Тонкая грань
В этой статье мы поговорим как об объектах, которые встроены в человеческое тело навсегда (скажем, зубные импланты), так и о тех, которые дополняют его временно. Грань между «дополнением тела» и «просто предметом» размыта, потому мы будем использовать такой подход: очки мы все-таки в расчет не берем, а вот контактные линзы, весь день вплотную примыкающие к роговице и практически невидимые извне, — уже вполне подходящий пример «дополнения». Одноразовые гигиенические тампоны — еще нет, а вот менструальная чаша — уже да, поскольку срок ее службы исчисляется годами. Шовный материал — нет, а металлические детали, скрепляющие человеческие кости, — да.
Пример первый: зубные пломбы
Это то, что есть почти у всех. Кариес — проблема крайне распространенная, и стандартный способ его лечения заключается в удалении пораженного участка зуба с последующей заменой искусственным материалом. Пломбы делают как из металлических сплавов с добавлением ртути (амальгамы), так и из множества других материалов: всего известно несколько десятков вариантов на основе иономеров, полимеров и неорганических веществ. А в прошлом, кстати, использовались такие неожиданные материалы, как олово (мягкое, но зато сравнительно легко обновляется), свинец (он ядовит) и даже торий! О радиоактивности в середине XIX века еще не знали, и, возможно, зубной врач просто спутал этот металл с оловом. В последние десятилетия зубные пломбы уже практически не отличить от настоящего зуба, и опасные материалы больше не используют.
Что нас ждет: один из возможных сценариев — зубная пломба из биосовместимых материалов со стволовыми клетками. Такие пломбы можно будет ставить без удаления из зуба нерва, и они будут со временем восстанавливать пораженную пульпу. Кроме того, активно изучается возможность реминерализации зубной эмали — это, возможно, позволит избавляться от (вовремя замеченного) кариеса вовсе без пломб.
Пример второй: контактные линзы
Их, в отличие от пломб, можно снять и установить заново без специальных навыков и инструментов. Но тонкая и почти невидимая линза из кремнийорганического гидрогеля настолько тесно прилегает к роговице, что ее стоит включить в этот обзор. В США, например, линзы носит около десяти процентов населения, и нет оснований полагать, что российские данные радикально отличаются. Современные линзы делают методом литья из кремнийорганических полимеров с высоким, до 80%, содержанием воды; полимер также подвергают специальным модификациям для придания ему гидрофильных свойств.
Что нас ждет: многих ученых и инженеров привлекает идея сделать контактные линзы со встроенным дисплеем. Так, в 2014 году компания Google анонсировала проект по созданию линз с глюкометром для больных диабетом: при выходе уровня глюкозы за безопасные рамки линза будет зажигать предупреждающий индикатор. Если со временем удастся решить проблему создания сверхтонкой, гибкой и биосовместимой электроники, мы можем дождаться и полноценных дисплеев.
Пример третий: менструальные чаши
Менструальная чаша — это изготовленный из кремнийорганического полимера колпачок, надеваемый на шейку матки. Он удерживает менструальные выделения, которые затем можно просто вылить. Такое решение обладает рядом преимуществ в сравнении с традиционными прокладками или тампонами. Менструальные чаши не приводили к зафиксированным случаям токсического шока (в отличие от тампонов), они абсолютно незаметны, не мешают физической активности и вдобавок экологичны, поскольку одного такого изделия хватает на несколько лет, а в процессе использования ничего выкидывать не надо.
Кремнийорганические полимеры (называемые также силиконами) стали идеальной находкой для медиков. Силикон можно стерилизовать хоть в автоклаве, он не вызывает (в отличие от, скажем, натурального латекса) аллергии, а некоторые его разновидности можно еще и растянуть раз этак в десять без опасения порвать изделие на части. Из силикона делают катетеры, пессарии, импланты для пластической хирургии, в том числе протезы молочной железы или яичек, удаленных вместе со злокачественными новообразованиями.
Что нас ждет: уже есть прототип менструальной чаши, которая способна отслеживать объем и характер выделений. Правда, разработчики явно затянули процесс создания и навлекли тем самым гнев тех, кто скидывался на их работу на Kickstarter. Возможно, следующий подход окажется успешнее, а со временем подобные устройства смогут делать и нечто большее. Как и в случае с линзами, нахождение в плотном контакте с телом прямо-таки подталкивает разработчиков к размещению тех или иных биосенсоров для диагностических целей.
Когда все определяется материалом: если почти все остальные примеры содержат сочетание высоких технологий от компактных аккумуляторов и биосовместимых материалов до сложного программного обеспечения, то вот силиконовые чаши стоят особняком. Они просты, основаны всего на одной технологии и недороги. Это то «дополнение к телу», которое способно изменить жизнь людей во всем мире, включая беднейшие регионы с недостатком мало-мальски квалифицированной медпомощи.
Пример четвёртый: кардиостимуляторы
Кардиостимуляторы — это, в отличие от всего вышеперечисленного, серьезная заявка на киборгизацию тела. Они вживляются на длительный срок, внутри них стоит сложная электроника, и они не просто улучшают качество жизни — они в буквальном смысле слова спасают жизни пациентов с нарушениями сердечного ритма.
Несмотря на столь ответственную область применения — или, наоборот, благодаря этому, — кардиостимуляторы появились не в последние несколько десятилетий, а заметно раньше. Первое подобное устройство вживили в 1958 году, и в наше время на миллион жителей Европы приходится от нескольких сотен до тысячи имплантаций кардиостимуляторов в год. Кардиостимуляторы делают во многих странах (включая Россию), существует несколько разных вариантов стимуляции, но общий принцип работы прибора одинаков: как только сердечный ритм претерпевает опасные изменения, стимулятор выдает электрические разряды, способные вернуть работу сердца к норме.
Что нас ждет: с точки зрения кардиологов работы еще много. Врачи хотели бы получить и более эффективные с точки зрения предотвращения нарушений сердечного ритма устройства, и источники питания, которые не требуют замены. Еще хорошо бы избавиться от электродов, а также иметь возможность передавать данные о работе сердца прямиком лечащему врачу — попутно, правда, не забыв о безопасности, ведь взлом кардиостимулятора поопаснее будет, чем какая-нибудь хакнутая «умная» лампочка.
Пример пятый: кости, суставы и молоток в операционной
Искусственные материалы применяются и для по-настоящему масштабных вмешательств, включая, например, замену всего тазобедренного сустава или установку штифта, проходящего через всю бедренную кость. Многообразие таких «дополнений» к человеческому скелету можно разделить на приспособления для остеосинтеза (восстановления костей после переломов) и протезы, призванные заменить что-либо на неограниченный срок.
Материалы, используемые для протезирования, тоже разнообразны. Кроме широко известного титана (легкого, химически инертного и прочного) это, к примеру, акриловые полимеры — из них делают не только прозрачное оргстекло, но и пластины для краниопластики, коррекции дефектов черепа. Другой материал, гидроксиапатит, является основным компонентом природной зубной эмали и костной ткани, поэтому гидроксиапатитовые имплантаты со временем становятся частью кости или даже замещаются ею при небольших размерах поврежденного участка.
Протезы суставов сочетают металл (нержавеющая сталь и титан) с пластиком или керамикой для создания скользящей поверхности; в протезах межпозвонковых дисков используются металл и углерод. Современные протезы могут служить до четверти века, даже если речь идет о нагруженном тазобедренном или голеностопном суставах.
Что нас ждет: с одной стороны, врачи постоянно ищут более удачные материалы — прочнее, с меньшим риском отторжения, дешевле и технологичнее в производстве. С другой стороны, в последние годы стали применять трехмерную печать из металла: она позволяет вместо нескольких стандартных изделий изготовить искусственный сустав под конкретный случай. Из сравнительно новых достижений можно отметить эндопротезы локтевого сустава, который устроен сложнее тазобедренного и по этой причине заменялся (и сейчас заменяется) реже при столь же частой необходимости.
Пример шестой: взамен утраченного
Традиционные протезы, крепящиеся вместо утраченных частей тела, сложно назвать устройствами, которые в это тело внедряются, но не упомянуть их вовсе было бы неправильно. Протезы нового поколения снабжаются электромеханическими приводами вкупе с системой, позволяющей двигать ими «силой мысли». Последнее предполагает либо использование датчиков для регистрации активности уцелевших мышц, либо считывание электрической активности мозга — вплоть до вживляемых в область моторной коры электродов.
Создание полноценного интерфейса «мозг-компьютер» пока что дело будущего, но первые прототипы протезов, способных в ответ на нервный импульс в коре мозга взять предмет со стола, уже существуют. А разработка систем, призванных восполнять утраченные органы чувств, идет более успешно: кохлеарные импланты уже используются в широкой практике, их число в мире перевалило за сотни тысяч. Они используют микрофон для регистрации звука, преобразуют звук в серию электрических сигналов и передают эти стимулы на улитку, откуда уже идет информация к мозгу. Кохлеарные импланты ставят даже грудным детям, которые бы иначе выросли без возможности что-либо слышать; это достаточно отработанная и эффективная операция.
С созданием искусственного глаза дела обстоят хуже: преобразовать видео в реальном времени в серию сигналов для зрительного нерва или тем более коры головного мозга куда сложнее. Дошедшие до применения в клинической практики протезы сетчатки Argus II в самом лучшем случае позволяют с трудом различать крупно написанные буквы, но по сравнению с абсолютной слепотой, вызванной атрофией сетчатки, это уже неплохо.
Что нас ждет: ученые медленно, но верно движутся в сторону протезов с подключением к нервной системе. Это приведет к радикальному повышению качества жизни людей, нуждающихся в протезировании конечностей или с серьезными нарушениями зрения/слуха, однако эти изменения вряд ли произойдут одномоментно. Кроме того, сложная электроника в сочетании с точной механикой, продвинутыми материалами и квалифицированной работой хирургов вряд ли будет стоить дешево; сегодня бионические протезы руки стоят от полумиллиона рублей в самых простых вариантах. В ближайшей перспективе мы имеем такие цели, как создание водонепроницаемых устройств, увеличение емкости аккумуляторов и скорости реакции, — если говорить про биомеханические устройства.
Пример седьмой: имплантанты и контрацепция
Еще одна технология, которая стала коммерчески доступной всем желающим, — это гормональные противозачаточные имплантаты. Небольшая, несколько сантиметров в длину, трубка вводится под кожу предплечья; содержащийся в ней прогестерон выделяется в малых, но достаточных для контрацептивного эффекта дозах на протяжении трех лет. Этот метод имеет ряд противопоказаний, требует небольшой операции под местной анестезией, но зато отличается высокой надежностью и не требует дополнительных действий со стороны женщины.
Другой пример вживляемых на несколько лет контрацептивов — внутриматочные устройства, также известные как «спирали». Они либо подавляют активность сперматозоидов за счет меди, либо также содержат медленно высвобождающийся запас гормонов. Кроме того, существуют и инертные внутриматочные устройства, которые работают за счет инициации локальной реакции организма на чужеродное тело. Такие «спирали» не разрешены в ряде стран (Канада, США и Великобритания), и с точки зрения Всемирной организации здравоохранения лучшим вариантом внутриматочных устройств являются медные и гормональные.
Что нас ждет: одна из интересных технологий — это микрочипы с контролируемым высвобождением лекарств. Они могут помочь не только в гормональной контрацепции, но и в лечении любого хронического заболевания, при котором требуется постоянно принимать те или иные препараты. Чип может высвобождать активное вещество либо по заданной программе, либо по команде извне, либо вовсе в ответ на изменение жизненных показателей.
В заключение
Как вы можете видеть, некоторые инородные части человеческого тела уже если не доведены до совершенства, то по крайней мере перестали быть чем-то особенным. Более того, практика дополнения тела вышла за рамки «большой» медицины: наряду с кардиостимуляторами и протезами суставов появилось то, что можно поставить или снять своими силами в домашних условиях. Вероятно, далее нас ждет и переход к не медицинским дополняющим устройствам — дисплеям на контактных линзах, например.
А еще технологии, которые потребуются для создания бионических протезов, смогут найти применение в создании экзоскелетов: про эти устройства «Чердак» писал отдельный материал. Они и здоровым людям вполне могут пригодиться — скажем, при перемещении тяжестей или при необходимости пройти большое расстояние с грузом.
