Замість вступу: роль випадкових подій у великих відкриттях

Великі відкриття та винаходи часто приписують ученим як результат випадкової події. І забувають, що це ж саме спостерігали і з таким само випадком стикалися багато років тисячі людей. А як же виходить, що тільки деяким спостерігачам вдається зробити відкриття?

Секрету немає. В красивих легендах зафіксовані факти таких випадків. Історики, біографи встановили – першовідкривач мав великий запас знань, обдумував раніше цю проблему, і випадок тільки замикає стадією пошуку.

Великий фізик Ісаак Ньютон (1643-1727), помітивши, як падало яблуко (за однією з кумедних версій, яблуко навіть упало йому на голову), зовсім не раптово відкрив закон всесвітнього тяжіння.

До кінця XVII століття наука вже накопичила значний досвід вивчення законів природи. Більше того, Ньютон добре знав про роботи арабських учених і вчених епохи Відродження, зокрема, в галузі механіки. Він сам пояснив умову свого відкриття однією фразою: «Я стояв на плечах гігантів».

Парашут – щільна матерія, упакована в рюкзак, прикріплений за спиною людини, – врятував життя багатьох і багатьох льотчиків, десантників, рятувальників і пасажирів, які за власним бажаням чи мимоволі залишали літальний апарат. Та й деякі літаки і космічні апарати гальмують за допомогою парашутів. Людство вдячне за винахід ранцевого парашута Глібові Євгеновичу Котельникову (1872-1944).

На той час на апаратах, важчих за повітря, літали вже десять років. Літальні апарати ламалися, падали, гинули люди. До літаків прикріплювали важкі громіздкі парасолі, які складалися і повинні були розкриватися в разі аварії.

У 1910 році під Петербургом на очах у тисячі глядачів під час показових польотів розламався літак, і знаменитий льотчик-випробувач Лев Макарович Мацієвич (1877-1910) впав з висоти 400 метрів. Вражений загибеллю Мацієвича, Котельников задумав зробити таку парасольку, яка б весь час знаходилася у льотчика, розкривалася і управлятися за його бажанням. Звичайно, не він один шукав рішення цієї задачі.

Подарував людству ідею ранцевого парашута знову-таки легендарний випадок. Одного разу Гліб Євгенович звернув увагу на те, як актриса його театру витягує велику шовкову хустку з маленької барсетки. «Це ж парашут! Шматок шовку потрібно скласти в коробку і розгорнути в потрібний момент над головою, він сповільнить падіння!»

Тут необхідно зазначити, що знову-таки, крім великого бажання, спостережливості і безперервних роздумів, щоб перетворити шматок шовку на непросту систему порятунку, потрібні були знання. А у Гліба Котельникова вони були. Він виріс в родині професора фізики і з дитинства любив майструвати прилади і цікаві іграшки, захоплювався фотографуванням і сам зробив фотоапарат, реконструював велосипед, поставивши на нього вітрило.

У 1894 році Котельников закінчив Київське військове училище, відслужив належний строк, захопився театром і в Петербурзі став актором. І через 10 місяців після загибелі Мацієвича Гліб Євгенович продемонстрував створену ним оригінальну конструкцію парашута.

Можна згадати ще багато прикладів видатних відкриттів і винаходів, зроблених нібито випадково, і навіть «випадковими» людьми. Ми спеціально обрали приклади з різних століть. Але у всіх випадках були потрібні знання і бажання вирішити проблему.

А в наш час можна прочитати і почути, що новий напрямок в медицині вперше в світі так само створено через випадок. Тепер уже на воді.

Відпочиваючі на березі Дніпровської затоки спостерігали, як людина явно дуже поважного віку мчить за катером на водних лижах.

Як завжди, знаходилися вболівальники – знавці, які стверджували, що саме цей (називали якесь прізвище) був чемпіоном світу, Європи, переможцем ... видно, що він зберіг форму і йому в такому віці дозволяють так «навантажуватись».

Вони здивувалися б ще більше, якби дізналися, що, крім того, цей лижник регулярно грає у великий теніс, плаває всіма стилями не менше кілометра майже кожен день, любить альпінізм.

Втім, а хто ж міг заборонити Почесному громадянину міста Києва, двічі Герою Соціалістичної Праці, депутату Верховних Рад СРСР і УРСР академіку Борису Євгеновичу Патону користуватися громадською дніпровською затокою? Та й затока ця знаходиться поблизу знаменитого на весь світ суцільнозварного моста імені Є.О. Патона, побудованого його батьком Євгеном Оскаровичем, Героєм Соціалістичної Праці.

Зараз Б.Є. Патону дев’яносто восьмий рік, він з 1953 року працює директором найбільшого в світі Інституту електрозварювання і з 1962 року – президентом Національної академії наук України. Працює щодня з 10-ї години в інституті (після ранкового плавання в басейні), з 15-ї години до 21-ої – в академії, протягом нічного часу і вихідних днів встигає переглянути, відредагувати, написати сотні сторінок.

Він пам’ятає імена і прізвища, біографії і здібності тисяч людей, коментує і уточнює безліч подій. Але про подію, через яку він тепер не може кататися на водних лижах і грати у великий теніс, говорити не любить.

Сталося це на тій самій затоці недільним літнім днем 1988 року. На віражі на великій швидкості лижа «вивернулася» і Борис Євгенович впав у воду – серйозна травма ноги і стегна. Була потрібна складна операція.

Уже ввечері почесного члена багатьох академій і кавалера орденів багатьох європейських країн чекали кращі зарубіжні клініки. Але Патон «відпустив» урядовий літак і заявив, що операцію йому зроблять в нашій клініці.

Перше питання знаменитого пацієнта після виходу з наркозу було майже професійним: «Як впоралися із завданням? Що робили? »

Дізнавшись, що йому зшивали рани кращими нитками, які можна буде незабаром видалити, Патон раптом сказав: «Такі рани краще б зварювати».

Зрадівши, що пацієнт в стані жартувати, головний хірург запитав: «А де ж взяти апарат, моїм дачним добре зварювати залізо, чудово плавиться метал, але м’ясо, напевно, буде пригорати?

– Ви маєте рацію, дуга – це шість тисяч градусів, але ми придумаємо щось більш підходяще, – пообіцяв Патон.

– Але м’ясо спікається вже при невеликому нагріванні. З давніх часів використовують коагуляцію для зупинки кровотечі. Але я так розумію, що зварювання – це з’єднання, а при такій процедурі зростити або приростити не вийде. Відомо, що для склеювання тканин і кісток розроблено багато сплавів, але поки невдало, ось і продовжуємо зшивати. Можна скріплювати в деяких місцях дужками, але метал погано впливає на живі тканини.

– А як же штир, який Ви вставили в кістку? І шарнір? – поцікавився академік

– З непоганих сплавів, але якби міцніше, як сталь. Але сталь – це залізо, і кров – залізо.

– Зрозуміло, що не годиться. А титан – абсолютно хімічно стійкий, легкий і майже як залізо міцний ракетний сплав, – запропонував Патон.

– Намагалися, і ми, і за кордоном. Поводиться як чужорідне тіло, не зрощується з тканинами. Тому і покриваємо нітридом титану зубні коронки – абсолютна інертність, ніякого впливу, – пояснив хірург.

– Зробимо напилення на титан потрібним сплавом, таким, щоб зрощувався, як потрібно, – пообіцяв Борис Євгенович. На подив лікарів, вже на наступний день Патон доручив заступнику, академіку Володимиру Костянтиновичу Лебедєву, який відвідав його, включити в план «Ефективність пошукових робіт» «медичні» проблеми.

Лікарі могли і не знати, що в Інституті електрозварювання давно навчилися управляти нагрівом металу і пластмас, що особисто Борис Євгенович вперше в світі розробив імпульсну подачу струму, що для електронної техніки приварюють золоті дротики в кілька разів тонші за людську волосину. Розробити і виплавити будь-який сплав, напилити його було реально.

Таким обсягом знань мало хто володів у світі.

К.О. Корнієнко, магістр історичних наук, Інститут електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України

Сьогодні ми пропонуємо вам розповідь самого академіка Б.Є. Патона про нові можливості зварювання у медицині.

Як відомо, зварювання є одним з основних технологічних процесів у провідних галузях промисловості. За прогнозами, ця тенденція збережеться і в майбутньому. Зварювальні технології переможно крокують землею, підводним світом та космосом.

На сьогодні ми можемо впевнено говорити про успішний розвиток наукових досліджень і розробок з застосування зварювання і споріднених технологій у різних областях медицини. Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона (ІЕЗ) спільно з рядом медичних установ України здійснив комплекс досліджень із розробки електричного зварювання м’яких живих тканин; тривають роботи і в інших напрямках застосування зварювання і споріднених технологій у медицині.

Мрія хірургів про можливість швидкого безкровного роз’єднання оперованого органу з мінімальним пошкодженням його тканини та з’єднання розрізу без застосування шовного матеріалу з можливістю відновлення фізіологічних властивостей і збереження функцій оперованого органу реалізована.

Перші експерименти, проведені в 1993 р., показали принципову можливість з’єднання розрізу живої тканини методом зварювання. У 1996 р. для виконання проекту

«Електричне зварювання м’яких живих тканин» був створений колектив фахівців, до складу якого ввійшли вчені й інженери ІЕЗ, Міжнародної асоціації «Зварювання», а також професорський склад і лікарський персонал ряду різнопрофільних інститутів і клінік України.

Ідея і перші успіхи зацікавили американців, тому частину витрат взяла на себе фінансова компанія CSMG.

В Інституті електрозварювання імені Є.О. Патона для проведення експериментів вперше в світі були розроблені спеціальні високочастотні джерела живлення з мікропроцесорною системою управління, біполярні зварювальні інструменти різного типу для отримання якісних зварних з’єднань живої тканини.

Складність розв’язуваної задачі обумовлена тим, що жива тканина –неоднорідна, і різні органи мають різну структуру і властивості. Завдання було складним – домогтися такого енергетичного впливу, щоб зварений шов із часом міг заміщатися повноцінною живою тканиною. Дослідження дозволили встановити, що досягти цього можна тільки за умов дозованого електротермомеханічного впливу на живу тканину.

Спільними зусиллями хірургів та інженерів розроблено близько 50 типів електрохірургічних зварювальних інструментів, які дозволяють виконувати близько 80 видів хірургічних втручань.

Розроблено математичну модель та алгоритм автоматичної системи управління енергетичним блоком. Варіант такої системи управління описаний розробниками в патентах України, Росії, США.

Вона передбачає дві стадії пропускання ВЧ-струму через стиснену тканину. На першій стадії подається напруга, що постійно зростає від нульового значення. Опір тканини при цьому з максимального падає до мінімального значення. У цей час відбувається пробій мембран клітин і підготовка тканини до зварювання. При мінімальному значенні опору тканина готується до зварювання.

За певний короткий час настає друга стадія, коли напруга різко знижується і стабілізується, щоб уникнути перегріву тканини. Друга стадія завершується отриманням зварного з’єднання.

У результаті комплексного впливу на живу тканину утворюється структурне з’єднання молекул зі збереженням здатності до регенерації. Тканина згодом майже повністю відновлюється, тому не залишається рубця, а кровоносні судини за певний час проростають через лінію зварного шва.

Міцність такого з’єднання не поступається природній міцності оперованого органу.

Для досягнення добрих результатів необхідно точно дотримуватися визначених параметрів нагрівання, частоти імпульсів тощо. За цим слідкує автоматична система керування процесом зварювання, а хірург під час операції виконує основне завдання, не відволікаючись на технічні питання.

Численні експериментальні операції на тваринах і видалених людських органах довели ефективність нової технології. Це дало підставу Міністерству охорони здоров’я України видати Свідоцтво про державну реєстрацію зварювального обладнання, розробленого Інститутом електрозварювання, і дозволити його застосування в клінічній медичній практиці.

У даний час зварювання успішно застосовується в загальній хірургії, онкології, гінекології, проктології, урології, травматології, маммології, отоларингології.

Накопичений досвід демонструє значні переваги нової хірургічної технології, зокрема: значне спрощення хірургічного втручання; отримання герметичних, витончених швів, що не деформують оперований орган; скорочення на 30-60%, а іноді й на порядок, тривалості операцій; зменшення на 50-80% крововтрат; відсутність опіків і виділення диму, скорочення часу відновлення фізіологічної функції прооперованого органу.

Не зафіксовано запалень у місці з’єднання, що пояснюється відсутністю у ньому сторонніх матеріалів; значно зменшена тривалість перебування пацієнта в лікарні; скорочуються витрати на медичні препарати й інструменти та обладнання, тому що розроблений комплекс одночасно виконує роз’єднання, зупинку кровотечі і з’єднання тканини.

Ця нова технологія не тільки допомагає хірургу і розширює його можливості, але й полегшує страждання пацієнтів. Особливо ефективна вона за необхідності термінового оперативного втручання.

Ще зовсім недавно відомі хірурги, почувши про те, що зварювання може застосовуватися під час операцій, висловлювали подив. Проте сьогодні зварювальна технологія успішно впроваджується в усе нові й нові галузі хірургії. Цей спосіб запатентований в Україні, Росії, США, Канаді, Європі, Австралії і впроваджений у 65 клініках України, а також провідних клініках Москви і Санкт-Петербурга.

У 2001 році КБ «Південне» та Інститут електрозварювання спільно розробили плазмовий хірургічний комплекс «Плазмамед». Це поклало початок розвитку нової галузі медицини – гіпертермічної хірургії.

На першому етапі була створена апаратура, яка за допомогою струменя низькотемпературної аргонової плазми здатна здійснювати розрізання тканин і зупинення кровотечі всередині рани.

Отримано позитивну медико-технічну оцінку цієї апаратури і розроблено методику плазмового зварювання живих тканин кишечника, шлунку, печінки та селезінки.

Наступним кроком у цьому напрямі стало розроблення ІЕЗ спільно з Національним інститутом хірургії та трансплантології ім. А.А. Шалімова термоструменевого способу й апаратури для зварювання живих тканин.

Цей спосіб відрізняється простотою і доступністю створеної для нього апаратури, а також використанням навколишнього повітря замість аргону.

Його можна застосовувати для обробки гнійних хірургічних ран, профілактики розвитку інфекції в рані, а також для зупинки кровотечі в ній.

Розпочато розробку гіпертермічного методу для знищення злоякісних пухлин, поодиноких метастазів, що є дуже актуальним. Розробки підтверджені патентами України.

Нові, більш досконалі металеві вироби – імпланти – це теж одна з вимог медицини. На жаль, іноді людині потрібно ввести металеву «деталь». Але будь-який метал не витримає існування в тілі людини. Навіть для звичайних зубних пломб застосовують дуже обмежений перелік сплавів.

У світі проводяться мільйони операцій зі стентування судин. Прогнозоване зростання кількості таких операцій становить 20–25% на рік. Застосування цього методу лікування ускладнюється проблемою повернення хвороби – рестенозом.

Одне з вирішень цієї проблеми полягає у створенні спеціальних покриттів для стентів.

В ІЕЗ давно проводяться роботи з пошуку такого складу покриттів, який був би нейтральний для внутрішнього середовища організму людини. Зокрема, такі якості мають цирконій і його сплави.

Покриття наносили методом магнетронного напилення на нержавіючу сталь Х18Н10, яка широко використовується в медицині, зокрема для виготовлення стентів. Товщина покриттів становила 3-5 мкм.

Ефективність застосування магнетронних цирконієвих покриттів оцінювалася за результатами експериментів на живих зразках. Експерименти проводили на кроликах шляхом встановлення під шкіру пластин зазначеної сталі без покриття та з покриттям. Через 8 тижнів пластини витягали з організму і піддавали гістологічному дослідженню. Отримані дані дозволили зробити висновок, що застосування таких покриттів є ефективним і ризик рестенозу знижуватиметься.

Сплави з ефектом пам’яті форми, як відомо, будучи деформованими за низької температури, відновлюють форму під час нагрівання. З усього різноманіття таких сплавів для медичного використання придатні тільки сплави на основі титану та нікелю, що мають високі антикорозійні властивості і необхідні характеристики біоінертності та біосумісності.

Для використання в медицині важливо, щоб відновлення форми відбувалося за температури людського тіла. В той самий час деформацію виробу перед хірургічним застосуванням, наприклад, його витягування, бажано проводити за температури приблизно 10 оС.

Таким умовам відповідають розроблені ІЕЗ нові сплави, які є безпечними для медичного застосування.

Розроблено конструкцію і виготовлено імплантати та інструменти з цих сплавів. Деякі з них пройшли клінічні випробування, а саме:

• екстрактор для видалення каменів або інших перешкод з трубчастих органів людини;
• дужки для з’єднання уламків кісток при операціях опорно-рухового апарату, при черепномозкових і стоматологічних операціях;
• емболи нової форми застосовуються для лікування онкологічних захворювань шляхом переміщення їх кровоносними судинами і закріплення в необхідному за родом захворювання місці;
• стенти нової конструкції з підвищеною жорсткістю в радіальному напрямку і осьової гнучкістю для полегшення проходження кровоносними судинами до місця встановлення. Стент має пористу поверхню для збереження фармакологічних засобів;
• стенти з нітінолу для жовчних проток. Вони є протезами жовчних проток на ділянці, де здійснено видалення пухлини.

Розвиток оперативного лікування захворювань суглобів і травм опорно-рухового апарату з встановленням ендопротезів вимагає все більш широкого застосування металевих імплантатів з покриттям із біокерамічних матеріалів.

У них механічна міцність металевої основи поєднується з біологічними особливостями біокерамічного покриття, що має потрійний позитивний ефект: підвищення швидкості формування кісткової тканини, можливість утворення зв’язку з кісткою і зниження утворення продуктів корозії металу.

В ІЕЗ розроблені оригінальне обладнання і технологія мікроплазмового напилення біокерамічних покриттів.

Це підвищує біосумісність покриттів, сприяє оптимальному протіканню процесу фіксації ендопротеза в організмі та забезпечує надійність його функціонування.

Результати розробок мікроплазмових покриттів для ендопротезування успішно використані в практиці нанесення покриттів на імплантанти для безцементного ендоротезування колінного суглоба і лікування хворих з деякими захворюваннями хребта.

У даний час завершується розробка ендопротеза тазостегнового суглоба нової конструкції з новим типом мікроплазмового покриття.

Нові можливості для медицини надають композиційні матеріали, отримані на основі нанотехнологій.

В ІЕЗ на сьогодні накопичено досвід «конструювання» нових неорганічних матеріалів та покриттів, отримання багатьох однофазних і багатофазних металевих і керамічних конденсатів з широким діапазоном форм і розмірів елементів структури.

Розміри зерен, частинок, фаз, пор, товщини мікрошарів можна варіювати в межах від декількох нанометрів до 5 – 10 мкм. Технології подібного рівня прецизійності відносяться до розряду сучасних нанотехнологій.

Матеріали отримують одночасним незалежним випаровуванням з металу (сплаву) і оксиду з подальшою конденсацією змішаного потоку. Цей підхід може бути застосований для отримання колоїдних систем медичного призначення, наприклад, магнітних рідин.

Ці системи легко отримати, використовуючи спеціальну матрицю, в яку спочатку шляхом випаровування і конденсації були введені наночастинки іншої речовини, що не взаємодіє з матрицею.

В даний час ведуться дослідження можливості застосування магнітних наночастинок для цілеспрямованого транспорту лікарських препаратів до необхідної ділянки живого організму.

Практично всі речовини, випаровувані електронним променем, можна осаджувати у вигляді пористих конденсатів з регульованими розмірами, формами і кількістю часу. Це сорбенти, фільтри, каталізатори, носії каталізаторів і функціональні покриття на поверхні біоімплантатів.

У Міжнародному центрі електроннопроменевих технологій ІЕЗ розроблено і налагоджено виробництво лабораторного, дослідно-промислового і промислового електронно-променевого обладнання для різних варіантів технологічних процесів випаровування і конденсації в вакуумі.

Є всі підстави вважати, що спільні зусилля вчених і фахівців у галузі зварювання та медицини сприятимуть новим великим успіхам у хірургії, діагностиці захворювань, створенні ефективного медичного обладнання та інструментарію, нових матеріалів для протезування, а також необхідних засобів охорони навколишнього середовища.

На закінчення слід зазначити, що зварювання і споріднені процеси були, є і будуть одними з основних технологій у провідних галузях промисловості та медицини.

Б.Є. Патон, академік, Президент Національної академії наук України, директор Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона