Βιοϊατρική μηχανική

11 Μαρτίου 2015

Η επιστήμη που άλλαξε την ζωή μας

Γράφει η

Δρ Σάββη Μάλλιου Κριαρά

Ειδ. Παθολόγος-Ογκολόγος, PhD, MD

Η βιοϊατρική μηχανική είναι η εφαρμογή των αρχών της μηχανικής στην ιατρική και τη βιολογία για λόγους υγειονομικής περίθαλψης (π.χ. διαγνωστικούς ή θεραπευτικούς). Συνδυάζει τις δεξιότητες σχεδιασμού και επίλυσης προβλημάτων της μηχανικής με τις ιατρικές και βιολογικές επιστήμες για να προωθήσει την υγεία, όσον αφορά τη διάγνωση, την παρακολούθηση και την θεραπεία. Οι βιοϊατρικές εφαρμογές της μηχανικής περιλαμβάνουν την ανάπτυξη βιοσυμβατών προθέσεων, διαγνωστικών και θεραπευτικών ιατρικών συσκευών, όπως μικροεμφυτεύματα, εξοπλισμού απεικόνισης, (μαγνητική τομογραφία και ΗΕΓ), αναγεννητικής ανάπτυξης των ιστών, αλλά και θεραπευτικά φαρμακευτικά και βιολογικά προϊόντα.

Τεχνητά όργανα για μεταμοσχεύσεις

Ένας από τους στόχους της μηχανικής ιστών είναι η δημιουργία τεχνητών οργάνων (μέσω βιολογικών υλικών) για ασθενείς που χρειάζονται μεταμόσχευση οργάνων. Οι ερευνητές έχουν φτιάξει οστικά μοσχεύματα γνάθου και τραχείες από ανθρώπινα βλαστικά κύτταρα, αλλά και τεχνητές κύστεις. Τα βιοτεχνητά όργανα, είναι από βιολογικά και συνθετικά συστατικά. Μπορεί ακόμα να είναι και ηπατικές συσκευές που καθαρίζουν το αίμα και αποτοξινώνουν τον οργανισμό.

Γενετική μηχανική

Η γενετική μηχανική, η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA και η γενετική τροποποίηση με σύγχρονα εργαλεία, όπως η μοριακή κλωνοποίηση και ο μετασχηματισμός των γονιδίων μπορούν να μεταβάλλουν άμεσα την δομή και τα χαρακτηριστικά των γονιδίων στόχων. Οι τεχνικές γενετικής μηχανικής έχουν επιτυχία σε πολλές εφαρμογές. Μερικά παραδείγματα είναι στη βελτίωση της τεχνολογίας των καλλιεργειών, στην κατασκευή των συνθετικής ανθρώπινης ινσουλίνης με τη χρήση τροποποιημένων βακτηρίων, στην κατασκευή της ερυθροποιητίνης σε κύτταρα χάμστερ κ.α.

Νευρομηχανική

Η νευρομηχανική χρησιμοποιεί τεχνικές της μηχανικής για επισκευή, αντικατάσταση, ή ενίσχυση του νευρικού συστήματος.

Φαρμακευτική μηχανική

H φαρμακευτική μηχανική είναι μια επιστήμη που περιλαμβάνει την μηχανική των φαρμάκων, τον τρόπο χορήγησης φαρμάκων και την στόχευση, την φαρμακευτική τεχνολογία, αλλά και την Χημική Μηχανική και Φαρμακευτική Ανάλυση. Μπορεί να θεωρηθεί ως μέρος της Φαρμακολογίας λόγω της εστίασής της στην χρήση της τεχνολογίας για δημιουργία καλύτερων φαρμάκων για την θεραπεία των ασθενειών.

Ιατρικές συσκευές, ιατρικός εξοπλισμός και ιατρική τεχνολογία

Χρήσεις των ιατρικών συσκευών:

Διάγνωση νόσων
Θεραπεία νόσων
Πρόληψη των ασθενειών

Μερικά παραδείγματα: βηματοδότες, αντλίες έγχυσης, μηχανήματα καρδιάς-πνευμόνων, μηχανήματα αιμοκάθαρσης, τεχνητά όργανα, εμφυτεύματα, τεχνητά μέλη, διορθωτικοί φακοί, κοχλιακά εμφυτεύματα, οφθαλμική προσθετική, προσθετική προσώπου, σωματοπροσθετική και οδοντικά εμφυτεύματα.

-Τα ιατροτεχνολογικά προϊόντα ταξινομούνται σε:

Προϊόντα κατηγορίας Ι: Παρουσιάζουν ελάχιστο δυναμικό για βλάβη στον χρήστη και είναι συχνά πιο απλά στη σχεδίαση από τις συσκευές των κατηγοριών II ή III. Συσκευές σε αυτή την κατηγορία: γλωσσοπίεστρα, πάπιες, ελαστικοί επίδεσμοι, γάντια εξέτασης, και χειρός χειρουργικά εργαλεία και άλλα παρόμοια είδη.

Προϊόντα κατηγορίας ΙΙ: Υπόκεινται σε ειδικούς ελέγχους, πέραν των γενικών ελέγχων. Οι ειδικοί έλεγχοι περιλαμβάνουν ειδικές απαιτήσεις επισήμανσης, καταγραφή επιδόσεων και επιτήρηση των προϊόντων. Συσκευές σε αυτή την κατηγορία: μηχανήματα ακτίνων Χ, ηλεκτροκίνητα αμαξίδια, αντλίες έγχυσης, και χειρουργικές γάζες.

Προϊόντα της κατηγορίας III: Γενικά απαιτούν έγκριση πριν από την εμπορική διάθεση και επιστημονική επανεξέταση ώστε να εξασφαλιστεί η ασφάλεια και η αποτελεσματικότητα των συσκευών, εκτός από τους γενικούς ελέγχους. Συσκευές σε αυτή την κατηγορία: τεχνητές βαλβίδες καρδιάς, εμφυτεύματα ισχίων και γονάτων, εμφυτεύματα σιλικόνης μαστών, διεγέρτες της παρεγκεφαλίδας, βηματοδότες και ενδοστικά εμφυτεύματα.

-Ιατρική απεικόνιση

Χρήση υπερήχων, μαγνητικού συντονισμού, υπεριώδους ακτινοβολίας, ακτινολογίας, και άλλα μέσα.

Η μαγνητική τομογραφία είναι ένα παράδειγμα εφαρμογής της βιοϊατρικής μηχανικής για διαγνωστική απεικόνιση.

Οι τεχνολογίες απεικόνισης είναι συχνά απαραίτητες στην ιατρική διάγνωση: ακτινοσκόπηση, απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI), πυρηνικής ιατρικής, τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (ΡΕΤ), PET-CT, ακτινογραφίες, όπως ακτίνες Χ και αξονική τομογραφία, υπερηχογράφημα, οπτική μικροσκοπία και ηλεκτρονική μικροσκοπία.

-Εμφυτεύματα

Ένα εμφύτευμα είναι ένα είδος ιατρικής συσκευής για να αντικαταστήσει μία χαμένη βιολογική δομή. Η επιφάνεια των εμφυτευμάτων που έρχονται σε επαφή το σώμα μπορεί να κατασκευάζεται από ένα βιοϊατρικό υλικό όπως τιτάνιο, σιλικόνη ή απατίτη ανάλογα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα εμφυτεύματα είναι ηλεκτρονικά, π.χ. τεχνητός βηματοδότης και κοχλιακά εμφυτεύματα. Ορισμένα εμφυτεύματα είναι βιοδραστικά, όπως υποδόριες συσκευές χορήγησης φαρμάκων με τη μορφή εμφυτεύσιμων χαπιών ή ενδοπροθέσεων που αποδεσμεύουν φάρμακα.

-Τεχνητά μέλη

Η βιονική μπορεί να εφαρμοστεί για την επίλυση ορισμένων προβλημάτων μηχανικής. Η προσεκτική μελέτη των διαφόρων λειτουργιών στα μάτια, στα αυτιά, και άλλα όργανα άνοιξε το δρόμο για βελτιωμένες κάμερες, τηλεοράσεις, πομπούς ραδιοφώνου και δέκτες, καθώς και για πολλά άλλα χρήσιμα εργαλεία. Οι εξελίξεις αυτές έχουν κάνει τη ζωή μας καλύτερη, αλλά η καλύτερη συμβολή της βιονικής είναι τα τεχνητά μέλη για τα διάφορα μέρη του ανθρώπινου σώματος.

Κλινική μηχανική

Κλινική μηχανική είναι ο κλάδος της βιοϊατρικής μηχανικής που ασχολείται με την εφαρμογή του ιατρικού εξοπλισμού και των τεχνολογιών σε νοσοκομεία ή κλινικές ή ιατρεία. Ρόλος κλινικών μηχανικών: Η κατάρτιση και η εποπτεία του τεχνικού βιοϊατρικού εξοπλισμού, η επιλογή των τεχνολογικών προϊόντων και υπηρεσιών και η διαχείριση της εφαρμογής τους, οι επιθεωρήσεις και οι έλεγχοι, συμβουλές για το προσωπικό του νοσοκομείου (π.χ. γιατροί, νοσηλευτές), η εξασφάλιση της συντήρησης και η διατήρηση της ασφάλειας του εξοπλισμού.

Οι ιατρικές συσκευές πρέπει να είναι:. 1) ασφαλείς και 2) αποτελεσματικές

Ένα προϊόν είναι ασφαλές αν οι ασθενείς, οι χρήστες και οι τρίτοι δεν διατρέχουν κινδύνους από τη χρήση τους. Προστατευτικά μέτρα πρέπει να ληφθούν για κάποιες συσκευές για τη μείωση των κινδύνων σε αποδεκτό επίπεδο σε σύγκριση με το όφελος που προκύπτει από τη χρήση τους.

Ένα προϊόν είναι αποτελεσματικό αν λειτουργεί σύμφωνα με την προβλεπόμενη χρήση. Η αποτελεσματικότητα επιτυγχάνεται μέσω της κλινικής αξιολόγησης και τη συμμόρφωση με τα πρότυπα επίδοσης και επίδειξης.

Εφαρμογές βιοϊατρικής μηχανικής

Η βιοϊατρική μηχανική μελετά την μηχανική των ιστών, την ανάπτυξη αντιαγγειογενετικών παραγόντων, τα στεντς που επενδύονται με φάρμακα για να μην βουλώνουν κ.ά πολλά.

Η βιοϊατρική μηχανική ασχολείται με παράγοντες που σταματούν την αγγειογένεση

Η αγγειογένεση είναι η διαδικασία σχηματισμού αιμοφόρων αγγείων που τροφοδοτούν τους καρκινικούς όγκους με τα απαραίτητα για την επιβίωσή τους θρεπτικά συστατικά. Οι αντιαγγειογενετικοί παράγοντες είναι μακρομόρια που διασπώνται από τον οργανισμό κατά τη διαδικασία της πέψης αν τα πάρετε από το στόμα ή μπλοκάρονται από τους ιστούς αν τα εισπνεύσετε. Άρα απαιτείται ένα σύστημα χορήγησης του φαρμάκου. Αν κλειστεί το φάρμακο σε μικροσφαιρίδια από συνθετικό πολυμερές που δεν προκαλεί φλεγμονές και τα μικροσφαιρίδια φυτευθούν στον όγκο, το φάρμακο εκλύεται σταδιακά. Οι αντιαγγειογενετικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται στον καρκίνο, στην ενδομητρίωση, στη σχιζοφρένεια, στον αλκοολισμό, στον εθισμό στα ναρκωτικά.

Η βιοϊατρική μηχανική ασχολείται με τα μικροτσίπ εναντίον του καρκίνου

Τα μικροτσίπ μπορεί να χορηγήσουν αντικαρκινικά φάρμακα στο σημείο του όγκου, όπως στο χειρουργηθέν γλοιοβλάστωμα, αλλά και σε πολλούς άλλους καρκίνους. Τα μικροτσίπ μπορούν να ελέγχονται με τηλεχειριστήρια ασύρματα και να αποστέλλεται σήμα για να ανοίξει το κάλυμμα του φαρμάκου και να εκλυθεί. Τα έξυπνα αυτά συστήματα χορήγησης φαρμάκων μπορούν να ενεργοποιούν και να απενεργοποιούν το φάρμακο, να τροποποιούν τη συχνότητα και τη δόση του φαρμάκου και να μην απαιτείται να αφαιρεθεί το σύστημα από το σώμα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές νόσους, όπως στον καρκίνο, στην οστεοπόρωση και σε χρόνιες παθήσεις και στην αντισύλληψη, αλλά και για συμπληρώματα διατροφής. Πολύ χρήσιμη είναι για το σακχαρώδη διαβήτη και την αποδέσμευση της ινσουλίνης.

Η βιοϊατρική μηχανική ασχολείται με τη μηχανική ιστών και την αναγεννητική ιατρική

Μέσα σε τρισδιάστατα δοχεία από πολυμερή τοποθετούνται ζωντανά κύτταρα για να δημιουργηθούν ιστοί και όργανα (εγκαυματίες και διαβητικά έλκη, σχηματισμός χόνδρου, αποκατάσταση προβλημάτων νωτιαίου μυελού). Η δημιουργία ολόκληρων οργάνων, όπως παγκρέατος και εντέρου είναι κοντά!

Η βιοϊατρική μηχανική ασχολείται με εμπλουτισμένα στεντ

Τα επενδεδυμένα στεντ είναι ήδη γνωστά. Τα στεντ αυτά τοποθετούνται σε καρδιοπαθείς με στένωση των αρτηριών και λειτουργούν με τηλεχειριστήριο. Το φάρμακο που έχουν τα στεντ εκλύεται αργά μέσα στα αιμοφόρα αγγεία προλαμβάνοντας την επαναστένωσή τους.

Η βιοϊατρική μηχανική ασχολείται με επιδέμους από βιολάστιχα

Τα βιολάστιχα είναι αυτοκόλλητοι επίδεσμοι για συρραφή χειρουργικών τομών και τραυμάτων. Αποτελούνται από μικροσκοπικούς στύλους με διάμετρο μικρότερη του ενός μικρομέτρου και ύψος τρία μικρόμετρα και επάνω στη βάση υπάρχει λεπτό κάλυμμα κόλας με βάση τους πολυσακχαρίτες (Dextran). O επίδεσμος βιολάστιχο έχει βάση πυριτίου και με το υπεριώδες φως μετατρέπεται σε προπολυμερές PGSA και μετά σε ελαστομερές PGSA. Το βιολάστιχο εμπλουτίζεται με φάρμακα ή έχει μεγάλη ελαστικότητα, παρόμοια με των ανρώπινων ιστών, όπως των πνευμόνων. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ράμματα για την καρδιά από σαύρες, τα οποία χρησιμοποιούνται για συρραφή χειρουργικών τομών ή/και τραυματισμό εσωτερικών οργάνων και είναι, μάλιστα και αυτοδιασπώμενα και δεν απαιτείται η αφαίρεσή τους από το σώμα.

Η βιοϊατρική μηχανική ασχολείται με νανοσωματίδια

Τα νανοσωματίδια στοχεύουν διαφορετικά σημεία του σώματος μεταφέροντας φάρμακα για θεραπεία, αλλά και για ταχύτερη διάγνωση όγκου.

Η βιοϊατρική μηχανική ασχολείται με την τροποποίηση γονιδίων

Νέες τεχνικές γενετικής με παράγοντες που τροποποιούν γονίδια κυττάρων, όπως των καρκινικών (γονιδιακή θεραπεία).

Η βιοϊατρική μηχανική ασχολείται με την έξυπνη ινσουλίνη

Η ινσουλίνη αυτή φέρει ένα υδροφοβικό μόριο που της επιτρέπει να κυκλοφορεί για μεγάλο διάστημα στο αίμα και μια χημική ομάδα την PBA και προσδένεται στη γλυκόζη. Όταν τα επίπεδα γλυκόζης είναι πολύ ψηλά η ινσουλίνη ενεργοποιείται και ωθεί τα κύτταρα να απορροφήσουν το επιπλέον σάκχαρο. Η ινσουλίνη αυτή κυκλοφορεί στο αίμα για πάνω από 10 ώρες και ενεργοποιείται όταν πρέπει ανάλογα με τις αλλαγές σακχάρου στο αίμα και δεν απαιτείται συνεχής μέτρηση των επιπέδων σακχάρου.

Η βιοϊατρική μηχανική είναι η επιστήμη που δουλεύει για την καλή ποιότητα της ζωής των ασθενών