Yapay organ - Artificial organ

Bir yapay organı olan bir insan organ cihazı veya yapılan doku olan implante bir insana ya da entegre - canlı dokuyla arabirim - Doğal yerine organı hasta normal bir hayat olarak dönebilir böylece çoğaltmak veya belirli bir işlev veya işlevlerini güçlendirmek amacıyla mümkün olur olmaz. Değiştirilen işlevin yaşam desteği ile ilgili olması gerekmez , ancak çoğu zaman öyledir. Örneğin, kalça protezlerinde bulunanlar gibi yedek kemikler ve eklemler de yapay organlar olarak kabul edilebilir.

Tanım gereği, cihazın sabit bir güç kaynağına veya filtreler veya kimyasal işleme birimleri gibi diğer sabit kaynaklara sürekli olarak bağlı olmaması gerektiği ima edilir. (Pillerin periyodik olarak hızlı şarj edilmesi, kimyasalların yeniden doldurulması ve/veya filtrelerin temizlenmesi/değiştirilmesi, bir cihazın yapay organ olarak adlandırılmasını engelleyecektir.) Böylece bir diyaliz makinesi, çok başarılı ve kritik öneme sahip bir yaşam destek cihazı iken neredeyse tamamen böbreğin görevlerinin yerini alır, yapay bir organ değildir.

Amaç

Başlangıçta son derece araştırma-yoğun ve pahalı bir süreç olan yapay organların oluşturulması ve yerleştirilmesi, doğal bir organın ihtiyaç duymadığı uzun yıllar devam eden bakım hizmetleri gerektirebilir:

nakil beklerken yakın ölümü önlemek için yaşam desteği sağlamak (örneğin yapay kalp );
hastanın kendi kendine bakım yeteneğini önemli ölçüde iyileştirmek (örneğin yapay uzuv );
hastanın sosyal olarak etkileşim kurma yeteneğini geliştirmek (örn. koklear implant ); veya
kanser cerrahisi veya kaza sonrası kozmetik restorasyon yoluyla hastanın yaşam kalitesini iyileştirmek .

Herhangi bir yapay organın insanlar tarafından kullanılması, hemen hemen her zaman hayvanlarla yapılan kapsamlı deneylerden önce gelir . İnsanlarda yapılan ilk testler genellikle ya zaten ölümle karşı karşıya olan ya da diğer tüm tedavi olanaklarını tüketmiş olanlarla sınırlıdır.

Örnekler

Yapay uzuvlar

protez kol

Yapay kollar ve bacaklar veya protezler , amputelere bir dereceye kadar normal işlevi geri kazandırmayı amaçlar. Amputelerin tekrar yürümesini veya iki elini kullanmaya devam etmesini sağlayan mekanik cihazlar muhtemelen eski zamanlardan beri kullanılmaktadır, en dikkat çekici olanı basit çivili bacaktır. O zamandan beri, yapay uzuvların gelişimi hızla ilerledi. Yeni plastikler ve karbon fiber gibi diğer malzemeler, yapay uzuvların daha güçlü ve daha hafif olmasına izin vererek uzuvları çalıştırmak için gereken ekstra enerji miktarını sınırladı. Ek malzemeler, yapay uzuvların çok daha gerçekçi görünmesini sağladı. Protezler kabaca üst ve alt ekstremite olarak sınıflandırılabilir ve birçok şekil ve boyut alabilir.

Yapay uzuvlardaki yeni gelişmeler, insan vücudu ile ek entegrasyon seviyelerini içerir. Elektrotlar sinir dokusuna yerleştirilebilir ve vücut protezi kontrol etmek için eğitilebilir. Bu teknoloji hem hayvanlarda hem de insanlarda kullanılmıştır. Protez, doğrudan bir implant veya çeşitli kaslara implant kullanılarak beyin tarafından kontrol edilebilir.

Mesane

Mesane işlevini değiştirmenin iki ana yöntemi, ya idrar akışının yeniden yönlendirilmesini ya da mesanenin yerinde değiştirilmesini içerir . Mesaneyi değiştirmek için standart yöntemler, bağırsak dokusundan mesane benzeri bir kese oluşturmayı içerir. 2017 itibariyle, klinik araştırmalarda kök hücreler kullanılarak mesane büyütme yöntemleri denendi, ancak bu prosedür tıbbın bir parçası değildi.

Beyin

Hipokampal protezin bir diyagramı

Nöral protezler, bir yaralanma veya hastalık sonucu hasar görmüş olabilecek bir motor, duyusal veya bilişsel modalitenin yerini alabilen bir dizi cihazdır.

Derin beyin uyarıcıları da dahil olmak üzere nörostimülatörler , Parkinson hastalığı , epilepsi , tedaviye dirençli depresyon ve idrar kaçırma gibi diğer durumlar dahil olmak üzere nörolojik ve hareket bozukluklarını tedavi etmek için beyne elektriksel uyarılar gönderir . İşlevi eski haline getirmek için mevcut sinir ağlarını değiştirmek yerine , bu cihazlar genellikle semptomları ortadan kaldırmak için mevcut arızalı sinir merkezlerinin çıkışını bozarak hizmet eder.

2013 yılında bilim adamları, fetal olgunlaşmanın erken gebelik aşamalarına kadar önemli nörolojik bileşenler geliştiren bir mini beyin yarattılar.

corpora cavernosa

Erektil disfonksiyonu tedavi etmek için , her iki corpora cavernosa , manuel olarak şişirilebilir penil implantlarla cerrahi olarak geri döndürülemez şekilde değiştirilebilir . Bu, yalnızca diğer tüm tedavi yaklaşımlarına direnen tam iktidarsızlıktan muzdarip erkekler için tasarlanmış şiddetli bir terapötik cerrahidir . (Kasık) veya (skrotum) içine implante edilmiş bir pompa, normal olarak doğal corpora cavernosa'nın doğrudan yerine geçecek şekilde boyutlandırılmış bu yapay silindirleri, bir ereksiyon sağlamak için implante edilmiş bir rezervuardan doldurmak için elle manipüle edilebilir.

Kulak

Koklear implantın bir çizimi

Bir kişinin aşırı derecede sağır olduğu veya her iki kulağını da ileri derecede işitemediği durumlarda , koklear implant cerrahi olarak implante edilebilir. Koklear implantlar , bir mikrofon ve derinin dışında, genellikle kulağın arkasında bulunan bazı elektronik cihazlar aracılığıyla bir ses hissi sağlamak için çevresel işitme sisteminin çoğunu atlar . Dış bileşenler, kokleaya yerleştirilmiş bir dizi elektrota bir sinyal iletir ve bu da koklear siniri uyarır .

Dış kulak travması durumunda kraniyofasiyal protez gerekebilir.

Massachusetts General Hospital'dan Thomas Cervantes ve meslektaşları, 3 boyutlu yazıcıyla koyun kıkırdağından yapay kulak yaptılar. Pek çok hesaplama ve modelle, tipik bir insan kulağına benzeyen bir kulak yapmayı başardılar. Bir plastik cerrah tarafından modellenen bu kulaklar, yapay kulağın tıpkı insan kulağı gibi kıvrımlara ve çizgilere sahip olabilmesi için birkaç kez ayarlamak zorunda kaldılar. Araştırmacılar, "Teknoloji şu anda klinik deneyler için geliştirilme aşamasındadır ve bu nedenle iskelenin belirgin özelliklerini yetişkin bir insan kulağının boyutuna uyacak ve implantasyondan sonra estetik görünümü koruyacak şekilde büyüttük ve yeniden tasarladık" dedi. Yapay kulaklarının başarılı olduğu açıklanmadı ancak şu anda projeyi geliştiriyorlar. Her yıl binlerce çocuk, dış kulağın tam olarak gelişmediği, mikrotia adı verilen doğuştan bir şekil bozukluğu ile dünyaya gelmektedir. Bu, tıbbi ve cerrahi mikrotia tedavisinde ileriye doğru atılmış büyük bir adım olabilir.

Göz

biyonik bir göz

Şimdiye kadarki en başarılı işlev değiştiren yapay göz , retinaya , optik sinire veya beynin içindeki diğer ilgili yerlere implante edilmiş uzaktan tek yönlü elektronik arayüze sahip harici bir minyatür dijital kameradır . Tekniğin mevcut durumu, parlaklık düzeylerini, renk örneklerini ve/veya temel geometrik şekilleri tanımak gibi kavramın potansiyelini kanıtlamak gibi yalnızca kısmi işlevsellik sağlar.

Çeşitli araştırmacılar, retinanın beyin için stratejik görüntü ön işlemesi gerçekleştirdiğini göstermiştir . Tamamen işlevsel bir yapay elektronik göz yaratma sorunu daha da karmaşıktır. Retinaya, optik sinire veya ilgili beyin bölgelerine yapay bağlantının karmaşıklığının üstesinden gelmeye yönelik ilerlemelerin, bilgisayar bilimindeki devam eden ilerlemelerle birleştiğinde , bu teknolojinin performansını önemli ölçüde artırması bekleniyor.

Kalp

yapay bir kalp

Kalbin, kapakçıklarının veya dolaşım sisteminin başka bir bölümünün arızalı olduğu durumlarda kardiyovasküler ile ilgili yapay organlar implante edilir. Yapay kalp tipik için zaman köprü için kullanılan kalp nakli veya kalıcı dava kalp naklinde kalbi yerine imkansızdır. Yapay kalp pilleri , gerektiğinde doğal canlı kalp pilini aralıklı olarak artırmak (defibrilatör modu), sürekli olarak artırmak veya tamamen baypas etmek için implante edilebilen başka bir kardiyovasküler cihazı temsil eder . Ventriküler destek cihazları , kalbin kendisini çıkarmadan, başarısız bir kalbin işlevini kısmen veya tamamen değiştiren mekanik dolaşım cihazları olarak işlev gören başka bir alternatiftir.

Bunların yanı sıra laboratuvarda yetiştirilen kalpler ve 3D bioprinted kalpler de araştırılıyor. Şu anda bilim adamları, kan damarlarının ve laboratuar yapımı dokuların uyumlu bir şekilde çalışmasını sağlamadaki zorluklar nedeniyle kalpleri büyütme ve basma yeteneklerinde sınırlıdır.

Böbrek

San Francisco'daki California Üniversitesi'ndeki bilim adamlarının implante edilebilir bir yapay böbrek geliştirdiği bildirildi. 2018 itibariyle, bu bilim adamları teknolojide önemli ilerlemeler kaydettiler, ancak hala makineleriyle ilişkili kan pıhtılaşmasını önleme yöntemlerini belirlemektedirler.

Böbrek bekleyen hastaların listesi uzundur ve böbrek diğer organlara göre nadirdir. Birçok insan ameliyatları için sabırsızlanıyordu. Bilim adamları yapay bir böbrek geliştirme dürtüsünü hissediyorlar, kusursuz işlev görebilen ve umarız insan böbreğinin yerini alabilecek bir böbrek yapmak için çok çalışıyorlar. NIBIB Quantum bursiyerleri sayesinde, yapay böbrek gelişimi ilerledi, kan akışının nasıl olduğuna dair bir simülasyon hesapladılar, çalışmalarını yapay böbrekte nadir bulunan bir uzmanlıkla birleştirdiler. "Bu teknolojinin geliştiricilerinin çok iyi bildiği gibi, hem cihazı tıkayan, onu işe yaramaz hale getiren hem de kan akışının tehlikeye gireceği vücudun diğer bölümlerinde tehlikelere neden olan kan pıhtılarıyla uğraşmak özellikle sinir bozucu." NIBIB'nin Doku Mühendisliği ve Rejeneratif Tıp programı Direktörü Rosemarie Hunziker dedi.

Yapay bir böbrek, kanın sürekli olarak süzülmesine izin verecek, bu da böbrek hastalığı hastalığını azaltmaya ve hastaların yaşam kalitesini artırmaya yardımcı olacaktır.

Karaciğer

HepaLife, kök hücreler kullanarak karaciğer yetmezliğinin tedavisine yönelik biyoyapay bir karaciğer cihazı geliştiriyor . Yapay karaciğer, ya karaciğerin başarısızlık durumunda yenilenmesine izin vererek ya da nakil mümkün olana kadar hastanın karaciğer fonksiyonları arasında köprü kurarak destekleyici bir cihaz olarak hizmet etmek üzere tasarlanmıştır. Sadece gerçek karaciğer hücrelerini (hepatositler) kullanması ile mümkün olur ve o zaman bile kalıcı bir ikame değildir.

Japonya'dan araştırmacılar, insan karaciğer öncü hücrelerinin (insan kaynaklı pluripotent kök hücrelerden [iPSC'ler] farklılaşmış) ve diğer iki hücre tipinin bir karışımının , kendiliğinden "karaciğer tomurcukları" olarak adlandırılan üç boyutlu yapılar oluşturabildiğini buldu.

akciğerler

MC3'ten yapay bir akciğer

Bazı neredeyse tamamen işlevsel olan yapay akciğerler , yakın gelecekte büyük bir başarı vaat ediyor. Bir Ann Arbor şirketi olan MC3, şu anda bu tür bir tıbbi cihaz üzerinde çalışıyor.

Ekstrakorporeal membran oksijenasyonu (ECMO), doğal akciğer dokusu ve kalpten önemli bir yük almak için kullanılabilir. ECMO'da hastaya bir veya daha fazla kateter yerleştirilir ve kanı oksijen ve karbondioksiti kanla değiştiren içi boş zar lifleri üzerinden akıtmak için bir pompa kullanılır. ECMO'ya benzer şekilde, Ekstrakorporeal CO2 Giderme (ECCO2R) benzer bir düzeneğe sahiptir, ancak akciğerlerin rahatlamasını ve iyileşmesini sağlamak amacıyla oksijenasyon yerine esas olarak hastaya karbondioksitin giderilmesi yoluyla fayda sağlar.

yumurtalıklar

Yapay yumurtalığın gelişimi için temel çalışma 1990'ların başında atıldı.

Üreme çağındaki kansere yakalanan hastalar sıklıkla kemoterapi veya radyasyon tedavisi alırlar, bu da oositlere zarar verir ve erken menopoza yol açar. Brown Üniversitesi'nde, yeni 3 boyutlu petri kabı teknolojisi kullanılarak oluşturulan kendi kendine bir araya getirilen mikro dokularla yapay bir insan yumurtalığı geliştirildi. 2017 yılında NIH tarafından finanse edilen ve yürütülen bir çalışmada, bilim adamları 3-D yumurtalıkları basmakta ve onları steril farelere implante etmekte başarılı oldular. Gelecekte, bilim adamları bunu insanlarda olduğu kadar daha büyük hayvanlarda da tekrarlamayı umuyorlar. Yapay yumurtalık, olgunlaşmamış oositlerin in vitro olgunlaşması ve çevresel toksinlerin folikülogenez üzerindeki etkisini incelemek için bir sistemin geliştirilmesi amacıyla kullanılacaktır.

Pankreas

Diyabetik ve buna ihtiyaç duyan diğer hastalar için sağlıklı bir pankreasın endokrin işlevselliğini değiştirmek için yapay bir pankreas kullanılır . Hipergliseminin komplikasyonlarından kaçınılmasıyla ortaya çıktığı gibi, glisemik kontrol pratik olarak normal olana kadar insülin replasman tedavisini iyileştirmek için kullanılabilir ve ayrıca insüline bağımlı olanlar için tedavinin yükünü hafifletebilir. Yaklaşımlar, kapalı döngü kontrolü altında bir insülin pompası kullanmayı , biyouyumlu bir kapsüllenmiş beta hücre tabakasından oluşan bir biyo-yapay pankreas geliştirmeyi veya gen terapisini kullanmayı içerir .

Kırmızı kan hücreleri

Yapay kırmızı kan hücreleri (RBC) yaklaşık 60 yıldır projelerde yer alıyor, ancak HIV ile kontamine donör kan kriziyle birlikte ilgi görmeye başladılar. Yapay RBC'ler nanoteknolojiye %100 bağımlı olacaktır. Başarılı bir yapay RBC, insan RBC'sinin yerine tamamen geçebilmelidir; bu, bir insan RBC'sinin yaptığı tüm işlevleri yerine getirebileceği anlamına gelir.

Chang ve Poznanski tarafından 1968'de yapılan ilk yapay RBC, aynı zamanda antioksidan işlevler olan Oksijen ve Karbon Dioksit taşımak için yapılmıştır.

Bilim adamları, insan RBC'sinin ellide biri olan yeni bir tür yapay RBC üzerinde çalışıyorlar. Sentetik bir polimerle kaplanmış saflaştırılmış insan hemoglobin proteinlerinden yapılırlar. Yapay RBC'nin özel malzemeleri sayesinde kan pH'ı yüksek olduğunda oksijeni yakalayabilir ve kan pH'ı düşük olduğunda oksijeni serbest bırakabilirler. Polimer kaplama aynı zamanda hemoglobinin kan dolaşımındaki nitrik oksit ile reaksiyona girmesini önleyerek kan damarlarının tehlikeli şekilde daralmasını önler. Allan Doctor, MD, yapay RBC'nin, kaplamanın bağışıklığı sessiz olduğu için herhangi bir kan grubuna sahip herkes tarafından kullanılabileceğini belirtti.

testisler

Doğum kusurları veya yaralanma yoluyla testiküler anormallikleri sürdüren erkekler, hasarlı testisi bir testis protezi ile değiştirebilmiştir. Protez biyolojik üreme işlevini geri getirmese de, cihazın bu hastalar için zihinsel sağlığı iyileştirdiği gösterilmiştir.

timus

Timus işlevini yerine getiren implante edilebilir bir makine mevcut değildir. Ancak araştırmacılar, yeniden programlanmış fibroblastlardan timus üretebildiler. Yaklaşımın bir gün yenidoğan timus naklinin yerini alabileceğini veya tamamlayabileceğini umduklarını ifade ettiler.

2017 itibariyle, UCLA'daki araştırmacılar, henüz implante edilemese de gerçek bir timusun tüm işlevlerini yerine getirebilen yapay bir timus geliştirdi.

Yapay timus bağışıklık sisteminde önemli bir rol oynayacak, daha fazla T hücresi üretmek için kan kök hücrelerini kullanacak, bu da vücudun enfeksiyonlarla savaşmasına yardımcı olacak, ayrıca vücuda kanser hücrelerini yok etme yeteneği kazandıracaktı. İnsanlar yaşlandıklarında, timusları iyi çalışmadığından, yapay bir timus, eski, iyi çalışmayan bir timusu değiştirmek için iyi bir seçim olacaktır.

T hücrelerini enfeksiyonlara karşı savaşmak için kullanma fikri bir süredir ortalardaydı, ancak yakın zamana kadar, bir T hücresi kaynağı, yapay bir timus kullanma fikri önerildi. "Kanserle savaşan T hücrelerinin tutarlı ve güvenli bir tedarikini yaratmanın anahtarının, süreci, kanserle savaşan reseptörler hariç, nakledilen hücrelerdeki tüm T hücresi reseptörlerini devre dışı bırakacak şekilde kontrol etmek olacağını biliyoruz" dedi. UCLA'nın Gay Dolandırıcıları. Bilim adamı ayrıca yapay timus tarafından üretilen T hücrelerinin çok çeşitli T hücresi reseptörleri taşıdığını ve normal bir timus tarafından üretilen T hücrelerine benzer şekilde çalıştığını buldu. İnsan timusu gibi çalışabildikleri için yapay timus, tedaviye ihtiyacı olan hastalar için vücuda tutarlı miktarda T hücresi sağlayabilir.

soluk borusu

Yapay nefes boruları alanında çalışmasından yüksek ilgi ve heyecan bir süre geçti Paolo Macchiarini at Karolinska Enstitüsü'nde gazetelerde ve televizyonda ön sayfa kapsama yaklaşık 2014 başka 2008'den itibaren ve. 2014'teki çalışmaları hakkında endişeler dile getirildi ve 2016'ya kadar kovuldu ve Karolinska'daki üst düzey yönetim, Nobel Ödülü'ne dahil olan kişiler de dahil olmak üzere görevden alındı .

2017'den itibaren, bir trakeanın (hücrelerle kaplı içi boş bir tüp) mühendisliği, başlangıçta düşünüldüğünden daha zorlayıcıydı; zorluklar arasında, klinik aday olarak sunulan ve genellikle birden fazla prosedürden geçmiş olan kişilerin zorlu klinik durumları; Solunum kuvvetlerinin yanı sıra trakeanın maruz kaldığı rotasyonel ve uzunlamasına harekete karşı koyarken, tamamen gelişebilen ve konakçı ile entegre olabilen bir implant yaratmak.

Artırma

Sahibine doğal olarak meydana gelmeyen yetenekler kazandırmak için yapay bir organ inşa etmek ve yerleştirmek de mümkündür. Araştırmalar görme , hafıza ve bilgi işleme alanlarında ilerlemektedir . Bazı güncel araştırmalar , kaza kurbanlarında kısa süreli hafızayı ve demans hastalarında uzun süreli hafızayı geri yüklemeye odaklanmaktadır .

Kevin Warwick , robotik bir eli ve iki insanın sinir sistemleri arasındaki ilk doğrudan elektronik iletişimi kontrol etmek için sinir sistemini internet üzerinden genişleten bir dizi deney gerçekleştirdiğinde bir başarı alanı elde edildi .

Bu aynı zamanda, tanımlama ve konumlama amacıyla (ör. RFID etiketleri) subkutan çiplerin implante edilmesiyle ilgili mevcut uygulamayı da içerebilir .

Mikroçipler

Organ çipleri, önemli kimyasal ve elektriksel sinyal bilgileri sağlayabilen mikroakışkan bir sistem olarak doku ve/veya organları simüle eden hücrelerle dolu içi boş mikrodamarlar içeren cihazlardır. Bu, genellikle bir tanımlayıcı olarak kullanılan ve aynı zamanda bir transponder içerebilen küçük elektronik çiplere atıfta bulunan mikroçip teriminin alternatif kullanımından farklıdır .

Bu bilgiler, hem sağlıklı hem de hastalıklı organlar için " in vitro insan modelleri" oluşturmak, toksisite taramasında ilaç ilerlemeleri ve hayvan testlerinin yerini almak gibi çeşitli uygulamalar yaratabilir .

3D hücre kültürü tekniklerini kullanmak, bilim adamlarının in vivo olarak bulunan karmaşık hücre dışı matrisi, ECM'yi, ilaçlara ve insan hastalıklarına karşı insan tepkisini taklit etmek için yeniden oluşturmalarını sağlar . Yeni ilaç geliştirmede başarısızlık oranını azaltmak için çip üzerindeki organlar kullanılır; mikromühendislik bunlar bir mikroçevrenin bir organ olarak modellenmesine izin verir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Tran, Jasper (2015). "Bioprint için ya da Bioprint için Değil". Kuzey Carolina Hukuk ve Teknoloji Dergisi . 17 : 123-78. SSRN 2562952 .
Liu, Yunying; Yang, Ru; O, Zuping; Gao, Wei-Qiang (2013). "Kök hücrelerden fonksiyonel organların üretimi" . Hücre Yenilenmesi . 2 (1): 2:1. doi : 10.1186/2045-9769-2-1 . PMC 4230490 . PMID 25408873 .
Foster, Kenneth R.; Jaeger, Ocak (23 Eylül 2008). "İnsanlarda İmplante Edilebilir Radyofrekans Tanımlama (RFID) Etiketlerinin Etik Etkileri". Amerikan Biyoetik Dergisi . 8 (8): 44-48. doi : 10.1080/15265160802317966 . PMID 18802863 . S2CID 27093558 .
Chang, Thomas MS (2012). "Yapay kırmızı kan hücreleri, oksijen taşıyıcıları ve oksijen terapötiklerinden yapay hücrelere, nanotıp ve ötesine" . Yapay Hücreler, Kan İkameleri ve Biyoteknoloji . 40 (3): 197–199. doi : 10.3109/10731199.2012.662408 . PMC 3566225 . PMID 22409281 .
Yapay Organlar . ISSN 1525-1594 .

Languages

In other projects