Biomechanika: kaip patobulinti kūną

Pavydžiai stebėdami skrendančius paukščius, žmonės nuo seno stengėsi juos pamėgdžioti ir patys pakilti į orą. Itin rimtai beveik prieš penkis šimtus metų tuo domėjosi genialusis Leonardo da Vinci, nuodugniai analizavęs sparnuočių skrydžio mechaniką.

Jis taip pat mėgino suprasti, kaip veikia žmogaus raumenys ir sąnariai, kaip perduodamas judesys ir ar įmanoma sukurti įrenginį, kuriuo naudodamas savo raumenų jėgą žmogus sugebėtų pakilti į orą ir prilygti paukščiams. L. da Vinci tapo bene pirmuoju biomechaniku, besimokiusiu iš gamtos.

Jo stebėjimų rezultatas – sukurti keli originalios konstrukcijos aparatų brėžiniai. Pradedant mechaniniu laumžirgiu ir baigiant ornitopteriu su plasnojančiais sparnais bei helikopteriu, kurį teisingiau būtų vadinti oro grąžtu.

XXI amžiuje jo idėjas realaus dydžio maketais, eksponuojamais parodose, pavertė Italijos mokslininkai.

Šiuolaikiniai biomechanikos specialistai irgi analizuoja įvairius gyvus organizmus, jų struktūras ir funkcijas, mokydamiesi iš gamtos. Svarbiausias mokslininkų uždavinys – kuo geriau suprasti žmogaus raumenų, skeleto judėjimo ypatumus, jų patologijas, kad būtų galima kuo efektyviau padėti neįgaliesiems, sukurti tobulesnius implantus, dirbtines galūnes, taip pat efektyvesnius tokių klastingų susirgimų kaip Parkinsono liga, ankstyvosios diagnostikos metodus. Šiuolaikinė biomechanika irgi yra personalizuotos medicinos dalis, kurios pažangą lemia sparti informacinių technologijų plėtra.

Tiksliai pritaikomi implantai

Laidai „Mokslo ekspresas“ biomechanikas dr. Julius Griškevičius sako, kad kiekvienas žmogus yra individualus. Todėl vienas iš mūsų naudojamų įrankių yra matematinis modeliavimas.

Biomechanika glaudžiai susijusi su inžinerija, kadangi ji, analizuodama biologines sistemas, dažnai naudoja šių tradicinių mokslų metodus. Vis plačiau bioinžinieriai taiko ir kitą modernų įrankį – 3D spausdinimą. Kai dėl ligos ar traumos sutrinka žmogaus sąnarių funkcija, jie keičiamI endoprotezais arba implantais. Iki šiol dažniausiai būdavo naudojami standartiniai implantai. Tačiau būtų kur kas geriau kiekvienam pacientui sukurti unikalų protezą, įvertinus jo kūno sandaros ir netgi eIgsenos ypatumus.

„Kai dirbame su endoprotezais, tai yra junginys gyvo audinio su negyvu audiniu. Kaulas keičia savo savybes, veikiant mechaninei apkrovai. Jeigu mes pakeičiame jo natūralią būseną, įdedame svetimkūnį, jis perima dalį apkrovos ir laikui bėgant kaulas keičiasi. Mokslinė problema – kaip įdėti arba sukurti tokį protezą, kurio nereiktų išimti po penkiolikos metų“, – teigia J. Griškevičius.

Deja, net geriausi implantai, metams bėgant, išklimba. Pakinta ir jų veikiamo kaulo savybės. Atliekant pakartotinę operaciją  neretai paaiškėja, kad naujo implanto nebegalima pritvirtinti. Tuomet paciento kūno dalis skenuojama ir gauto kompiuterinio modelio pagrindu atspausdinamas tiksliai jam pritaikytas implantas.

„Lietuvoje atliekama daug sąnarių keitimo operacijų, bet tokių individualizuotų yra tik vienetai. Prieš pora metų buvo atvejis Klaipėdoje, kai pacientui kūrė visą dubens protezą“, – sako J. Griškevičius.

Norint gauti trūkstamą arba susidėvėjusį jūsų kūno fragmentą, iš pradžių reiktų sukurti jo erdvinį modelį. Jeigu keičiamas sąnarys, kompiuteriniu tomografu nuskenuoti keitimo vietą. Norint kuo tiksliau įvertinti kaulų būseną, geriausia naudoti rentgeno spindulius, kadangi jie kaulinį audinį labai gerai atskiria nuo minkštųjų audinių.

2011 metais Gento universitete Belgijoje buvo sėkmingai atlikta visiška veido transplantacija. Persodinti donoro raumenys su oda, o trūkstamus veido kaulų fragmentus mokslininkai atkūrė, naudodami minėtas skenavimo technologijas ir 3D spausdintuvą. Ši transplantacija tapo pačia sudėtingiausia iš devyniolikos tokio tipo operacijų visame pasaulyje. JAV gydytojai sukūrė ir implantavo trachėjos įtvarą kūdikiui, atspausdintą iš biopolimero, vadinamo polikaprolaktonu. Šis karkasas padeda atkurti plaučių funkciją, o pats laikui bėgant ištirpsta. Visais atvejais naudojamas tas pats principas.

„Nuėjus į ligoninę, padaroma nuotrauka. Su ja ateinama į firmą, kuri gamina implantą. Jie su programine įranga atskiria minkštuosius audinius, lieka tik jūsų skeletas ir ta vieta, kurią reikia padaryti. Kompiuterinio projektavimo programa  suprojektuojama reikalinga geometrija ir duomenys siunčiami į 3D spausdintuvą“, – tikina J. Griškevičius.

Kadangi dabar tokius protezus galima atspausdinti iš pačių įvairiausių medžiagų, taip pat iš titano, chromo, molibdeno miltelių, jie nedelsiant implantuojami pacientui.