Запасные и синтетические части: лучше природных

Нововведения в области бионических протезов поразительны, но в чисто количественном отношении они не идут ни в какое сравнение с тем каталогом искусственных "запчастей", которые могут быть использованы при ремонте поврежденных "деталей" человеческого организма. От сустава большого пальца на ноге до черепной крышки - таков список деталей, которыми можно заменить кости, суставы, мышцы и т. п. Причем в некоторых случаях они функционируют лучше природных.

Бионические суставы и кости

В артропластике - пластической хирургии суставов - бионические заменители нашли широкое применение. Повреждения суставов и костей очень часто возникают в результате переломов, артрита, бурсита и целого ряда других деформирующих заболеваний.

Первые эксперименты с бионическими суставами в начале 50-х годов сводились к следующему: на верхнем конце бедренной кости, обработанном в форме шара, крепилась искусственная головка из нержавеющей стали, которая должна была входить в углубление тазобедренного сустава. Но добиться точного соответствия стального шара и углубления очень трудно, поэтому такие операции не всегда удавались. В тех же случаях, когда в тазовых костях также имелись изменения, этот метод помочь не мог. Зачастую стальная головка отламывалась от бедренной кости в результате износа.

Но в 1954 г. англичанину Джону Чарнли из Райтингтонского госпиталя в Уигане пришла в голову мысль изготовить цельный сустав из тефлона и стали, который позволил бы хирургу заменить всю систему сустава. Чарнли надеялся, что такой сустав придет на помощь не только тем больным, у кого сломана головка бедра, но и тем, у кого разрушена вертлюжная впадина. При полной замене тазобедренного сустава искусственным отпадает проблема точной подгонки: бионический сустав предназначен для замены обеих частей тазобедренного сустава, и его можно будет отлично подогнать перед вживлением в отсутствие больного.

Тазобедренный сустав Чарнли очень точно копировал природную модель, разве что головка, сделанная из нержавеющей стали, и впадина, изготовленная из тефлона, делались меньших размеров во избежание трения. Сустав приклеивался к костям акриловым клеем. Чарнли надеялся, что его детище прослужит не меньше десяти лет - эта цифра объяснялась тем, что больным, нуждающимся в искусственном суставе, обычно около 60 лет, они нуждаются в протезах, которые выдержали бы до конца их жизни, не требуя дополнительной операции. Однако стендовые испытания на прочность показали, что тефлон сможет выдержать от силы два-три года.

В 1962 г. один из техников Чарнли случайно обнаружил, что полиэтилен, из которого делают все на свете - от детских игрушек до корпусов автомобилей, - за три недели изнашивается меньше, чем тефлон за один день. В том же году Чарнли начал заменять тазобедренные суставы искусственными, сделанными из головок нержавеющей стали и полиэтиленовых вертлюжных впадин. С тех пор он осуществил свыше 5000 операций и настолько отшлифовал свою технику, что теперь может сделать в день шесть операций по замене сустава, причем каждая операция занимает около часа.

Бионические запасные части были разработаны и для других суставов. Для суставов рук, пальцев, большого пальца на ноге используется в основном силастик - силиконовый пластик. Для искусственных запястий, коленных чашечек, локтевых суставов, плеч и лодыжек применяются разные материалы: силастик, нержавеющая сталь, кобальт, хром, полиэтилен и другие сплавы и пластики.

Суставы часто трудно воспроизвести, потому что они несут разнообразные нагрузки. Голеностопный сустав, например, состоит из шести косточек, рассчитанных на то, чтобы сустав сгибался и растягивался одновременно в нескольких направлениях, давая нам возможность не только ходить и бегать по ровному месту, но и карабкаться в гору. Кроме того, голеностопный сустав призван уравновешивать положение ступни. Когда вы поднимаетесь по лестнице, он испытывает иные нагрузки, чем во время танцев или ходьбы по песку.

Приступая к изготовлению искусственного голеностопного сустава, Теодор Во, хирург-ортопед из Калифорнийского университета в Ирвайне, решил точно скопировать природную модель. Из сплава хрома и кобальта он сделал Т-образный штырь, который можно вмонтировать в главную из двух костей голени (tibia). Затем прикрепил поверх талуса (самой крупной кости голеностопного сустава) куполообразную пластину из этого же сплава таким образом, чтобы головка "Т" опиралась в перевернутом положении на купол и могла свободно сгибаться и двигаться в точном соответствии с движениями настоящего голеностопного сустава. Жидкость в теле служила естественной смазкой искусственного сустава.

Этот сустав весит всего 140 г, но он крепче природной лодыжки. Из 15 прооперированных Во больных большинство в первые же пять дней уже ходило на костылях, а примерно через месяц - без всякой опоры. Как говорит сам изобретатель, достоинство этой операции в том, что с ней может справиться любой опытный ортопед, и, таким образом, она может принести облегчение тысячам искалеченных людей.

Ученые не только разработали заменители почти всех суставов человека, но работают и над изготовлением искусственных костей. Первые имплантаты, сделанные из прочного и легкого металла титана, по-видимому, скоро уступят место стеклу и другим заменителям костной ткани. Ларри Хенч, директор Отделения биомедицинской инженерии Университета штата Флорида, назвал изготовленные им стеклянные кости "биостеклом" ("биоглас"). В основе этого материала лежит стекло, очень похожее на обычное оконное стекло, но приготовленное из чистого кварцевого песка. К стеклу добавляют окись натрия, кальций и фосфор, которые "обманывают" организм, как будто в него пересадили настоящую кость. А так как эти химические вещества постепенно выводятся из организма, естественная кость постепенно сливается с биостеклом. Как полагают, новый материал будет гораздо лучше титана, ибо он образует "каркас", на котором может расти нормальная кость. Этот каркас, как скелет внутри скелета, окажется заключенным в заново выросшую кость, и таким образом появятся новые тазобедренные суставы, руки, бедра и даже зубы, которые по силе и прочности будут намного превосходить природные.

Бионические сухожилия, связки и мышцы

Связки соединяют кости друг с другом, а сухожилия - длинные тяжи из прочных белковых волокон - соединяют мышцы и кости. И те и другие обладают слабой регенерационной способностью и не всегда заживают после разрыва или сильного растяжения. Когда рвется сухожилие, мышцы, соединенные с ним, могут сократиться и "втянуть" конец сухожилия, так что он теряется среди мышц ноги или руки и его приходится выуживать хирургическим путем.

В прошлом порванные сухожилия сшивали, но никогда нельзя было предвидеть, насколько удачно пройдет такая операция. Позднее была разработана методика, которая заключалась в том, что с сустава снималась связка, затем с ее помощью соединяли мышцы и кость, так что она занимала место сухожилия. Обычно операции по замене сухожилия связкой давали хорошие результаты, но их недостатком оказывалось ослабление сустава, с которого брали связку.

Уильям Харрисон младший, из госпиталя Маймонидеса в Нью-Йорке, сделал своего рода "опору" из дакрона, инертного синтетического материала, который в виде трубки надевается на разорванные концы связки или сухожилия и затем пришивается. При иммобилизации конечности дакроновая опора позволяет нарастать новому сегменту сухожилия или связки. По словам Харрисона, его метод в нескольких случаях дал отличные результаты. В самом деле, бионически укрепленное сухожилие или связка оказываются даже прочнее природных, так как в их ткань вживлен дакроновый каркас.

Проводились также эксперименты с искусственными скелетными мышцами, которые помогают нам удерживать вертикальное положение. Дж. Д. Хелмер, биоинженер из Лаборатории Бэттел Колумбус в штате Огайо, изобрел синтетическую мышцу из силиконовой резины (инертной, очень прочной резины) и дакрона. Эта конструкция напоминает "мышцу" в более ранней пневматически действующей бионической руке. Дакроновая оболочка, сплетенная как китайская головоломка, надевается на резиновую трубку и крепится к сухожилию. Когда сухожилие натягивается и действует на оболочку, последняя сдавливает резиновую трубку; когда оболочка натянута, резина за счет упругости отвечает давлением. Это действие сходно с действием мышцы: противодействие давлению, равное по силе и противоположное по направлению. Хелмер с сотрудниками вживлял такие мышцы овцам, и через четыре недели после операции животные уже ходили почти нормальным шагом.

Бионическое кровообращение: искусственные сердечные клапаны и кровезаменители

Нарушения системы кровообращения, включающей в себя сердце и многие километры артерий, вен и капилляров, по численности до сих пор занимают первое место среди причин смерти в США. Инфаркты, склероз артерий, инсульты, тромбы, закупоривающие сосуды, гипертония - наряду с другими болезнями системы кровообращения, причиной которых являются механические повреждения, стресс или болезни, - сокращают наш потенциальный срок жизни примерно на 20 лет. В этой области проводятся особенно интенсивные исследования, и некоторые достигнутые результаты обнадеживают.

В то время, когда большинство американцев носило орлон на себе - например, в виде свитеров,- один человек начал носить орлон в себе - в виде восстановленных артерий. Это произошло в 1953 г., когда д-р Чарльз Хафнагель из Джорджтаунского университета заменил порванную пулей бедренную артерию американского солдата - главную артерию, снабжающую кровью ногу, - орлоновым каркасом, вставив его в кровеносный сосуд. Позднее он вставил орлоновую трубочку и в изношенную аорту больного. Оба этих кровеносных сосуда подвергаются постоянному сжатию, давлению, скручиванию, и до появления орлона в распоряжении медиков не было материалов, которые делали бы эту операцию возможной.

Но использованный Хафнагелем орлон обладал существенным недостатком - он очень легко терял форму. Имплантат из мягкой орлоновой ткани в сосуде, несущем кровь к легким, может давать изломы, как садовый шланг, что приводит к быстрой и болезненной смерти. В 1955 г. Стерлингу Эдвардсу из Алабамского медицинского колледжа удалось придумать гофрированные синтетические артерии наподобие противогазных трубок. Эти гофрированные артерии, сейчас изготовляемые из дакрона и тефлона, одновременно сохраняют гибкость и не образуют изломов. Кроме того, артерии, выполненные из синтетических материалов, полностью инертны, так что отпадает угроза иммунной реакции.

Вживление синтетических гофрированных артерий из дакрона и тефлона теперь стало признанным методом лечения аневризмы аорты - неравномерного расширения этого крупнейшего кровеносного сосуда в результате ослабления мускулатуры его стенок. Аневризму можно исправить путем замены бионической артерией, причем с очень высокой вероятностью успеха. По свидетельству знаменитого кардиолога Майкла Ди Бейки из Бэйлорского медицинского колледжа в Хьюстоне, лично выполнившего свыше 2000 подобных операций, примерно 80 % его больных, перенесших операцию по поводу аневризмы аорты, по меньшей мере пять лет не знают осложнений.

Другие артерии, поврежденные в результате аневризмы или суженные в результате склеротических процессов, также могут быть заменены искусственными артериями из дакрона или тефлона. Ди Бейки, например, уже вставил более 5200 искусственных артерий. И процент удачных операций при замене бедренной артерии даже выше, чем при замене аорты. В наше время в распоряжении хирургов имеются бионические заменители почти для любой артерии или вены человека.

С появлением новых материалов стала реальностью и замена сердечных клапанов. Эти клапаны открываются и закрываются 100 000 раз в сутки и приходится только удивляться, как долго они выдерживают эту непрерывную пульсацию. Однако из-за ревматических поражений или вследствие возрастных изменений клапаны перестают достаточно плотно смыкаться, и сердце перекачивает кровь, все меньше насыщенную кислородом, что нарушает все остальные функции организма.

Рис. 4. Шариковый сердечный клапан Старра - Эдвардса. Стрелками показано направление тока крови. Кровь, устремляющаяся в противоположном направлении, закрывает клапан

Еще два десятилетия назад корректирующая хирургия сердца казалась фантастикой. В 1883 г. знаменитый американский хирург Биллрот якобы говорил: "Пусть ни один из вас, если он надеется сохранить уважение своих коллег-врачей, не дерзнет оперировать на сердце человека". С тех пор проведены сотни тысяч операций на сердечных клапанах. Достаточно сказать, что только два хьюстонских врача, Дентон Кули и Майкл Ди Бейки, вживили в общей сложности 7500 бионических клапанов.

Первый искусственный сердечный клапан, разработанный Альбертом Старром, хирургом-кардиологом из Медицинской школы Университета штата Орегон в Портленде, и Лоуэллом Эдвардсом, конструктором космических ракет, состоял из трех частей: основания, чашки и шарика (рис. 4). Основание представляло собой небольшую сетку в виде корзинки, выполненную из титана. Эта корзиночка, закругленная с одной стороны и открытая с другой, напоминала по форме шляпу-котелок и была сплетена из трехжильной титановой проволоки. Внутри этого похожего на шляпу основания находился маленький шарик из тефлона. Отверстие корзинки делалось с таким расчетом, чтобы шарик мог свободно двигаться, но не проходил в него полностью. Соприкасаясь с покрытым дакроном краем титановой сеточки, шарик плотно прилегал к нему и функционировал точна так же, как природный клапан.

10 марта 1960 г. группа хирургов из Медицинской школы Гарвардского университета впервые произвела замену сердечного клапана клапаном Старра - Эдвардса. Удалив поврежденный клапан больного, они заменили его новым и закрепили на сердце дакроновыми швами. Работа бионического клапана не отличалась от работы настоящего. Когда сердце наполнялось кровью, клапан закрывал отверстие в основании сеточки. Когда же сердце сокращалось, давление в обратном направлении отбрасывало шарик к закругленному краю, и кровь свободно вытекала.

В наши дни эта операция стала более или менее привычной. Хафнагель разработал клапан другого типа, где вместо шарика используется пластиковый диск.

Одно из самых поразительных и далеко идущих открытий, относящихся к системе кровообращения и всему организму в целом,- это создание синтетической крови, в которой остро нуждается медицина, так как сегодня природную кровь не всегда удается получить по первому требованию. Между тем в тяжелых случаях требуется переливание очень больших количеств крови. Возникают трудности с кровью редких групп, которую невозможно раздобыть в нужных количествах, и, кроме того, всегда имеется вероятность, что какая-нибудь необнаруженная болезнь донора перейдет к больному вместе с кровью. Консервированная кровь хранится не более трех недель, и в больницах нередко приходится выливать кровь, которая потеряла годность.

В 1966 г. д-р Лиленд Кларк младший из Медицинского колледжа Университета штата Цинциннати сообщил о получении им искусственной крови на основе фторуглеродных эмульсий, тех самых которые используются при изготовлении аэрозолей. Фторуглероды химически инертны; в нормальных условиях они не вступают в реакцию с другими химическими веществами, а так как они не содержат белка, то не вызывают иммунной реакции в организме. К тому же они могут служить растворителем для любых веществ, никак не влияя на их свойства. В серии опытов на собаках, кошках и мышах Кларк произвел замену крови животных фторуглеродами и отметил, что искусственная кровь лучше удерживает молекулы кислорода, чем природная. Для того чтобы бионическая кровь более походила на настоящую, в нее можно ввести взятые из настоящей крови или синтезированные частицы (клетки), факторы свертывания крови и специфические белки.

Для больных, страдающих такими болезнями, как апластическая анемия или лейкоз, и нуждающихся в частых и обильных переливаниях крови, фторуглеродная кровь может оказаться незаменимой. По словам Кларка, "можно не опасаться гепатита или других инфекций, так как фторуглеродная кровь стерильна и к тому же не вызывает аллергических реакций". Кроме того, "хранить ее можно бесконечно долго, по крайней мере по сравнению с настоящей кровью, которая со временем теряет способность связывать кислород".

Бионическая эрекция

Инженеры-биомедики применили свою изобретательность и в тех областях, которые не относятся к продолжительности жизни в прямом смысле. Импотенция, например, будучи в большинстве случаев связанной с психосоматическими причинами, может проистекать и из органических дисфункций или повреждений.

Нормальная эрекция происходит, когда пещеристые тела (corpus cavernosum) - полости внутри полового члена - заполняются кровью. Сложная система клапанов в этих пещеристых телах позволяет крови проникнуть в полости, но препятствует ее оттоку. В результате член увеличивается в объеме за счет возрастающего давления крови внутри цилиндрических полостей. После того как эрекция достигнута, клапаны регулируют кровообращение таким образом, что она сохраняется на определенное время. Повреждение клапанов, полостей или уменьшение кровоснабжения этой области приводит к тому, что эрекция не возникает.

Уролог Брентли Скотт из Бэйлорского медицинского колледжа в Хьюстоне в сотрудничестве с неврологом Уильямом Брэдли и инженером-биомедиком Джеральдом Тиммом из клиники Университета штата Миннесота попытались разрешить эту проблему, сконструировав полностью вживляемое бионическое устройство, осуществляющее эрекцию. Это устройство, вживленное уже 46 мужчинам, работает вполне успешно. Как объясняет Брэдли, "это не просто подобие настоящей эрекции - это настоящая эрекцияз увеличение в объеме, расширение... Изумительный результат".

Устройство, сделанное из силиконовой резины( представляет собой два надувных цилиндрика, которые хирургическим путем помещаются внутрь пещеристых тел вдоль полового члена. К цилиндрикам подведен тоненький шланг, соединяющий их с не" большим шарообразным насосом, помещаемым в мошонку. Рядом с насосом находится резервуар со стерильной жидкостью. Эрекция достигается при сжатии насоса, который гонит жидкость из резервуара в цилиндрики внутри полового члена. Бионическая эрекция поддерживается давлением жидкости внутри цилиндров. Внутреннее давление сохраняется при помощи клапана до тех пор, пока не снимается легким повторным сжатием насоса. Устройство позволяет удерживать эрекцию неограниченное время, но при этом сохраняется полная чувствительность и нормальное извержение семени.

Возможно также, что с помощью бионики врачи смогут восстанавливать нормальные функции после вазэктомии. Эрих Брюшке и другие ученые из Института технологических исследований штата Иллинойс в Чикаго сумели использовать силиконовую резину для соединения разъединенных концов семявыводящих протоков и восстановили половую функцию у собак после вазэктомии. Через 26 месяцев после операции у собак происходило нормальное семяизвержение.

Можно было бы назвать еще несколько видов бионических заменителей и синтетических устройств, и этот список растет с каждым годом. Нескольким больным вставлена искусственная трахея из силастика. Шимпанзе произведено вживление межпозвоночных дисков из дакрона и силикона. Проведена успешная пересадка искусственной кожи у морских свинок. Существуют заменители черепных костей, искусственные челюсти и евстахиевы трубы, изготовленные из пластика и латексной резины гортани и даже сфинктер мочеиспускательного канала из силиконовой резины. Но, пожалуй, самым удивительным достижением бионики являются бионические устройства, заменяющие органы человека.