Приступая к изготовлению искусственного голеностопного сустава, Теодор Во, хирург-ортопед из Калифорнийского университета в Ирвайне, решил точно скопировать природную модель. Из сплава хрома и кобальта он сделал Т-образный штырь, который можно вмонтировать в главную из двух костей голени (tibia). Затем прикрепил поверх талуса (самой крупной кости голеностопного сустава) куполообразную пластину из этого же сплава таким образом, чтобы головка "Т" опиралась в перевернутом положении на купол и могла свободно сгибаться и двигаться в точном соответствии с движениями настоящего голеностопного сустава. Жидкость в теле служила естественной смазкой искусственного сустава.
Этот сустав весит всего 140 г, но он крепче природной лодыжки. Из 15 прооперированных Во больных большинство в первые же пять дней уже ходило на костылях, а примерно через месяц — без всякой опоры. Как говорит сам изобретатель, достоинство этой операции в том, что с ней может справиться любой опытный ортопед, и, таким образом, она может принести облегчение тысячам искалеченных людей.
Ученые не только разработали заменители почти всех суставов человека, но работают и над изготовлением искусственных костей. Первые имплантаты, сделанные из прочного и легкого металла титана, по-видимому, скоро уступят место стеклу и другим заменителям костной ткани. Ларри Хенч, директор Отделения биомедицинской инженерии Университета штата Флорида, назвал изготовленные им стеклянные кости "биостеклом" ("биоглас"). В основе этого материала лежит стекло, очень похожее на обычное оконное стекло, но приготовленное из чистого кварцевого песка. К стеклу добавляют окись натрия, кальций и фосфор, которые "обманывают" организм, как будто в него пересадили настоящую кость. А так как эти химические вещества постепенно выводятся из организма, естественная кость постепенно сливается с биостеклом. Как полагают, новый материал будет гораздо лучше титана, ибо он образует "каркас", на котором может расти нормальная кость. Этот каркас, как скелет внутри скелета, окажется заключенным в заново выросшую кость, и таким образом появятся новые тазобедренные суставы, руки, бедра и даже зубы, которые по силе и прочности будут намного превосходить природные.
Бионические сухожилия, связки и мышцы
Связки соединяют кости друг с другом, а сухожилия — длинные тяжи из прочных белковых волокон — соединяют мышцы и кости. И те и другие обладают слабой регенерационной способностью и не всегда заживают после разрыва или сильного растяжения. Когда рвется сухожилие, мышцы, соединенные с ним, могут сократиться и "втянуть" конец сухожилия, так что он теряется среди мышц ноги или руки и его приходится выуживать хирургическим путем.
В прошлом порванные сухожилия сшивали, но никогда нельзя было предвидеть, насколько удачно пройдет такая операция. Позднее была разработана методика, которая заключалась в том, что с сустава снималась связка, затем с ее помощью соединяли мышцы и кость, так что она занимала место сухожилия. Обычно операции по замене сухожилия связкой давали хорошие результаты, но их недостатком оказывалось ослабление сустава, с которого брали связку.
Уильям Харрисон младший, из госпиталя Маймонидеса в Нью-Йорке, сделал своего рода "опору" из дакрона, инертного синтетического материала, который в виде трубки надевается на разорванные концы связки или сухожилия и затем пришивается. При иммобилизации конечности дакроновая опора позволяет нарастать новому сегменту сухожилия или связки. По словам Харрисона, его метод в нескольких случаях дал отличные результаты. В самом деле, бионически укрепленное сухожилие или связка оказываются даже прочнее природных, так как в их ткань вживлен дакроновый каркас.
Проводились также эксперименты с искусственными скелетными мышцами, которые помогают нам удерживать вертикальное положение. Дж. Д. Хелмер, биоинженер из Лаборатории Бэттел Колумбус в штате Огайо, изобрел синтетическую мышцу из силиконовой резины (инертной, очень прочной резины) и дакрона. Эта конструкция напоминает "мышцу" в более ранней пневматически действующей бионической руке. Дакроновая оболочка, сплетенная как китайская головоломка, надевается на резиновую трубку и крепится к сухожилию. Когда сухожилие натягивается и действует на оболочку, последняя сдавливает резиновую трубку; когда оболочка натянута, резина за счет упругости отвечает давлением. Это действие сходно с действием мышцы: противодействие давлению, равное по силе и противоположное по направлению. Хелмер с сотрудниками вживлял такие мышцы овцам, и через четыре недели после операции животные уже ходили почти нормальным шагом.
Бионическое кровообращение: искусственные сердечные клапаны и кровезаменители
Нарушения системы кровообращения, включающей в себя сердце и многие километры артерий, вен и капилляров, по численности до сих пор занимают первое место среди причин смерти в США. Инфаркты, склероз артерий, инсульты, тромбы, закупоривающие сосуды, гипертония — наряду с другими болезнями системы кровообращения, причиной которых являются механические повреждения, стресс или болезни, — сокращают наш потенциальный срок жизни примерно на 20 лет. В этой области проводятся особенно интенсивные исследования, и некоторые достигнутые результаты обнадеживают.
В то время, когда большинство американцев носило орлон на себе — например, в виде свитеров, — один человек начал носить орлон в себе — в виде восстановленных артерий. Это произошло в 1953 г., когда д-р Чарльз Хафнагель из Джорджтаунского университета заменил порванную пулей бедренную артерию американского солдата — главную артерию, снабжающую кровью ногу, — орлоновым каркасом, вставив его в кровеносный сосуд. Позднее он вставил орлоновую трубочку и в изношенную аорту больного. Оба этих кровеносных сосуда подвергаются постоянному сжатию, давлению, скручиванию, и до появления орлона в распоряжении медиков не было материалов, которые делали бы эту операцию возможной.
Но использованный Хафнагелем орлон обладал существенным недостатком — он очень легко терял форму. Имплантат из мягкой орлоновой ткани в сосуде, несущем кровь к легким, может давать изломы, как садовый шланг, что приводит к быстрой и болезненной смерти. В 1955 г. Стерлингу Эдвардсу из Алабамского медицинского колледжа удалось придумать гофрированные синтетические артерии наподобие противогазных трубок. Эти гофрированные артерии, сейчас изготовляемые из дакрона и тефлона, одновременно сохраняют гибкость и не образуют изломов. Кроме того, артерии, выполненные из синтетических материалов, полностью инертны, так что отпадает угроза иммунной реакции.
Вживление синтетических гофрированных артерий из дакрона и тефлона теперь стало признанным методом лечения аневризмы аорты — неравномерного расширения этого крупнейшего кровеносного сосуда в результате ослабления мускулатуры его стенок. Аневризму можно исправить путем замены бионической артерией, причем с очень высокой вероятностью успеха. По свидетельству знаменитого кардиолога Майкла Ди Бейки из Бэйлорского медицинского колледжа в Хьюстоне, лично выполнившего свыше 2000 подобных операций, примерно 80 % его больных, перенесших операцию по поводу аневризмы аорты, по меньшей мере пять лет не знают осложнений.
Другие артерии, поврежденные в результате аневризмы или суженные в результате склеротических процессов, также могут быть заменены искусственными артериями из дакрона или тефлона. Ди Бейки, например, уже вставил более 5200 искусственных артерий. И процент удачных операций при замене бедренной артерии даже выше, чем при замене аорты. В наше время в распоряжении хирургов имеются бионические заменители почти для любой артерии или вены человека.
С появлением новых материалов стала реальностью и замена сердечных клапанов. Эти клапаны открываются и закрываются 100 000 раз в сутки и приходится только удивляться, как долго они выдерживают эту непрерывную пульсацию. Однако из-за ревматических поражений или вследствие возрастных изменений клапаны перестают достаточно плотно смыкаться, и сердце перекачивает кровь, все меньше насыщенную кислородом, что нарушает все остальные функции организма.
