Сварка и резка биологических тканей

Сварка и резка биологических тканей

Одним из выдающихся достижений сварочной науки является разработка новых технологических процессов соединения и разъединения биологических тканей живых существ, включая человека. Многолетняя совместная работа инженеров кафедры «Машины и автоматизация сварочных процессов» МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством академика Г.А. Николаева и профессора В.И. Лощилова, медиков Центрального института травматологии и ортопедии под руководством академика М.В. Волкова и других ученых привела в начале 60-х гг. ХХ в. к созданию методов и аппаратуры для получения неразъемных соединений костных и мягких биологических тканей.

Ими же разработаны и способы разделения (резки), наращивания (наплавки) и замещения дефектов костей. Постановкой тонких и остроумных экспериментов было установлено, что в костях человека имеются большие внутренние самоуравновешивающие напряжения. Они способствуют повышению прочности костей, но также способствуют их хрупкости.

Авторам обнаруженного явления — Г.А. Николаеву, В.И. Лощилову и Э.П. Бабаеву были выданы в 1976 г. дипломы на открытие — «Явление наличия собственных напряжений в кости человека и животных». Открытие имеет большое значение для медицины, в частности в практике выпрямления искривленных костей и заживления переломов. Однако вернемся к проблеме применения сварочных технологий для медицинских целей. На рис. 1.55 приведена схема процесса соединения костных тканей.

В зону соединения подается жидкий этил — α-цианакрилат (циакрин), смешанный с костной стружкой и другими компонентами. Специальным устройством — волноводом ультразвуковых колебаний — вводится ультразвуковая энергия в подаваемую смесь. Это активизирует сложные физико-химические процессы: ускоряет проникновение присадочной смеси в костную ткань, химическое взаимодействие компонентов смеси с коллагеном кости, а также полимеризацию циакрина. В результате образуется твердый сварной шов, причем без существенного нагрева тканей.

Полученное соединение является временным — оно удерживает биологические ткани на период естественных процессов их регенерации, вплоть до полного замещения новообразующейся тканью. Подобным же образом осуществляется и ультразвуковая наплавка костных тканей для восстановления их целостности и размеров. Ультразвуковая сварка мягких биологических тканей осуществляется без какого-либо присадочного материала.

При правильном выборе параметров ультразвуковых колебаний и методов их введения в зону соединения тканей получается сварной шов, обладающий достаточной механической прочностью, способный к последующей регенерации. Соединение образуется за счет протекания сложных физико-химических процессов, приводящих к коагуляции белковых коллагенов ткани.

Присоединяя к акустическому узлу волноводы в виде режущего инструмента нужной конфигурации (рис. 1.55), можно производить ультразвуковую резку биологических тканей всех видов. Инструмент совершает продольные возвратно-поступательные перемещения с частотой 20-30 кГц и амплитудой 30-60 мкм. Производительность ультразвукового резания значительно выше, и оно менее травмоопасно, чем традиционные методы.

Рис. 1.55. Схема процесса ультразвуковой сварки (а) и резки костных тканей (б):
1 — ультразвуковой генератор; 2 — акустический узел; 3 — волновод; 4 — подача сварочной смеси; 5 — костная ткань; 6 — инструмент для ультразвуковой резки

Удивительные возможности в области хирургии открывает новый скальпель — плазменный, созданный в 90-е гг. ХХ в. инженером Смоленского авиационного завода А.С. Бересневым в содружестве с хирургами — академиком В.С. Савельевым и профессором Ю.И. Морозовым.

Специальный компактный плазмотрон, легко удерживаемый рукой человека, соединяется гибким шлангом с источником питания, баллонами с плазмообразующим газом и пультом управления. Тонкий лучик высокотемпературной плазмы вырывается из сопла плазмотрона. Диаметр струи — около миллиметра, а ее длина может регулироваться в пределах от 3 до 20 мм. Струя с температурой до 10000 ⁰С легко рассекает мягкие ткани, испаряя их, одновременно заваривая стенки сосудов, идеально дезинфицирует операционное поле, остающееся в течение операции практически сухим, «усыпляет» окончания нервных волокон, обезболивая процесс. После операции ускоренно затягиваются разрезы, пациент меньше страдает от боли.

Разработанный плазменный скальпель работает без износа несколько тысяч часов. Нельзя не упомянуть еще об одном инструменте сварщиков — лазере, успешно применяемом медиками. Во многих клиниках лазерное излучение используется для диагностики и лечения различных болезней путем воздействия на биологически активные точки человека. Широко известно и применение миниатюрных лазерных установок для приварки отслаивающейся сетчатки глаза ко дну глазного яблока.

Этим способом сварки сохранено зрение тысячам людей. ИЭС им. Е.О. Патона совместно с рядом медицинских организаций Украины разработали новую технологию соединения мягких тканей. Установлено, что при определенных условиях можно осуществить соединение разрезов тканей в результате тепловой денатурации белков, приводящей к их коагуляции. При этом используются безопасные для организма человека токи высокой частоты.

Аппарат для сварки мягких тканей состоит из источника питания и управляющего компьютера. Компьютер не только управляет источником питания, но и адаптирует процесс сварки к конкретным свойствам тканей соединяемых участков разреза (рис. 1.56).

Рис. 1.56. Оборудование и инструмент для сварки живых тканей: а — высокочастотный сварочный источник питания; б — медицинский сварочный пинцет; в — медицинский сварочный зажим; г — медицинский сварочный ланароскопический зажим

Таким образом, сварочная наука, техника и технологии открыли новые перспективы в травматологии, ортопедии, хирургии, стоматологии, офтальмологии, рефлексотерапии и других направлениях медицины. Можно ожидать, что в дальнейшем сварка позволит создать новые хирургические приемы, изменить в лучшую сторону технику выполнения ряда сложных операций