ловят электронные датчики протеза. Работает это примерно так: человек думает о том, чтобы пошевелить рукой, двигательная мышца принимает сигнал от мозга, а сигнал от двигательной мышцы уже принимают электроды. Они направляют импульс дальше к нужной части протеза. В итоге конечность шевелится. 

Передовые модели можно настраивать под себя, используя мобильное приложение. На такой «диалог» с хозяином способны, например, руки i-Limb. Они же умеют менять доступные в программе хваты с помощью жестов: хочешь взять трубочку для сока? Сделай нужный жест, и рука включит нужный хват. Но даже самые продвинутые бионические руки не могут восполнить все микродвижения и хваты, на которые способна «живая» рука. 

При выборе протеза ноги учитывается вес, рост, возраст, уровень активности и физических нагрузок пациента, наличие и отсутствие осложнений и патологий. Чтобы научиться управлять искусственной ногой, можно пойти в школу ходьбы на протезе, в России такая есть, например, у компании Ottobock. Подобные занятия помогают достичь уверенности в движениях и привыкнуть к новой походке. Долгое время довольно распространенной проблемой у тех, кто ходил на искусственных ногах, была необходимость делать микродвижение бедром вверх при каждом новом шаге, чтобы не цеплять носком протеза дорогу. Разработчики смогли исправить это и, например, научили ногу вовремя поднимать носок. Сейчас умные протезы даже умеют считывать характер грунта, по которому идет человек, и угол поверхности, чтобы максимально адаптировать все движения. 

Новый протез ноги или руки состоит из следующих конструктивных элементов:

культеприемная гильза;

каркас;

система механического или электронного управления.

При производстве современных протезов новых поколений применяют легкие сплавы металлов высокой прочности, углепластик, полимерные материалы, силикон. Цена такой модели зависит от применяемых технологий.

Б ионические современные протезы – модели самых новых поколений, которые конструируются индивидуально с использованием электронного оборудования. Работают они от специальных аккумуляторов, которые нужно регулярно подзаряжать. Электрические импульсы от искусственной руки или ноги подаются к корешкам нервных окончаний и обратно. Таким способом управлять движениями можно путем подачи мозгового сигнала. Важно научиться правильно пользоваться современным новым протезом, потому что на начальных этапах освоения этого приспособления возможны серьезные проблемы. Пациенты не всегда могут правильно рассчитать силу хвата, ширину шага, скорость ходьбы. Поэтому модель настраивается индивидуально под физиологические особенности каждого пациента при помощи электронной системы управления.

Современные протезы для ног выше колена, как и другие подобные конструкции важно установить в первые 60 дней после ампутации. Этот период называют «золотым окном» для протезирования. Важно учитывать и психологическое состояние пациента. Нередко люди после ампутации впадают в глубокую депрессию. А успешное освоение функций новых конструкций и привыкание к ним напрямую зависит от желания пациента.

Глава 3. Современное отношение к протезированию. Плюсы и минусы

На сегодняшний день разработка искусственных органов и тканей идет в двух разных направлениях: робототехника и биоинженерия. И там, и там открытия стараются использовать для внедрения в смежные области. В связи с этим биоинженерия искусственных органов решает задачи по активации искусственных органов и соединения их с живым организмом.

Подражание человеческим сенсорным и моторным функциям стало одним из ключевых побуждений для биоинженерии, особенно для разработки электронных протезов и нейробиотики. Выполнение человеческих чувствительных функций, а также обработка нервных сигналов, включая двигательные реакции, являются одними из ключевых задач для искусственной сенсомоторной нервной системы. Тем не менее, основное внимание на сегодняшний день было уделено разработке материалов и инструментов, которые имитируют свойства памяти человеческого мозга на базовом уровне.

В наши дни протез — не просто замена какого-то органа, а уникальный девайс, который дополняет тело человека, расширяя его функционал. Например, рука BeBionic умеет вращать кисть на 360 градусов. А технология, которой занимается Токийский университет, позволяет добавлять к телу дополнительные конечности и передавать управление ими другому человеку. 

Протезы позволяют инвалидам быстро социализироваться и чувствовать себя полноценными членами общества. Патрик Кейн, который лишился ноги и руки еще в детстве, рассказывая о своем первом бионическом протезе, вспоминает о том, как вдруг поменялось отношение к нему окружающих: «Прохожие стали смотреть на меня не с жалостью, а с любопытством. Технологии значительно меняют наше восприятие. Сейчас люди с бионическими протезами вызывают ассоциации с супергероями, и общество начинает иначе относиться к инвалидности».

В озможность кастомизировать протез на свой вкус и цвет позволяет выразить свое творческое начало: такими красивыми бывают протезы кистей рук. Встроить в них можно что угодно, например, пульт от квадрокоптера.

Бионические протезы не чувствуют жара или холода, это открывает новые возможности, недоступные обычным людям. Например, самый известный российский киборг Константин Дебликов в своих выступлениях любит подчеркивать, что ему не нужны прихватки: он может взять горячую кастрюлю «голыми» руками без вреда для здоровья.

Впрочем, возможность чувствовать тепло и давление есть в последних моделях: специальные датчики считывают эту информацию и подают ее в качестве сигналов в кожу культи.

В будущем инвалиды забудут, зачем нужно было снимать протез: принять ванну или подзарядиться можно будет без дополнительных сложностей. Одна из задач ученых — сделать протезы не дополнительным гаджетом, требующим особого ухода, а еще одной частью организма человека.

Бионические руки должны стать более чувствительными, пока же обратная связь от них далека от совершенства. Хотя, например, кончики пальцев на руке Bebionic, обработанные специальным покрытием, способны передавать хозяину некоторые тактильные ощущения. 

По словам Павла Л., технического директора «Клайбер Бионикс», самым дорогим протезом руки является многосхватный VincentEvolution от Vincent Systems,  его конечная стоимость достигает 6 млн рублей. Популярная у ампутантов кисть «Микеланджело» производства Ottobock обойдется примерно в 2,5-3 млн рублей.

Средняя стоимость протезов различных модификаций представлена в табице (информация с сайта https:kiborg.pro):

На конечную цену протеза влияет стоимость работ протезно-ортопедического предприятия: консультации, исследование электрической мышечной активности культи, изготовление пробных культеприемных гильз, настройка электродов.

Сейчас технологии таковы, что даже самые современные протезы требуют особого ухода, они изнашиваются, заставляют культю потеть, ломаются, требуют постоянной подзарядки, большинство из них боится воды. В решении этих минусов как раз и кроется будущее технологий протезирования.

80% людей, которым нужно протезирование, не идут в него. Либо не знают, либо не верят, что это доступно, либо не считают нужным для себя. А ведь функциональный протез — это не только бытовой и функциональный комфорт, это ещё и физическое здоровье. Сколиоз и атрофия мышц — лишь часть проблем, которые приобретает человек, отказавшийся от функционального протеза.

Глава 4. Состояние отрасли протезирования на сегодняшний день.

В России существует несколько организаций по созданию бионических протезов: Медицинские центры и компании «Ортопром», «Орто-Космос», MaxBionic, «Моторика», «Сколиолоджик». Их цена продукции существенно ниже иностранных аналогов, но по техническим характеристикам они не уступают другим устройствам, выпускаемым в Европе и США.

В России последние 20 лет растет количество ампутаций, в частности из-за облитерирующих заболеваний (закупорки артерий). Спрос на протезы увеличился: ими пользуются почти полмиллиона человек, ежегодно проводится порядка 70 тыс. операций. С начала вооруженного конфликта в Украине вопрос  протезирования встал более остро: возвращаются первые участники спецоперации. Некоторые зарубежные компании полностью прекратили поставки комплектующих, другие ограничили ввоз, так как часть материалов попала в санкционные списки. 

Основная проблема наших бионических протезов – многие «интеллектуальные» комплектующие производились и поставлялись из-за рубежа. На сегодняшний момент основные пути поставки данных деталей поставляются более длинными логистическими путями, что существенно увеличивает цену бионических протезов.

По словам Тимура Сайфутдинова, некоторые исландские и американские материалы уже недоступны — компании полностью прекратили сотрудничать с Россией. Немецкие и турецкие поставки комплектующих приходят с задержками — сроки увеличились в два раза. Нарушилась логистика — приостановлены многие маршруты авиасообщения. Кризис комплектующих для «полуфабрикатов» совпал с общемировым кризисом компонентов микроэлектроники.

Многие протезные предприятия предупредили своих пользователей, что работают на остатках. Полноценного импортозамещения по данным технологиям в России нет. В России изготавливают тяговые протезы, но многие комплектующие импортные, например, косметическая оболочка.

У бионических протезов срок годности 3 года, по прошествии этого времени медицинская комиссия, которая проходит в России, должна установить, пригоден протез к дальнейшему использованию или его нужно отремонтировать (заменить).

Значит может возникать не регулируемый рынок использованных протезов (рынок б/у).

К сожалению, в России нет централизованного учёта людей которым нужны протезы, что еще более усложняет ситуацию на сегодняшний день.

Заключения:

Используя стволовые клетки можно создать искусственный орган, идентичный натуральному, в данном направлении разработки ведутся, но не настолько быстры по восстановлению функции организма, как позволяет осуществить бионическое протезирование.

Всем людям потерявшим конечности требуется протезирование, которое в нашей стране осуществляется с поддержкой государственных дотаций.

Протезирование – дорогостоящий, но щадящий способ жить полноценно для людей потерявших конечности.

Необходимо ввести централизованный учёт людей, которым нужны протезы.

Необходимо разработать пути обеспечения протезами нуждающихся в них людей за счет бюджетных средств и различных субсидий.

Требуется организовать производство комплектующих для протезов в России, что существенно изменит положение людей с данными травмами.

Литература и интернет источники:

Зверев А.А. Аникина Т.А. Крылова А.В., Зефиров Т.Л. Физиология мышц: учебно-методическое пособие для студ. высш. учебн. заведений / Казань, КФУ, 2016 – 41 с.

Морозов А.М., Кадыков В.А.,  Любский И.В. и др. Биопротезирование. История и современность // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – № 4.

Середа Е.В., Балицкий С.Е., Юнси Г.А. Современные методы восстановления и регенерации тканей скелетных мышц. // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6

Стасевич К. Как вырастить мозг в пробирке // НАУКА И ЖИЗНЬ. – 2015г. - № 6.

Терентьев, А.А. Биохимия мышечной ткани: учебное пособие / А.А. Терентьев. М.: ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России, 2019. — 76 с.

Мышцы человека https://rosuchebnik.ru/material/myshtsy-cheloveka/?utm_source=yandex.ru&utm_medium=organic&utm_campaign=yandex.ru&utm_referrer=yandex.ru

Маликов М.Х., Курбанов У.А. и др. Пересадка комплекса тканей при потере функции мышц верхней конечности - https://cyberleninka.ru/article/n/peresadka-kompleksa-tkaney-pri-potere-funktsii-myshts-verhney-konechnosti/viewer

Кортни М. Таунсенд-младший Трансплантация мышц: Пластическая хирургия - https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.9c2c488b-6371319d-113bfc53-74722d776562/https/www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/muscle-transplantation

Лима, доктор медицинских наук; и др. (2012). "Электрическое, химическое и фотонное приведение в действие на кручение и растяжение мышц из гибридных нитей из углеродных нанотрубок".// Наука. 338 (6109): 928-932. Bibcode:2012Sci...338..928L. doi:10.1126/science.1226762. PMID 23161994. S2CID 206543565.

Мирвакили С.; и др. (2018). "Искусственные мышцы: механизмы, приложения и проблемы". Современные материалы. 30 (6): 1704407. doi:10.1002/adma.201704407. PMID 29250838. S2CID 205283625.

Трансплантология - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F

Цены на протезы - https://kiborg.pro/bionicheskie-protezy/tseny-na-protezy-ruk-i-nog/

«Сделано на коленке» - https://spid.center/ru/articles/4595