Sztuczne organy
Sztuczne kończynyEdit
Sztuczne ręce i nogi, czyli protetyka, mają na celu przywrócenie amputowanym osobom pewnego stopnia normalnej funkcji. Urządzenia mechaniczne, które umożliwiają amputowanym osobom ponowne chodzenie lub dalsze używanie dwóch rąk, były prawdopodobnie w użyciu od czasów starożytnych, z których najbardziej godna uwagi jest prosta noga z kołka. Od tego czasu rozwój sztucznych kończyn postępował bardzo szybko. Nowe tworzywa sztuczne i inne materiały, takie jak włókno węglowe, pozwoliły wzmocnić i zmniejszyć wagę sztucznych kończyn, ograniczając ilość dodatkowej energii potrzebnej do ich obsługi. Dodatkowe materiały pozwoliły sztucznym kończynom wyglądać o wiele bardziej realistycznie. Protezy mogą być z grubsza skategoryzowane jako górne i dolne kończyny i mogą przyjmować wiele kształtów i rozmiarów.
Nowe postępy w dziedzinie sztucznych kończyn obejmują dodatkowe poziomy integracji z ludzkim ciałem. Elektrody mogą być umieszczone w tkance nerwowej, a ciało może być przeszkolone do kontrolowania protezy. Technologia ta została zastosowana zarówno u zwierząt, jak i u ludzi. Proteza może być kontrolowana przez mózg za pomocą bezpośredniego implantu lub implantu do różnych mięśni.
Pęcherz moczowyEdit
Dwie główne metody zastępowania funkcji pęcherza obejmują albo przekierowanie przepływu moczu, albo zastąpienie pęcherza in situ. Standardowe metody zastąpienia pęcherza obejmują modyfikacji pęcherza-jak worek z tkanki jelitowej. Od 2017 r. metody hodowli pęcherzy przy użyciu komórek macierzystych były próbowane w badaniach klinicznych, ale procedura ta nie była częścią medycyny.
BrainEdit
Protezy neuronowe to seria urządzeń, które mogą zastąpić modalność motoryczną, sensoryczną lub poznawczą, która mogła zostać uszkodzona w wyniku urazu lub choroby.
Neurostymulatory, w tym głębokie stymulatory mózgu, wysyłają impulsy elektryczne do mózgu w celu leczenia zaburzeń neurologicznych i ruchowych, w tym choroby Parkinsona, padaczki, depresji opornej na leczenie i innych schorzeń, takich jak nietrzymanie moczu. Zamiast zastępować istniejące sieci neuronowe w celu przywrócenia funkcji, urządzenia te często służą poprzez zakłócanie wyjścia istniejących nieprawidłowo działających ośrodków nerwowych w celu wyeliminowania objawów.
Naukowcy w 2013 r. stworzyli mini mózg, który rozwinął kluczowe składniki neurologiczne do wczesnych etapów dojrzewania płodowego.
Corpora cavernosaEdit
W celu leczenia zaburzeń erekcji, obie corpora cavernosa mogą być nieodwracalnie chirurgicznie zastąpione ręcznie nadmuchiwanymi implantami prącia. Jest to drastyczna operacja terapeutyczna przeznaczona tylko dla mężczyzn, którzy cierpią z powodu całkowitej impotencji, którzy oparli się wszystkim innym metodom leczenia. Wszczepiona pompa w (pachwinie) lub (mosznie) może być manipulowana ręcznie w celu napełnienia tych sztucznych cylindrów, normalnie zwymiarowanych tak, aby były bezpośrednimi substytutami naturalnych ciał jamistych, z wszczepionego zbiornika w celu osiągnięcia erekcji.
EarEdit
W przypadkach, gdy osoba jest głęboko głucha lub ciężko niedosłysząca w obu uszach, implant ślimakowy może być wszczepiony chirurgicznie. Implanty ślimakowe omijają większość peryferyjnego układu słuchowego, aby zapewnić odczuwanie dźwięku poprzez mikrofon i niektóre elementy elektroniczne, które znajdują się na zewnątrz skóry, zazwyczaj za uchem. Zewnętrzne komponenty przekazują sygnał do układu elektrod umieszczonych w ślimaku, które z kolei stymulują nerw ślimakowy.
W przypadku urazu ucha zewnętrznego, konieczna może być proteza czaszkowo-twarzowa.
Thomas Cervantes i jego koledzy, którzy pochodzą z Massachusetts General Hospital, zbudowali sztuczne ucho z chrząstki owczej za pomocą drukarki 3D. Dzięki wielu obliczeniom i modelom udało im się zbudować ucho o kształcie typowym dla człowieka. Modelowane przez chirurga plastycznego, musiało być kilkakrotnie dopasowywane, aby sztuczne ucho mogło mieć krzywe i linie tak jak ludzkie ucho. Naukowcy powiedzieli „Technologia jest obecnie w fazie rozwoju do badań klinicznych, a zatem przeskalowaliśmy i przeprojektowaliśmy wyróżniające się cechy rusztowania, aby dopasować je do wielkości dorosłego ludzkiego ucha i zachować estetyczny wygląd po wszczepieniu.” Ich sztuczne uszy nie zostały ogłoszone jako udane, ale obecnie nadal rozwijają projekt. Każdego roku tysiące dzieci rodziło się z wrodzoną deformacją zwaną mikrotią, w której ucho zewnętrzne nie rozwija się w pełni. To może być duży krok naprzód w medycznym i chirurgicznym leczeniu mikrotonii.
EyeEdit
Najbardziej udane sztuczne oko zastępujące funkcje do tej pory jest w rzeczywistości zewnętrznym miniaturowym aparatem cyfrowym ze zdalnym jednokierunkowym interfejsem elektronicznym wszczepionym na siatkówce, nerwie wzrokowym lub innych powiązanych miejscach wewnątrz mózgu. Obecny stan techniki zapewnia jedynie częściową funkcjonalność, taką jak rozpoznawanie poziomów jasności, odcieni kolorów i/lub podstawowych kształtów geometrycznych, co dowodzi potencjału tej koncepcji.
Różni badacze wykazali, że siatkówka wykonuje strategiczne przetwarzanie obrazu dla mózgu. Problem stworzenia w pełni funkcjonalnego sztucznego elektronicznego oka jest jeszcze bardziej złożony. Postępy w rozwiązywaniu problemu złożoności sztucznego połączenia z siatkówką, nerwem wzrokowym lub powiązanymi obszarami mózgu, w połączeniu z ciągłym postępem w informatyce, mają radykalnie poprawić wydajność tej technologii.
HeartEdit
Sztuczne narządy związane z układem krążenia są wszczepiane w przypadkach, gdy serce, jego zastawki lub inna część układu krążenia jest w zaburzeniach. Sztuczne serce jest zwykle używane jako pomost do przeszczepu serca lub do trwałego zastąpienia serca w przypadku, gdy przeszczep serca jest niemożliwy. Sztuczny rozrusznik serca to kolejne urządzenie sercowo-naczyniowe, które może być wszczepione w celu okresowego wspomagania (tryb defibrylatora), ciągłego wspomagania lub całkowitego pominięcia naturalnego, żywego rozrusznika serca w razie potrzeby. Kolejną alternatywą są urządzenia wspomagające pracę komór, działające jako mechaniczne urządzenia krążenia, które częściowo lub całkowicie zastępują funkcję niewydolnego serca, bez konieczności usuwania samego serca.
Poza tym, prowadzone są również badania nad sercami wyhodowanymi w laboratoriach oraz sercami drukowanymi biologicznie w 3D. Obecnie naukowcy są ograniczeni w swojej zdolności do hodowania i drukowania serc ze względu na trudności w uzyskaniu naczyń krwionośnych i tkanek laboratoryjnych do spójnego funkcjonowania.
NerkaEdit
Doniesiono, że naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco opracowują wszczepialną sztuczną nerkę. Od 2018 roku naukowcy ci poczynili znaczne postępy w technologii, ale wciąż identyfikują metody zapobiegania krzepnięciu krwi związanemu z ich maszyną.
Lista pacjentów, którzy czekają na nerki, jest długa, a nerki są rzadkie w porównaniu z innymi organami. Wielu ludzi nie mogło doczekać się swoich operacji. Naukowcy czują potrzebę opracowania sztucznej nerki, ciężko pracowali, aby stworzyć nerkę, która może funkcjonować idealnie i miejmy nadzieję, że będzie w stanie zastąpić ludzkie nerki. Dzięki stypendystom NIBIB Quantum, rozwój sztucznej nerki posunął się naprzód, obliczyli symulację przepływu krwi, połączyli swoją pracę z rzadką ekspertyzą w dziedzinie sztucznej nerki. „Twórcy tej technologii wiedzą aż za dobrze, że szczególnie frustrujące jest radzenie sobie z zakrzepami krwi, które mogą zarówno zatkać urządzenie, czyniąc je bezużytecznym, jak i spowodować zagrożenia dla innych części ciała, w których przepływ krwi byłby zagrożony” – powiedziała Rosemarie Hunziker, dyrektor programu NIBIBIB w dziedzinie Inżynierii Tkankowej i Medycyny Regeneracyjnej.
Sztuczna nerka pozwoliłaby na filtrowanie krwi w sposób ciągły, co pomogłoby ograniczyć choroby nerek i podnieść jakość życia pacjentów.
WątrobaEdit
HepaLife opracowuje urządzenie do sztucznej wątroby przeznaczone do leczenia niewydolności wątroby z wykorzystaniem komórek macierzystych. Sztuczna wątroba ma służyć jako urządzenie wspomagające, umożliwiające regenerację wątroby w przypadku jej niewydolności lub jako pomost dla funkcji wątroby pacjenta do czasu, gdy dostępny będzie przeszczep. Jest to możliwe tylko dzięki temu, że wykorzystuje prawdziwe komórki wątroby (hepatocyty), a nawet wtedy nie jest to stały substytut.
Badacze z Japonii odkryli, że mieszanina ludzkich komórek prekursorowych wątroby (zróżnicowanych z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych) i dwóch innych typów komórek może spontanicznie tworzyć trójwymiarowe struktury nazwane „pąkami wątroby”.”
PłucaEdit
Przy niektórych prawie w pełni funkcjonalnych, sztuczne płuca zapowiadają się na wielki sukces w najbliższej przyszłości. Firma MC3 z Ann Arbor pracuje obecnie nad tego typu urządzeniem medycznym.
Otlenianie membranowe pozaustrojowe (ECMO) może być stosowane w celu odciążenia tkanki płucnej i serca. W ECMO jeden lub więcej cewników umieszcza się u pacjenta, a pompa jest używana do przepływu krwi przez puste włókna membranowe, które wymieniają tlen i dwutlenek węgla z krwią. Podobnie jak ECMO, pozaustrojowe usuwanie CO2 (ECCO2R) ma podobny układ, ale przynosi pacjentowi korzyści głównie poprzez usuwanie dwutlenku węgla, a nie natlenianie, co ma na celu umożliwienie płucom odprężenie i wyleczenie.
JajnikiEdit
Podwaliny pod rozwój sztucznego jajnika położono na początku lat 90.
Pacjentki w wieku rozrodczym, u których rozwija się rak, często otrzymują chemioterapię lub radioterapię, co uszkadza komórki jajowe i prowadzi do wczesnej menopauzy. Sztuczny ludzki jajnik został opracowany na Uniwersytecie Browna przy użyciu samoskładających się mikrotkanek stworzonych przy użyciu nowatorskiej technologii trójwymiarowych szalek Petriego. W badaniu sfinansowanym i przeprowadzonym przez NIH w 2017 r. naukowcom udało się wydrukować trójwymiarowe jajniki i wszczepić je sterylnym myszom. W przyszłości naukowcy mają nadzieję, że uda się to powtórzyć u większych zwierząt, a także u ludzi. Sztuczny jajnik będzie wykorzystywany w celu dojrzewania in vitro niedojrzałych oocytów oraz opracowania systemu do badania wpływu toksyn środowiskowych na folikulogenezę.
TrzustkaEdit
Sztuczna trzustka jest stosowana w celu zastąpienia funkcji endokrynologicznej zdrowej trzustki u pacjentów z cukrzycą i innych pacjentów, którzy tego wymagają. Może być stosowana w celu poprawy terapii zastępczej insuliną do momentu, gdy kontrola glikemii jest praktycznie normalna, co jest widoczne poprzez unikanie powikłań hiperglikemii, a także może zmniejszyć obciążenie terapią dla osób insulinozależnych. Podejścia obejmują stosowanie pompy insulinowej pod kontrolą pętli zamkniętej, opracowanie bio-sztucznej trzustki składającej się z biokompatybilnego arkusza zamkniętych komórek beta lub zastosowanie terapii genowej.
Czerwone krwinkiEdit
Sztuczne krwinki czerwone (RBC) są już w projektach od około 60 lat, ale zaczęto się nimi interesować, gdy doszło do kryzysu związanego ze skażoną HIV krwią dawców. Sztuczne RBC będą w 100% zależne od nanotechnologii. Udane sztuczne RBC powinny być w stanie całkowicie zastąpić ludzkie RBC, co oznacza, że mogą wykonywać wszystkie funkcje, które ludzkie RBC robi.
Pierwsze sztuczne RBC, wykonane przez Changa i Poznańskiego w 1968 roku, zostało wykonane do transportu tlenu i dwutlenku węgla, również funkcje antyoksydacyjne.
Naukowcy pracują nad nowym rodzajem sztucznych RBC, które są jedną pięćdziesiątą wielkości ludzkiego RBC. Są one wykonane z oczyszczonych białek ludzkiej hemoglobiny, które zostały pokryte syntetycznym polimerem. Dzięki specjalnym materiałom sztuczne RBC mogą wychwytywać tlen, gdy pH krwi jest wysokie, i uwalniać go, gdy pH krwi jest niskie. Powłoka polimerowa sprawia również, że hemoglobina nie wchodzi w reakcję z tlenkiem azotu w krwiobiegu, zapobiegając w ten sposób niebezpiecznemu zwężeniu naczyń krwionośnych. Allan Doctor, MD, stwierdził, że sztuczne RBC mogą być używane przez każdego, z każdą grupą krwi, ponieważ powłoka jest immunologicznie nieczuła.
JądraEdit
Mężczyźni, którzy doznali nieprawidłowości jąder w wyniku wad wrodzonych lub urazów, byli w stanie zastąpić uszkodzone jądro protezą jądra. Chociaż proteza nie przywraca biologicznych funkcji rozrodczych, wykazano, że urządzenie poprawia zdrowie psychiczne tych pacjentów.
GrasicaEdit
Nie istnieje urządzenie do wszczepiania, które pełniłoby funkcję grasicy. Naukowcy zdołali jednak wyhodować grasicę z przeprogramowanych fibroblastów. Wyrazili oni nadzieję, że podejście to mogłoby pewnego dnia zastąpić lub uzupełnić przeszczepianie grasicy noworodkom.
Od 2017 roku naukowcy z UCLA opracowali sztuczną grasicę, która, choć nie nadaje się jeszcze do wszczepienia, jest w stanie wykonywać wszystkie funkcje prawdziwej grasicy.
Sztuczna grasica odgrywałaby ważną rolę w układzie odpornościowym, wykorzystywałaby komórki macierzyste krwi do produkcji większej ilości limfocytów T, co pomogłoby organizmowi zwalczać infekcje, przyznałaby również organizmowi zdolność do eliminowania komórek nowotworowych. Ponieważ kiedy ludzie stają się starzy, ich grasica nie działa dobrze, sztuczna grasica byłaby dobrym wyborem, aby zastąpić starą, niefunkcjonującą dobrze grasicę.
Pomysł wykorzystania komórek T do walki z infekcjami pojawił się już jakiś czas temu, ale do niedawna proponowano pomysł wykorzystania źródła komórek T, sztucznej grasicy. „Wiemy, że kluczem do stworzenia spójnej i bezpiecznej dostawy komórek T zwalczających raka byłoby kontrolowanie procesu w sposób, który dezaktywuje wszystkie receptory komórek T w przeszczepionych komórkach, z wyjątkiem receptorów zwalczających raka” – powiedział dr Gay Crooks z UCLA. Naukowiec stwierdził również, że komórki T produkowane przez sztuczną grasicę przenosiły zróżnicowany zakres receptorów komórek T i działały podobnie do komórek T produkowanych przez normalną grasicę. Ponieważ mogą one działać jak ludzka grasica, sztuczna grasica może dostarczać stałą ilość komórek T do organizmu dla pacjentów, którzy potrzebują leczenia.
TracheaEdit
Dziedzina sztucznych tchawic przeszła przez okres dużego zainteresowania i ekscytacji pracą Paolo Macchiariniego w Instytucie Karolinska i gdzie indziej od 2008 r. do około 2014 r., z relacjami na pierwszych stronach gazet i w telewizji. Obawy zostały podniesione o jego pracy w 2014 roku i do 2016 roku został zwolniony i wysoki poziom zarządzania w Karolinska został zwolniony, w tym ludzi zaangażowanych w Nagrodę Nobla.
As of 2017 engineering a trachea-a hollow tube lined with cells-had proved more challenging then originally thought; challenges include the difficult clinical situation of people who present as clinical candidates, who generally have been through multiple procedures already; creating an implant that can become fully developed and integrate with host while withstanding respiratory forces, as well as the rotational and longitudinal movement the trachea undergoes.
.