Атомне серце, альтернативна енергетика всередині людини

26.07.2015

Атомне серце, альтернативна енергетика всередині людини

Автор: Андрій Васильків 07 червня 2013

Історія медицини сповнена дивовижних проектів, які (на жаль чи на щастя) не були реалізовані в свій час. Часом те, що здавалося інноваційним і прекрасним, через десятиліття–інше сприймалося вже чистої води божевіллям і прожектерством. Найбільш багатими на оригінальні і зухвалі ідеї виявилися шістдесяті і сімдесяті роки минулого століття.

наприклад, в США Національний інститут серця і Агентство по атомній енергетиці при урядовій підтримці зробили одночасну спробу створити штучне серце, перекачивающее кров за рахунок енергії розпаду плутонію-238.

Штучне серце розглядалося як автономне і повністю имплантируемое пристрій. Тобто воно не повинно було вимагати підключення до зовнішнього джерела живлення. До того ж до нього пред’являлися вимоги підвищеної надійності, зокрема здатність пропрацювати мінімум десять років без обслуговування. Ядерне джерело енергії бачився єдиним варіантом, оскільки будь-які інші вимагали б регулярної підзарядки або заміни елементів живлення мінімум раз на два роки, що було пов’язане з необхідністю проводити повторні операції.

Дві скоординовані програми розвивалися з 1967 по 1977 рік. І Інститут, і Агентство мали свої підходи до того, як слід виконувати експериментальну частину. Перший вважав необхідним виготовлення подібної моделі без ядерної джерела і розширеної серії тестів на тваринах. Агентство по атомній енергетиці наполягав на створенні та апробації штучного серця з плутонієм відразу. При цьому весь комплекс проблем, починаючи з габаритів пристрою і самої ідеї розмістити плутоній-238 в грудній клітці пацієнта, виглядав на той момент цілком вирішуваних для обох організацій.

Разом з тим більші побоювання викликала думка про те, що люди з плутонієм в грудях можуть стати мішенню терористів, які бажають створити «брудну бомбу». Такий сюжет описується у фантастичному романі Heartbeat, виданому в Нью-Йорку в 1978 році.

Мало кого приваблювала ідея забезпечити пацієнтам за рахунок штучного серця виключно базові можливості. Дотримання суворого постільного режиму до кінця днів виглядає дуже сумно, і таке життя просто не хочеться продовжувати. На створення мінімально достатнього серця було б важко отримати фінансування, а сама концепція не захопила б кращих фахівців того часу.

Тому розробники (хоча б на рівні заяв) виходили з того, що якість життя пацієнтів з штучним серцем не повинно істотно знижуватися. Іншими словами, після операції їм будуть доступні приблизно ті ж фізичні можливості, що і людям зі здоровим серцем.

На той момент параметри роботи біологічного серця вже були добре відомі. Його потужність у дорослої людини в стані спокою і повної розслабленості оцінюється скромною величиною 1 Вт. При важких навантаженнях вона може короткочасно збільшуватися до 40 Вт. Таким чином, від штучного серця була потрібна здатність швидко і точно змінювати миттєву потужність в широких межах.

Середня швидкість, з якою серце викидає кров в аорту, становить близько 0,5 м/с. За рахунок зменшення діаметра судин і регуляції їх тонусу в системі капілярів вона збільшується приблизно вдвічі. Відповідно, потрібно було відтворити умови для підтримання стабільної швидкості викиду крові і нормальних значень ударного об’єму.

За один рік серце робить в середньому 38 млн ударів. Залежно від фізичного навантаження за цей період воно перекачує від 2 до 5 млн літрів крові.

Для будь-якого компактного насоса це жахлива механічне навантаження. Питання про те, яким чином досягти такого ресурсу в штучному серце, залишається актуальним і донині.

Сам характер навантаження у серця розподіляється нерівномірно. Передсердя відчувають неабияку переднавантаження, але при справній роботі атріовентрикулярних клапанів від них не вимагається великої сили скорочень. Лівий шлуночок здійснює в 5-6 разів б’ється велику роботу, ніж правий.

Серце та судини утворюють єдину систему, тісно пов’язану з дихальною. Їх узгоджена робота можлива завдяки розвиненим механізмів зворотного зв’язку. Шляхи її реалізації при заміні серця на позбавлене нервів пристрій були абсолютно незрозумілі.

До того ж всі ці особливості потрібно відтворити в компактному обсязі. Завдання створення штучного серця в цілому виявилася надзвичайно складною, навіть без урахування проблеми розміщення джерела живлення великої ємності.

Оскільки вихідний плутоній-238 і одержуваний при його розпаді уран-234 являють собою альфа-радіоактивні нукліди, екранування ядерної джерела не було значною проблемою. Вважається, що для повної довготривалої радіаційного захисту в такому випадку досить свинцевої оболонки товщиною 2,5 мм.

Головна трудність полягала в отриманні необхідної потужності. Як вже згадувалося, для біологічного серця вона змінюється в межах від 1 до 40 Вт. Штучне серце мало б меншим ККД, тому споживана потужність виходила ще вище.

Від одного грама плутонію-238 можна отримати близько 0,56 Вт. Для роботи штучного серця потрібно як мінімум сто грамів речовини. Це вже третину маси серця людини і сто тисяч доларів собівартості.

Сумарний обсяг усіх порожнин серця у дорослої людини варіюється від 285 куб. см

у людей з малорухливим способом життя) до 560 (у професійних спортсменів). Зовнішній об’єм серця в момент максимального наповнення лівого шлуночка може перевищувати 800 куб. см. Саме штучне серце зайняло б як мінімум удвічі більше місця. Для джерела живлення його не залишилося б зовсім.

Найбільш логічним варіантом було використання радіоізотопного термоелектричного генератора (РІТЕГ). Такі пристрої давно й успішно застосовуються для автономного живлення маяків, навігаційного обладнання, роботів і космічних апаратів.

РІТЕГ мають досить компактними розмірами: джерело потужністю 100 Вт займає менше 1 000 куб. см. Радує і розрахунковий термін експлуатації: через десять років потужність падає приблизно на чверть.

Однак для розміщення всередині живої людини РІТЕГ вимагає серйозного доопрацювання. На кожний ват електричної енергії виділяється в п’ятнадцять разів більше теплової. Температура поверхні джерела досягає 400 градусів Цельсія. Тобто потрібні хороша теплоізоляція і постійний відведення надлишку тепла.

В 1976 році, на пізньому етапі проекту, найскладнішою проблемою залишалися габарити і маса прототипу. У ході уточнення деталей після кожного експерименту завдання створення «атомного серця» поставала все менш досяжним. Зі зрозумілих зараз причин робота не увінчалася успіхом, але серйозно допомогла розвитку кардіології та трансплантології в цілому. Завдяки цьому дивовижному досвіду зараз існують ефективні кардіостимулятори і розвивається цілий напрям біонічних протезів. Тому навіть відвертий провал можна вважати важливим етапом в історії медицини.

Одночасно із закінченням робіт над проектом «Атомне серце» у сімдесятих роках з’являються перші компактні джерела енергії на основі бета-розпаду. Вони виготовляються штучно і підлягають суворому обліку. Тільки в 2005 році була створена приватна компанія City Labs. Через три роки вона вже виробляє першу комерційно доступну тритиевую батарейку для малопотужних приладів переважно медичного призначення. Зовсім недавно, в 2012-му, компанія запустила серійне виробництво удосконалених радіоізотопних елементів живлення NanoTritium з розрахунковим терміном служби 20 років і широким діапазоном робочих температур (від -50 до +150 градусів).

Зараз ми вже розуміємо, що, крім РІТЕГ, штучні органи можуть використовувати кілька компактних джерел живлення меншої потужності, що працюють на інших принципах. Об’єднати генератор і акумулятор вперше вдалося у 2012 році міжнародного колективу дослідників Технологічного інституту штату Джорджія і Пекінського інституту наносистем. Пристрій безпосередньо перетворює механічну енергію в хімічну, минаючи проміжні стадії. Порівняно з іншими п’єзоелектричними схемами ефективність вироблення електроенергії за рахунок стиснення/розтягування зросла в сім разів. Такий «самозаряжающийся» акумулятор може знайти застосування як допоміжний або резервне джерело живлення елементів штучного серця з невисоким струмом споживання (датчики, водії ритму).

У минулому році також вперше з’являється нанопленка з термо — і фотоелектричним ефектом. Вона поглинає світло, в тому числі в області ІЧ-спектра, а отже, зможе перетворювати частину теплової енергії в електричну. Це допоможе вирішити відразу дві проблеми — охолодження компонентів штучного серця і вироблення електроенергії для їх автономної роботи.

Сучасні кардиопротезы, що використовуються в клінічній практиці, досі не замінюють серце цілком. Вони лише дозволяють виконувати заміну окремих уражених ділянок. Раніше інших навчилися протезувати клапани, висхідну частину і дугу аорти.

З початку XXI століття все більш широке поширення почали отримувати штучні шлуночки серця. Крім зарубіжних помп (HeartWare, HeartAssist і HeartMate), є і російські розробки — «Інкор» і «Новокор».

Тимчасово замінити серце цілком поки що здатні лише апарати штучного кровообігу (АШК).

Це окремий пристрій, розміщений біля ліжка пацієнта. Воно виконує функцію перекачування крові і насичення її киснем.

В останні роки ЗМІ неодноразово повідомляли про першої операції пересадки повністю штучного серця (причому це були різні клінічні випадки), але диявол криється в деталях.

Багато хто вважають, що в 2010 році академік РАМН Леонід Антонович Бокерія вперше пересадив пацієнтові штучне серце. Хоча сам пристрій і було цілком имплантируемым, воно не забезпечувало мінімально прийнятної якості життя. За своєю суттю воно залишалося все тим же АІК, тільки малогабаритним.

Його важливе відміну від повністю автономного штучного серця полягало в тому, що харчування здійснювалося від зовнішнього акумулятора масою близько десяти кілограмів. Повного заряду вистачало приблизно на дванадцять годин. Такий прилад дозволяє пацієнтові дочекатися донорського серця в палаті, але не замінює його. Тим не менш виконана операція стала надзвичайно важливим кроком і по праву вважається унікальною роботою.

Наступний «перший раз» трапився рік тому. Сорокарічного пацієнту у Великобританії імплантували бивентрикулярный кардиопротез компанії SynCardia. Він тимчасово брав на себе роботу обох шлуночків серця, дозволяючи спокійно дочекатися черги на трансплантацію. Його харчування, управління і моніторинг здійснювалися з допомогою носимого зовнішнього блоку. Назва Total Artificial Heart і виписка пацієнта під амбулаторне спостереження справили враження успішної пересадки механічного серця.

Створити повністю штучне имплантируемое людське серце з автономним живленням сьогодні все ще намагаються в ряді медичних дослідницьких центрів, але це саме експериментальні розробки. Найбільш поширеною операцією залишається імплантація кардиопротезов і штучних водіїв ритму для підтримки нормального функціонування власного серця.

Відтворювати найважливіші елементи серця окремо сьогодні вже можливо. В останні три роки вдається об’єднувати їх, не виходячи у підсумку за прийнятні габарити. Однак залишається безліч проблем:

  • відносно велика маса (багато елементів використовують титан і інші метали);
  • межі регулювання навантаження (не хочеться тільки лежати і повільно ходити до ванної);
  • швидкість вибору режиму роботи (звичайне серце швидко підлаштовується під мінливу фізичне навантаження і поточне емоційний стан);
  • джерело живлення великої ємності і потужності;
  • відвід тепла і його рівномірний розподіл;
  • психологічна адаптація пацієнтів.

Штучні компоненти серця постійно відчуваються як велике чужорідне тіло. Вони видають незвичні звуки, часто викликають страх і безсоння. У психіатрії є навіть окремий термін — «кардиопротезный психопатологічний синдром».

Певні надії пов’язані з новими матеріалами. Графен, вуглецеві нанотрубки, органічні полімери, гнучка електроніка — все це допоможе зробити штучне серце більш компактним і функціональним. Паралельно розвивається тканинна інженерія. Хоча її методи не дозволяють поки виростити нове серце з власних клітин, вони вже дають можливість проводити успішні експерименти по інтеграції електронних схем і живих тканин.

За даними Наукового центру серцево-судинної хірургії ім. А. Н. Бакулєва, тільки в Росії щорічно від хронічної серцевої недостатності у кінцевій стадії помирають до 986 тисяч осіб. При цьому в усьому світі за рік проводять не більше п’яти тисяч пересадок донорського серця. Іншими словами, трансплантація — це крапля в морі, і кардиопротезирование рік від року стає лише актуальніше.

Як і півстоліття тому, головною проблемою розробки самодостатнього штучного серця залишається створення відповідного джерела живлення і його успішна інтеграція. Потрібно спроектувати підсистему живлення з масою суперечливих вимог. Вона повинна мати як мінімум два надійні джерела енергії (ймовірно, використовують різні фізичні принципи), бути компактною, біосумісною, безпечної і володіти достатнім запасом автономності.

Інші завдання вже вирішені як мінімум на рівні докази концепції. Якщо прогрес в області альтернативних джерел енергії і біоінженерних розробок збереже свої темпи, то технічно створення більш або менш повноцінного штучного серця стане можливим в найближчі років десять. Ще кілька років піде на його апробацію, доопрацювання та клінічне впровадження.

Короткий опис статті: енергетика журнал Бізнес-Онлайн — ресурс для ефективного власника. Ділове спілкування. Управління компанією і підприємством.

Джерело: Атомне серце, альтернативна енергетика всередині людини

Також ви можете прочитати