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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Künstliche menschliche Organe. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Moderne Medizintechnik ermöglicht es Ihnen, erkrankte menschliche Organe ganz oder teilweise zu ersetzen. Ein elektronischer Herzschrittmacher, ein Schallverstärker für Gehörlose, eine Linse aus Spezialkunststoff – das sind nur einige Beispiele für den Einsatz von Technik in der Medizin. Auch Bioprothesen, die von Miniaturstromversorgungen angetrieben werden, die auf Bioströme im menschlichen Körper ansprechen, finden immer mehr Verbreitung.
Bei den komplexesten Operationen an Herz, Lunge oder Niere leisten die „Künstlichen Kreislaufapparate“, „Künstliche Lunge“, „Künstliches Herz“, „Künstliche Niere“, die die Funktionen des „Künstlichen Kreislaufapparates“, „Künstliche Niere“ übernehmen, eine unschätzbare Unterstützung für den Arzt operierte Organe, lassen Sie ihre Arbeit für eine Weile aussetzen. "Künstliche Lunge" ist eine pulsierende Pumpe, die Luft portionsweise mit einer Frequenz von 40-50 Mal pro Minute fördert. Ein gewöhnlicher Kolben ist dafür nicht geeignet: Partikel des Materials seiner Gleitteile oder einer Dichtung können in den Luftstrom gelangen. Hier und in anderen ähnlichen Geräten werden Wellblech- oder Kunststoffbälge verwendet - Faltenbälge. Gereinigt und auf die gewünschte Temperatur gebracht, wird die Luft direkt den Bronchien zugeführt. Ähnlich verhält es sich mit der „Herz-Lungen-Maschine“. Seine Schläuche werden chirurgisch mit den Blutgefäßen verbunden. Der erste Versuch, die Funktion des Herzens durch ein mechanisches Analogon zu ersetzen, wurde bereits 1812 unternommen. Unter den vielen hergestellten Geräten gibt es jedoch bisher keine vollständig zufriedenstellenden Ärzte. Einheimische Wissenschaftler und Designer haben eine Reihe von Modellen unter dem allgemeinen Namen "Search" entwickelt. Dies ist eine Vierkammer-Ventrikelprothese vom Sacktyp, die für die Implantation in einer orthotopen Position ausgelegt ist. Das Modell unterscheidet zwischen linker und rechter Hälfte, die jeweils aus einem künstlichen Ventrikel und einem künstlichen Atrium bestehen. Die konstituierenden Elemente des künstlichen Ventrikels sind: Körper, Arbeitskammer, Einlass- und Auslassventile. Das Ventrikelgehäuse wird durch Schichtung aus Silikonkautschuk hergestellt. Die Matrix wird in ein flüssiges Polymer getaucht, entfernt und getrocknet – und so weiter, immer wieder, bis auf der Oberfläche der Matrix ein mehrschichtiges Herzfleisch entsteht. Die Arbeitskammer hat eine ähnliche Form wie der Körper. Es wurde aus Latexkautschuk und dann aus Silikon hergestellt. Konstruktionsmerkmal der Arbeitskammer ist eine unterschiedliche Wandstärke, bei der aktive und passive Abschnitte unterschieden werden. Das Design ist so ausgelegt, dass sich auch bei voller Spannung der aktiven Abschnitte die gegenüberliegenden Wände der Arbeitsfläche der Kammer nicht berühren, wodurch eine Verletzung von Blutzellen ausgeschlossen wird. Der russische Designer Alexander Drobyshev kreiert trotz aller Schwierigkeiten weiterhin neue moderne Poisk-Designs, die viel billiger sein werden als ausländische Modelle. Eines der besten ausländischen Systeme für heute "Artificial Heart" "Novakor" kostet 400 Dollar. Bei ihr können Sie ein ganzes Jahr zu Hause auf eine Operation warten. Im „Novakor“-Koffer befinden sich zwei Kunststoffkammern. Auf einem separaten Wagen befindet sich ein externer Service: ein Kontrollcomputer, ein Kontrollmonitor, der in der Klinik vor den Ärzten verbleibt. Zu Hause beim Patienten - Stromversorgung, Akkus, die ausgetauscht und über das Stromnetz aufgeladen werden. Die Aufgabe des Patienten besteht darin, der grünen Anzeige der Lampen zu folgen, die den Ladezustand der Batterien anzeigen. Geräte "Künstliche Niere" arbeiten seit geraumer Zeit und werden von Ärzten erfolgreich eingesetzt. Bereits 1837 verwendete und verwendete T. Grechen bei der Untersuchung der Bewegungsvorgänge von Lösungen durch semipermeable Membranen als erster den Begriff "Dialyse" (von griech. dialisis - Trennung). Aber erst 1912 wurde auf der Grundlage dieser Methode in den Vereinigten Staaten eine Apparatur gebaut, mit deren Hilfe ihre Autoren in einem Versuch die Entfernung von Salicylaten aus dem Blut von Tieren durchführten. In dem Gerät, das sie "künstliche Niere" nannten, wurden Kollodiumröhrchen als halbdurchlässige Membran verwendet, durch die das Blut des Tieres floss, und außen mit einer isotonischen Kochsalzlösung gewaschen. Das von J. Abel verwendete Kollodium erwies sich jedoch als ziemlich zerbrechliches Material, und später versuchten andere Autoren andere Materialien für die Dialyse, wie den Darm von Vögeln, die Schwimmblase von Fischen, das Bauchfell von Kälbern, Schilf und Papier . Um die Blutgerinnung zu verhindern, wurde Hirudin, ein Polypeptid, das im Sekret der Speicheldrüsen eines medizinischen Blutegels enthalten ist, verwendet. Diese beiden Entdeckungen waren der Prototyp für alle nachfolgenden Entwicklungen auf dem Gebiet der extrarenalen Reinigung. Unabhängig von den Verbesserungen in diesem Bereich bleibt das Prinzip dasselbe. In jedem Fall enthält die "künstliche Niere" die folgenden Elemente: eine halbdurchlässige Membran, auf deren einer Seite Blut fließt, und auf der anderen Seite - eine Kochsalzlösung. Um die Blutgerinnung zu verhindern, werden Antikoagulanzien verwendet - Arzneimittel, die die Blutgerinnung reduzieren. Dabei werden die Konzentrationen niedermolekularer Verbindungen von Ionen, Harnstoff, Kreatinin, Glucose und anderen Substanzen mit kleinem Molekulargewicht angeglichen. Mit zunehmender Porosität der Membran erfolgt die Bewegung von Substanzen mit höherem Molekulargewicht. Wenn wir diesem Prozess einen hydrostatischen Überdruck von der Seite des Blutes oder einen Unterdruck von der Seite der Waschlösung hinzufügen, wird der Übertragungsprozess von der Bewegung des Wassers begleitet - Konvektionsstoffübertragung. Der osmotische Druck kann auch zur Übertragung von Wasser genutzt werden, indem dem Dialysat osmotisch aktive Substanzen zugesetzt werden. Am häufigsten wurde dafür Glukose verwendet, seltener Fruktose und andere Zucker, noch seltener Produkte anderer chemischer Herkunft. Gleichzeitig kann man durch die Einführung von Glukose in großen Mengen einen wirklich ausgeprägten Dehydratisierungseffekt erzielen, es wird jedoch aufgrund der Möglichkeit von Komplikationen nicht empfohlen, die Konzentration von Glukose im Dialysat über bestimmte Werte zu erhöhen. Schließlich ist es möglich, die Membranspüllösung (Dialysat) vollständig aufzugeben und einen Austritt durch die Membran des flüssigen Teils des Blutes zu erhalten: Wasser und Substanzen mit einem Molekulargewicht in einem weiten Bereich. 1925 führte J. Haas die erste menschliche Dialyse durch, und 1928 verwendete er auch Heparin, da die Langzeitanwendung von Hirudin mit toxischen Wirkungen verbunden war und seine Wirkung auf die Blutgerinnung selbst instabil war. Heparin wurde erstmals 1926 in einem Versuch von H. Nehels und R. Lim zur Dialyse eingesetzt. Da sich die oben aufgeführten Materialien als Basis für die Herstellung semipermeabler Membranen als wenig brauchbar herausstellten, wurde weiter nach anderen Materialien gesucht und 1938 erstmals Zellophan für die Hämodialyse verwendet, das in den Folgejahren der Hauptrohstoff blieb die Herstellung von semipermeablen Membranen seit langem. Das allererste "künstliche Nieren"-Gerät, das für eine breite klinische Anwendung geeignet war, wurde 1943 von W. Kolff und H. Burke entwickelt. Dann wurden diese Geräte verbessert. Gleichzeitig betraf die Entwicklung des technischen Denkens auf diesem Gebiet zunächst in größerem Umfang die Modifizierung von Dialysatoren und betraf erst in den letzten Jahren in großem Umfang die Geräte selbst. Als Ergebnis entstanden zwei Haupttypen von Dialysatoren, der sogenannte Coil-Dialysator, bei dem Cellophanschläuche verwendet wurden, und der Planparallel-Dialysator, bei dem Flachmembranen verwendet wurden. 1960 entwarf F. Keel eine sehr erfolgreiche Version eines planparallelen Dialysators mit Polypropylenplatten, und im Laufe einiger Jahre verbreitete sich dieser Dialysatortyp und seine Modifikationen weltweit und nahm unter allen anderen Typen eine führende Stellung ein von Dialysatoren. Dann entwickelte sich der Prozess der Schaffung effizienterer Hämodialysatoren und der Vereinfachung der Hämodialysetechnik in zwei Hauptrichtungen: das Design des Dialysators selbst, wobei Einwegdialysatoren im Laufe der Zeit eine dominierende Position einnahmen, und die Verwendung neuer Materialien als semipermeable Membran . Der Dialysator ist das Herzstück der „künstlichen Niere“, und deshalb galten die Hauptanstrengungen von Chemikern und Ingenieuren seit jeher der Verbesserung dieses besonderen Gliedes im komplexen System des Apparates. Das technische Denken vernachlässigte jedoch den Apparat als solchen nicht. In den 1960er Jahren entstand die Idee, die sogenannten zentralen Systeme zu verwenden, dh "künstliche Nieren" -Geräte, bei denen Dialysat aus einem Konzentrat hergestellt wurde - einer Mischung von Salzen, deren Konzentration 30-34-mal höher war als ihre Konzentration im Blut des Patienten. Eine Kombination aus "Drain"-Dialyse und Rezirkulationstechnik wurde in einer Reihe von "künstlichen Nieren"-Maschinen verwendet, beispielsweise von der amerikanischen Firma Travenol. In diesem Fall zirkulierten etwa 8 Liter Dialysat mit hoher Geschwindigkeit in einem separaten Behälter, in dem der Dialysator platziert war und in den jede Minute 250 Milliliter frische Lösung hinzugefügt und die gleiche Menge in die Kanalisation geworfen wurde. Zunächst wurde für die Hämodialyse einfaches Leitungswasser verwendet, dann versuchte man wegen seiner Kontamination, insbesondere mit Mikroorganismen, destilliertes Wasser zu verwenden, was sich jedoch als sehr teuer und ineffizient herausstellte. Das Problem wurde radikal gelöst, nachdem spezielle Systeme zur Aufbereitung von Leitungswasser geschaffen wurden, zu denen Filter zur Reinigung von mechanischen Verunreinigungen, Eisen und seinen Oxiden, Silizium und anderen Elementen, Ionenaustauscherharze zur Beseitigung der Wasserhärte und Installationen von gehören sogenannte "umgekehrte" Osmose. Es wurde viel Mühe darauf verwendet, die Überwachungssysteme von "künstlichen Nieren"-Vorrichtungen zu verbessern. Neben der ständigen Überwachung der Dialysattemperatur begannen sie daher, mit Hilfe spezieller Sensoren die chemische Zusammensetzung des Dialysats ständig zu überwachen, wobei sie sich auf die elektrische Gesamtleitfähigkeit des Dialysats konzentrierten, die sich mit abnehmender Salzkonzentration und ändert steigt mit einer Erhöhung. Danach wurden ionenselektive Durchflusssensoren in „künstlichen Nieren“-Geräten eingesetzt, die die Ionenkonzentration ständig überwachten. Der Computer hingegen ermöglichte es, den Prozess zu steuern, indem er die fehlenden Elemente aus zusätzlichen Behältern einführte oder ihr Verhältnis nach dem Feedback-Prinzip veränderte. Der Wert der Ultrafiltration während der Dialyse hängt nicht nur von der Qualität der Membran ab, in allen Fällen ist der Transmembrandruck der entscheidende Faktor, daher haben sich Drucksensoren in Monitoren durchgesetzt: der Verdünnungsgrad im Dialysat, der Druck am Einlass und Ausgang des Dialysators. Moderne Computertechnologie ermöglicht die Programmierung des Ultrafiltrationsprozesses. Beim Verlassen des Dialysators tritt das Blut durch eine Luftfalle in die Vene des Patienten ein, was es ermöglicht, die ungefähre Menge des Blutflusses und die Gerinnungstendenz des Blutes mit dem Auge zu beurteilen. Um eine Luftembolie zu verhindern, sind diese Fallen mit Luftkanälen ausgestattet, mit deren Hilfe sie den Blutspiegel in ihnen regulieren. Gegenwärtig werden in vielen Vorrichtungen Ultraschall- oder photoelektrische Detektoren an Luftfallen angebracht, die automatisch die venöse Leitung blockieren, wenn der Blutspiegel in der Falle unter ein vorbestimmtes Niveau fällt. Kürzlich haben Wissenschaftler Geräte entwickelt, die Menschen helfen, die ihr Augenlicht verloren haben - ganz oder teilweise. Wunderbrillen zum Beispiel wurden vom Forschungs- und Entwicklungsunternehmen Rehabilitation auf der Grundlage von Technologien entwickelt, die zuvor nur im Militärbereich eingesetzt wurden. Wie ein Nachtsichtgerät arbeitet das Gerät nach dem Prinzip der Infrarotortung. Die schwarz-matten Linsen der Brille sind eigentlich Plexiglasplatten, zwischen denen ein Miniatur-Ortungsgerät eingeschlossen ist. Der gesamte Locator wiegt zusammen mit dem Brillengestell etwa 50 Gramm – etwa so viel wie eine gewöhnliche Brille. Und sie werden, wie Brillen für Sehende, streng individuell ausgewählt, damit es sowohl bequem als auch schön ist. "Linsen" erfüllen nicht nur ihre direkten Funktionen, sondern decken auch Augenfehler ab. Aus den zwei Dutzend Möglichkeiten kann jeder die für sich am besten geeignete auswählen. Die Verwendung einer Brille ist überhaupt nicht schwierig: Sie müssen sie aufsetzen und den Strom einschalten. Ihre Energiequelle ist eine leere Batterie in der Größe einer Zigarettenschachtel. Hier im Block wird auch der Generator platziert. Die von ihm ausgesendeten Signale kommen nach dem Auftreffen auf ein Hindernis zurück und werden von den "Empfangslinsen" eingefangen. Die empfangenen Impulse werden verstärkt, verglichen mit dem Schwellensignal, und wenn ein Hindernis vorhanden ist, ertönt sofort der Summer - je lauter, desto näher kam die Person ihm. Die Reichweite des Geräts kann mit einem von zwei Bereichen eingestellt werden. Die Arbeit an der Schaffung einer elektronischen Netzhaut wird von amerikanischen Spezialisten der NASA und des Main Center der Johns Hopkins University erfolgreich durchgeführt. Anfangs versuchten sie, Menschen zu helfen, die noch Reste des Sehvermögens hatten. „Für sie wurden Fernseher geschaffen“, schreiben S. Grigoriev und E. Rogov in der Zeitschrift „Young Technician“, wo anstelle von Linsen Miniaturfernsehbildschirme installiert werden, für Sehbehinderte wird das Bild jedoch auch mit einem dekodiert Eingebauter Computer. Ein solches Gerät schafft keine besonderen Wunder und macht keine Blinden, sagen Experten, aber es ermöglicht die maximale Nutzung der visuellen Fähigkeiten, die eine Person noch hat, und erleichtert die Orientierung. Hat eine Person zum Beispiel zumindest noch einen Teil der Netzhaut übrig, „spaltet“ der Computer das Bild so auf, dass eine Person zumindest mit Hilfe der erhaltenen Randbereiche die Umgebung sehen kann. Nach Angaben der Entwickler werden solche Systeme etwa 2,5 Millionen Menschen mit Sehbehinderungen helfen. Aber was ist mit denen, deren Netzhaut fast vollständig verloren ist? Für sie beherrschen Wissenschaftler des Augenzentrums der Duke University (North Carolina) die Operation der Implantation einer elektronischen Netzhaut. Spezielle Elektroden werden unter die Haut implantiert, die, wenn sie mit Nerven verbunden sind, ein Bild an das Gehirn übertragen. Der Blinde sieht ein Bild aus einzelnen Leuchtpunkten, ganz ähnlich der Anzeigetafel, die in Stadien, Bahnhöfen und Flughäfen installiert ist. Das Bild auf der "Anzeigetafel" wird wiederum von Miniatur-Fernsehkameras erzeugt, die auf einem Brillengestell montiert sind. Und schließlich ist das letzte Wort der Wissenschaft heute der Versuch, mit den Methoden der modernen Mikrotechnik neue sensible Zentren auf der geschädigten Netzhaut zu schaffen. Prof. Rost Propet und seine Kollegen sind jetzt in North Carolina mit solchen Operationen beschäftigt. Zusammen mit NASA-Spezialisten erstellten sie die ersten Muster einer subelektronischen Netzhaut, die direkt in das Auge implantiert wird. „Natürlich werden unsere Patienten niemals Rembrandts Gemälde bewundern können“, sagt der Professor, „aber sie werden immer noch unterscheiden können, wo Tür und Fenster sind, Straßenschilder und Schilder …“ Autor: Musskiy S.A.
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