Двадцать минут и готово? У больниц может появиться возможность печатать органы

Первые протезы, призванные заменить утраченные конечности, появились 3 000 лет назад. С тех пор они становились все более совершенными, но по сути не менялись, оставаясь муляжами частей человеческого тела. И только в новом веке появилась возможность создавать протезы, которые делают почти все то же самое, что и настоящие руки и ноги.

Быстрее, выше, сильнее

В знаменитой поэме Николая Гоголя «Мертвые души» мы можем встретить среди прочего:

«В Англии очень усовершенствована механика, что видно по газетам, как один изобрел деревянные ноги таким образом, что при одном прикосновении к незаметной пружинке уносили эти ноги человека бог знает в какие места, так что после нигде и отыскать его нельзя было».

Разумеется, это всего лишь шутка писателя, однако она была злободневной: в начале XIX века только что закончились Наполеоновские войны, и на улицах любого города — столичного, губернского или уездного — можно было встретить немало инвалидов, которые дорого дали бы за чудо-протез, описанный Гоголем.

Потеря руки или ноги — тяжелая травма для человека, часто ему приходится отказаться от любимой работы или хобби, поменять планы на будущее не в лучшую сторону. Поэтому создание новых протезов, делающих жизнь инвалидов комфортнее, остается востребованным направлением медицинских технологий.

Современные Паралимпийские игры, в которых участвуют инвалиды, стали не менее зрелищными, чем обычные спортивные соревнования. Там есть свои звезды, свои фанаты, а любой триумф — это всегда победа над тяжелым заболеванием.

Например, 26-летний спринтер Йоханнес Флорс, олимпийский чемпион 2020 года, родился с генетическим дефектом малых берцовых костей, и в подростковом возрасте ему ампутировали обе голени. Спортсмен не скрывает, что добиться победы ему помогают современные протезы со специальными углеродными пружинами.

Карбоновая стопа надевается на вакуумный патрубок из углеродного волокна, который оснащен выпускным клапаном и уплотнительной втулкой. Протез крепится с помощью специального «чулка», который не травмирует культю, позволяя спортсмену двигаться в любых направлениях.

Участники Паралимпийских игр говорят, что ощущение протеза как части своего тела, возможность забыть о нем и сосредоточиться на победе, вера в то, что протез не подведет, — важный шаг к нормальной жизни, к ощущению себя полноценным человеком.

Но это лишь первый шаг, ведь сразу несколько компаний занимаются созданием искусственных мышц, которые дополнят протезы. К примеру, ученые из Гарвардского университета работают над проектом мышцы, способной поднимать груз, превышающий их собственный вес в 1 000 раз.

Каждая мышца состоит из складчатого материала, заполненного воздухом или жидкостью. Если давление внутри такой мышцы при помощи электрического насоса повышается — она расправляется, а при снижении — сокращается. В результате получается нечто вроде роботизированного экзоскелета, который мы видели в фильме Джеймса Кэмерона «Чужие-2».

«Хочется уже бежать!»: Костомаров показал себя в полный рост с протезами

Сложнее, гибче, точнее

Далеко не всякий инвалид мечтает о спортивной карьере, но для любого человека важно, чтобы ноги повиновались ему, а руки могли выполнять множество тонких манипуляций: удерживать зубную щетку, ложку, вилку и нож, авторучку или карандаш, набирать текст на клавиатуре.

Современные биоэлектрические протезы, которые предназначены для выполнения бытовых действий, становятся все более и более функциональными. Принцип их работы прост и одновременно фантастичен: на культю крепится гильза, которая в каждом случае изготавливается протезистом индивидуально.

В ней размещаются датчики мышечной активности, взаимодействующие непосредственно с роботизированной рукой. Датчики улавливают биоэлектрические потенциалы мышц, и механическая рука реагирует на них определенными движениями.

Она может схватить предмет точно и нежно, сгибая отдельные фаланги пальцев сильнее или слабее, вращая в суставе кисть, благодаря чему способна застегнуть молнию или завязать шнурки. В отличие от нормальной руки такой протез может еще и подсвечивать предмет мини-фонариками в пальцах.

Разработка подобных протезов ведется не только за границей, но и в России. Холдинг «Технодинамика» обещает в ближайшее время начать серийное производство бионических протезов руки под маркой A.R.M., выполненных полностью из отечественных компонентов. Холдинг «Швабе» уже выпускает высокотехнологичные протезы рук в сотрудничестве с резидентом «Сколково» — компанией «Моторика».

В то же время, согласно статистике, свыше 50 тысяч россиян стоят в очереди на протезирование рук, так что остается только пожелать этому сектору производства дальнейшего роста при стабильном государственном финансировании.

Руки, ноги и не только

Расширяющееся применение 3D-печати дает конструкторам и производителям протезов поистине безграничные возможности. Довольно просто изготовить на таком принтере и зубные протезы. Но можно ли применить его для печати человеческой плоти?

Для этого, разумеется, нужны живые клетки различных тканей — костей, мышц, сосудов, нервов, кожи, внутренних органов. Их получают двумя путями: либо от доноров, либо выращивают из стволовых клеток и культивируют до тех пор, пока их не станет достаточно для «конструирования» нужного органа.

На основе компьютерных моделей, получаемых с помощью магнитно-резонансной томографии органов конкретного пациента, головки принтера размещают ячейки с клетками именно там, где они необходимы, и в течение нескольких часов создают новый орган.

Сложность в том, что любой человеческий орган — не только сердце или головной мозг, но кожа или кости — состоят из целого набора тканей, каждая из которых является не просто скоплением живых клеток, а системой взаимодействий, подчинения и обратных связей, и все они необходимы для нормального функционирования.

Тем не менее проблемы постепенно решаются: еще в 2014 году команда из британского Университета Суонси разработала технологию биопечати, которая позволяет создать протез в виде требуемой кости, который способен регенерировать. В этом же направлении ведут исследования их коллеги из Ноттингемского университета.

Сегодня мы знаем, что для протезирования конечностей очень важно воссоздание суставов, в частности — хрящей, покрывающих составные поверхности. В 2015 году цюрихские ученые разработали технологию, которая позволит больницам печатать полноразмерный имплантат человеческого носа менее чем за 20 минут. Компания готовится делать хрящи под индивидуальный заказ из собственной хрящевой ткани пациента.

Создание искусственной кожи также дает протезированию новые возможности, ведь она сможет реагировать на изменение давления, температуры и влажности. Ее производством и совершенствованием занимается команда ученых из Южной Кореи и США.

Основная идея выглядит так: сетка из кремниевых нанолент, генерирующих небольшие электрические заряды при растяжении или сжатии, помещается в оболочку из гибкого прозрачного силиконового материала. Благодаря разнице электрических импульсов обеспечивается тактильная обратная связь. Кремниевые наноленты также позволяют чувствовать температуру предметов.

Впрочем, искусственная кожа — не только дань эстетике: ее применение будет спасать жизни людей с ожогами большой поверхности тела, поскольку такие пациенты чаще всего погибают от потери жидкостей и проникновения инфекции через поврежденную кожу еще до того момента, когда приживется пересаженная кожа либо регенерирует собственная. Биопринтер, производящий готовую кожу, значительно ускоряет процесс ее воспроизводства.

Помимо кожи, делаются попытки создания биопротезов легких и почек; в апреле 2019 года в Тель-Авивском университете впервые было напечатано целое сердце. Биопротезирование — одно из самых перспективных направлений современной медицины.

Футурологи и фантасты утверждают, что со временем оно позволит собирать целые искусственные тела, которые смогут заменить наши природные. Хорошо это или плохо — другой разговор.

Елена Первушина