ИСКУССТВЕННЫЕ ОРГАНЫ

Искусственные органы — технические устройства, предназначенные для временной или постоянной замены функции того или иного внутреннего органа человека. Возможность создания И. о. связана как с прогрессом биологии и медицины, так и с успехами физики, химии, математики, а также технических наук.

Создание Искусственных органов обусловлено также тем, что трансплантация не сможет полностью решить проблему замены нефункционирующих жизненно важных органов человека, т. к. количество пригодных для пересадки донорских органов намного меньше числа больных, нуждающихся в этой операции. Искусственные органы не всегда полностью заменяют функцию естественного органа, особенно когда он обладает рядом сложных функций, как, напр., печень, сердце. Чаще Искусственные органы заменяют не весь орган, а наиболее важную его часть (напр., искусственные клапаны сердца, предназначенные для обеспечения однонаправленного тока крови, электрокардиостимуляторы, применяемые при нарушении проводящей системы сердца).

Искусственные органы можно разделить на неимплантируемые в организм и на частично и полностью имплантируемые (см. искусственное сердце (см.) с внешним приводом. В этой системе сам насос для перекачивания крови размещается внутри грудной полости, как правило, в пределах перикарда; системой шлангов насос связан с приводом, чаще всего пневматическим, и управляющим комплексом приборов. Полностью имплантируемым И. о. является такое устройство, все компоненты к-рого размещены внутри организма. Примером этого являются электро-кардиостимуляторы и искусственное сердце такой конструкции, где все узлы (насосы для крови, привод, система управления им, источник энергопитания) имплантируются внутрь организма.

По времени функционирования И. о. можно разделить на аппараты, поддерживающие жизнедеятельность организма только при непрерывной их работе (напр., искусственное сердце), и аппараты, обеспечивающие жизнедеятельность организма при их прерывистом (дискретном) подключении (напр., искусственная почка).

В проблеме И. о. большое значение имеет выбор материалов, из которых изготавливаются узлы аппаратов, непосредственно контактирующие с тканями и жидкими средами организма. Все эти материалы должны быть биологически инертными, т. е. не вызывающими воспалительной реакции окружающих тканей, не выделяющими со своей поверхности токсических химических веществ и т. д. К материалам, из которых изготавливают те или иные детали различных И. о., кроме того, предъявляются также и особые требования, связанные с необходимостью осуществлять ту или иную избирательную функцию, для чего широко используются различные селективные полимерные полупроницаемые мембраны. Так, в аппаратах «искусственная почка» применяют мембраны, пропускающие воду, различные соли и ряд других веществ и непроницаемые для форменных элементов крови — крупномолекулярных веществ (белков, липидов, полисахаридов и т. д.). В мембранных оксигенаторах (см.) применяют материалы, пропускающие газы (O₂ и CO₂) и не пропускающие кровь.

Материалы, из которых изготавливаются элементы и узлы так наз. физиологического блока И. о., должны быть антитромбогенными, т. е. не вызывать свертывания крови на их поверхности.

Создан ряд материалов и покрытий (некоторые виды полиуретанов, авкотан и др.), на которых не происходит образования тромбов в течение нескольких часов или дней; при потере этими материалами антитромбогенных свойств в кровь больного на время работы аппарата приходится вводить гепарин для уменьшения свертываемости крови и профилактики тромбообразования. Однако поскольку И.о. должен функционировать в течение многих часов или дней, введение гепарина нежелательно, т. к. это приводит к нарушению свертывающей системы крови. Абсолютно антитромбогенные материалы или покрытия еще не созданы, однако намечено два направления в решении этой задачи. Первое из них связано с «прививкой» на поверхность полимерных материалов гепарина или гепариноподобных веществ, с наведением на них устойчивых электрических зарядов и т. д.; все эти мероприятия предупреждают свертывание крови при контакте с такими материалами. Второе направление связано с созданием на поверхности полимера тонкой гладкой выстилки из живых клеток. Для этого на поверхность полимера наклеиваются, напр., тонкие, короткие ворсинки из синтетических волокон. При контакте тока крови с такими поверхностями между ворсинками застревают форменные элементы и молекулы белка крови, которые и образуют аутобиологическую выстилку. В течение 30—45 дней эта выстилка трансформируется в так наз. псевдоэндотелий, надежно предохраняющий от возникновения тромбов на его поверхности.

Важной проблемой в создании И. о. является адекватное поставленной цели инженерное решение. Как правило, при создании И. о. исследователи стремятся к тому, чтобы техническое устройство как можно точнее выполняло функцию естественного аналога. Конструктивные же решения при этом резко отличаются от архитектоники соответствующего органа. Так, конструкции диализаторов аппаратов искусственной почки даже отдаленно не напоминают строение почечного нефрона. То же относится и к моделям оксигенаторов, конструкции большинства применяемых в клин, практике искусственных клапанов сердца и т. д. Это связано гл. обр. с отсутствием материалов, из которых можно было бы изготовлять И. о., идентичные по своей конструкции анатомическому строению естественного органа, а также с определенным несовершенством современной технологии.

В создании и применении И. о. большое значение имеет решение задачи управления ими. Это особенно важно для имплантируемых органов. Так, искусственное сердце, подобно естественному, должно очень быстро менять свою производительность в зависимости от изменения потребностей организма в кровотоке в каждую единицу времени; изменение его объемной скорости должно осуществляться в широком диапазоне — 4—5 л/мин (в состоянии покоя) до 30—35 л/мин (при значительной физ. нагрузке). Для создания системы автоматического управления искусственным сердцем необходимо определить минимальное количество параметров, несущих максимум информации об адекватности кровообращения в организме, выработать алгоритм автоматического управления искусственным сердцем и создать систему, к-рая работает по принципу обратной связи, реагируя на показания датчиков, меняет производительность насоса, перекачивающего кровь. Интенсивная работа в этом направлении привела к созданию первых таких систем, в частности в СССР, однако необходимо дальнейшее их усовершенствование. С целью применения систем автоматического управления искусственным сердцем в полностью имплантируемых комплексах нужна не только их дальнейшая доработка, но и микроминиатюризация. Решение этой задачи связано с прогрессом электроники и механики. Важными являются вопросы управления и для других И. о. — искусственной почки, оксигенаторов (искусственные легкие) и др.

Для И. о., полностью имплантируемых в организм, важной задачей является энергообеспечение этих систем. Так, для электрокардиостимуляторов применяют различного рода батареи, аккумуляторы, изотопные источники энергии (плутоний-238). Кроме того, в некоторых конструкциях используют принцип индукционной подзарядки имплантированного внутрь организма аккумулятора через вторичную катушку, вживленную под кожу больного. Еще более сложной является задача энергообеспечения имплантируемого искусственного сердца. Для ее решения предполагается использование изотопных источников энергии (плутоний-238), энергии, выделяющейся внутри самого организма в ходе обменных процессов, а также индукционная подзарядка аккумуляторов.

Наиболее широкое применение в клинике, наряду с аппаратами искусственная почка (см.). С ее помощью можно поддерживать жизнь больных с хронической почечной недостаточностью в течение нескольких лет, и, кроме того, применение этого аппарата является в ряде случаев предварительным этапом операции пересадки почки.

Широкое распространение в клин, практике получили также различные оксигенаторы. Однако в большинстве промышленных моделей оксигенаторов газообмен происходит при прямом контакте крови с газами, что вызывает значительную травму ее форменных элементов, компонентов плазмы и ограничивает возможность безопасного применения таких устройств всего несколькими часами. Все подобные модели являются неимплантируемыми. Практически такие оксигенаторы пригодны только для выполнения операций на «открытом» сердце. Исследования, проводимые по созданию так наз. мембранных оксигенаторов, в которых используются полупроницаемые пластмассовые пленки, разделяющие поток крови от потока газов, позволили начать применение таких оксигенаторов в клин, практике как при операциях с искусственным кровообращением, так и для вспомогательной оксигенации у больных с острой дыхательной недостаточностью. Имеются наблюдения успешного применения этих оксигенаторов в течение нескольких дней. Существуют (пока еще единичные) попытки в эксперименте имплантировать миниатюрные мембранные оксигенаторы вместо удаленного легкого у животного.

В области разработки искусственного сердца перспективно наметилось два направления: создание искусственного сердца, способного функционировать несколько дней, для обеспечения в экстренных ситуациях резерва времени, необходимого для подыскания трансплантата, и создание полностью имплантированного искусственного сердца, способного функционировать в течение долгого времени. Все системы искусственного сердца, рассчитанные на работу в течение нескольких дней, являются полуимплантируемыми. Искусственное сердце, рассчитанное на многолетнее применение, должно быть полностью имплантируемым внутрь организма.

Устройств, которые можно было бы назвать искусственной печенью, еще не создано, однако уже есть аппараты, осуществляющие ту или иную функцию печени (удаление аммиака, билирубина и др.)? что улучшает состояние больных с печеночной недостаточностью и нередко способствует их выздоровлению. Особенно эффективно их применение при лечении тяжелых отравлений.

Попытки создания искусственного кишечника и искусственной поджелудочной железы находятся в стадии разработки. Искусственная поджелудочная железа должна заменить эндогенную функцию естественного органа, к-рая нарушается при таком распространенном заболевании, как сахарный диабет. Аппарат состоит из резервуара для инсулина, микро-насоса, работающего по заданной программе или по сигналам, поступающим от датчика глюкозы, источника энергопитания (подзаряжаемого извне микроаккумулятора или капсулы с изотопом), блока электронного управления. Такой аппарат полностью имплантируется в организм. Первая в мире подобная операция в эксперименте была выполнена в СССР в Ин-те трансплантации органов и тканей М3 СССР. Кроме имплантируемых аппаратов подобного типа, есть так наз. паракорпоральные (т. е. располагаемые на поверхности кожи, напр, на руке) аппараты и аппараты, располагаемые на некотором расстоянии от больного. Однако применение этих И. о. пока еще возможно лишь в эксперименте.

Разработка проблем создания И. о., в частности создание искусственного сердца, является предметом межправительственных соглашений между СССР и США.

Библиография: Киселев Ю. М. и др. Энергетические блоки, используемые в имплантируемом искусственном сердце и системах вспомогательного кровообращения, Мед. техника, № 4, с. 50, 1976, библиогр.; Писаревский А. А. и др. Искусственное «мембранное легкое», там же, с. 44, библиогр.; Проблемы искусственного сердца и вспомогательного кровообращения, под ред. Б. В. Петровского и В. И. Шумакова, с. 62, М., 1970; Шумаков В. И. и др. Опыт применения многоместной установки для хронического гемодиализа, Мед. техника, № 2, с. 38, 1974; Bevilacqua S. The nuclear artificial heart, Trans. Proc., v. 8, p. 63, 1976; Lefrak E. A. a. o. Current status of prolonged extracorporeal membrane oxygenation for acute respiratory failure, Chest, v. 63, p. 773, 1973; Oster H. a. o. Survival for 18 days with a Jarvik type artificial heart, Surgery, v. 77, p. 113, 1975; Smith L. a. o. Power requirements for the A.E.C. artificial heart, Trans. Amer. Soc. artif. intern. Org., v. 21, p. 540, 1975.

В.Н. Шумаков.