luni, 9 iunie 2014

Organe umane construite la imprimanta 3D




 „90% dintre pacientii de pe lista de transplant sunt  în așteptare pentru un rinichi. Pacientii mor în fiecare zi, pentru că nu avem suficiente  organe» spune dr A. Atala.

Anthony Atala, MD, este director al Wake Forest Institutul de Medicina regenerativa, și Boyce profesor WH si presedinte al Departamentului de Urologie de la Wake Forest Baptist Medical Center - Universitatea Wake Forest.   Dr. Atala este un chirurg practicant si un cercetator in domeniul medicina regenerativa.  Activitatea sa actuala se concentreaza pe crestere de noi celule umane, tesuturi si organe. Dr. Atala conduce o echipa de aproximativ 300 de medici si cercetatori.   Zece aplicații de tehnologii dezvoltate in laboratorale  Dr. Atala au fost utilizate clinic.

Acum, el se foloseste de imprimante cu jet de cerneală în care celulele înlocuiesc cerneala; strat cu strat, un obiect 3D poate fi tipărit în 40 de minute, cum ar fi o bucată de os implantat la un pacient real.
El descrie modul în care aceste scanări reconstruiesc întregul volum al unui rinichi al  unui  pacient personalizat.  Ingineria furnizează înlocuitori pentru corp , iar aceste informații sunt procesate pentru a crea scanari de straturi unice, la fel ca feliile de la un RMN. Aceste scanari devin instrucțiunile cu modul în care straturile de celule sunt de imprimat pentru a genera rinichii unui anumit pacient. Un rinichi bioengineered, ca produs  finit, are aspectul unui piept de pui crud, dar de fapt  aceasta este facut din celule umane reale.

Acum se  caută  noi tehnologii pentru a restabili tesutului functional si aceasta e posibil datorită  a trei evoluții în domeniu.  În primul rând, dr Atala  a mentionat  proiectarea de biomateriale potrivite pentru inginerie de organe. Biomateriale sunt importante, deoarece ele sunt modelate într-o schela 3D, care este apoi acoperită la un moment dat cu cu un strat de celule reale ale pacientului pentru a reconstrui organ. În al doilea rând, el a menţionat tehnologia xare este folosită pentru  dificila  creaştere de  celule umane in afara corpului;  numeroase progrese au făcut acest lucru banal pentru cele mai multe celule, cu câteva excepții notabile, inclusiv ficat, pancreas, și celulele nervoase. În cele din urmă, Dr. Atala a declarat că una dintre cele mai mari provocări în bioinginerie a fost recrearea vascularizării organelor, dar noi tehnici de fabricatie cu biomateriale permite vascularizarea pentru organele  care urmează să fie construite.

Dr Atala are o  viziune de viitor, în care noi imprimante 3D pot fi proiectate în cazul în care un scaner ar crea mai întâi o hartă în relief a rănii unui pacient și apoi  imprimarea se va face direct pe pacient pentru a construi straturi de tesut regenerat. 


Proiect medical revolutionar: Inima umana ar putea fi obtinuta la imprimanta 3D  
Dupa ce oamenii de stiinta au revolutionat domeniul medical prin realizarea venelor, valvelor sau urechilor umane la imprimanta 3D, acestia incearca un proiect mai ambitios : obtinerea primei inimi umane printate prin aceeasi metoda.
Cercetatorii americani de la Universitatea din LouisVille, Kentucky, SUA, au inceput deja demersurile pentru printarea primei inimi umane la imprimanta 3D, proiect care ar putea revolutiona domeniul transplantului de organe.
Inima obtinuta cu ajutorul imprimantei 3D va fi bioficiala, anunta cercetatorii, ceea ce inseamna ca va fi jumatate naturala, jumatate artificiala. Principala provocare a oamenilor de stiinta este sa faca celulele printate sa functioneze impreuna, ca intr-o inima umana, iar apoi, sa descopere o metoda de a oxigena organul dupa printare.
Cu toate acestea, expertii sunt increzatori in sansele proiectului si spera ca, peste cativa ani, sa realizeze primele transplanturi umane cu acest organ printat la pacienti umani care au nevoie de o inima noua.

Ideile pentru utilizarea tehnologiei pentru imprimare 3D sunt, dupa cum se pare, nelimitate.  Un start-up din San Diego a reușit  să printeze un ficat. Organul a fost realizat folosind straturi de celule care se regăsesc și într-un organ uman. Experimentul lor a fost declarat un succes, din moment ce organul a supraviețuit timp de 40 de zile. 
Organovo este o firmă din San Diego specializată pe bioprintarea ţesuturilor umane, care plănuieşte să utilizeze această tehnologie pentru a crea, până la finele anului 2014, un ficat printat 3D. Compania a declarat într-un interviu acordat site-ului ComputerWorld că a reuşit să depăşească un mare obstacol în ceea ce priveşte crearea unui sistem vascular capabil să asigure unor astfel de organe oxigenul şi nutrienţii ce le sunt absolut vitali.

Ficatul pe care Organovo urmează să îl creeze nu va fi adecvat pentru realizarea transplanturilor, dar va fi totuşi extrem de util pentru cercetări ştiinţifice şi pentru testarea medicamentelor, lucru ce ar putea, pe de o parte, elimina definitiv controversatele practici de testare pe animale şi, pe de altă parte, ar putea reduce semnificativ costurile astronomice ale testării de medicamente. Însă dacă ştiinţa a ajuns până aici, putem spera ca pe viitor să fie rezolvată şi problema transplanturilor de organe.


In România, la Cluj-Napoca, Clinica de chirurgie maxilo-facială şi Universitatea Tehnică au au  o cooperare pentru efectuarea de transplanturi de organe constituite din compoziţie de titan, îndeosebi oase. 
Au în curs cercetări privind realizarea de implanturi specializate cu celule dela pacienţi.

Fractali

1. Introducere

Istoria fractalilor nu este lungă. A început brusc, în 1975, cu lucrarea revoluţionară a matematicianului Benoit Mandelbrot, "O teorie a seriilor fractale", care mai târziu a devenit cartea sa manifest "Geometria fractală a naturii". Mandelbrot a inventat cuvântul "fractal" pentru a reuni munca multora dinaintea sa.

1.1. Primii fractali

Matematicieni ca Waclaw Sierpinski, David Hilbert, George Cantor şi Helge von Koch au creat primii fractali, în general ca exerciţii abstracte, neavînd nici o idee despre semnificaţia lor. Mulţi dintre ei considerau aceste forme patologice, dizgraţioase sau chiar dezgustătoare. Ce şocaţi ar fi acum să afle că sunt mai cunoscuţi tocmai prin acele forme care i-au îngrozit mai mult. Câţiva dintre aceşti pionieri aveau motive întemeiate pentru dezgustul lor, pentru aceste "aberaţii" geometrice. Ei au simţit că descoperiseră ceva ce sfida şi ameninţa câteva din convingerile cele mai preţioase. O evaluare ulterioară ne arată că perioada lor (aproximativ 1875-1925) era de fapt o perioadă de criză în matematică. Iar şi iar, matematicienii dădeau peste forme bizare care intrau în contradicţie cu viziunea lor despre spaţiu, suprafaţă, distanţă şi dimensiune.

1.2. Definiţia fractalilor

În 1982, Mandelbrot şi-a extins două eseuri anterioare, creînd lucrarea deschizătoare de drumuri "Geometria fractală a naturii". El a inventat cuvântul "fractal" (din latinescul "frangere" care înseamnă "a sparge în fragmente neregulate"), astfel încât inversele forme au putut fi unificate sub un singur nume. Pentru a fi clasificată oficial ca fractal, o formă trebuie să aibă dimensiunea Hausdorff-Besicovitch mai mare decât dimensiunea sa topologică tradiţională. Pe scurt, fractalii sunt toate acele ciudăţenii care umplu spaţiul şi pe care matematicienii le abandonaseră ca fiind dezarmant de complexe. Mandelbrot nota patetic: "deoarece cuvântul algebra derivă din cuvântul arab jabara (a lega împreună), între cuvintele fractal şi algebră este o contradicţie etimologică".

1.3. Geometria fractală

Benoit Mandelbrot şi-a întemeiat geometria fractală bazându-se în principal pe simularea sa încununată de succes a tendinţei preţurilor bunurilor de consum, iar analiza pieţii rămâne una din cele mai atrăgătoare aplicaţii ale geometriei fractale. Piatra Filosofică a oricărui analist al pieţii este, desigur, să precizeze comportarea preţurilor cu destulă exactitate pentru a se umple de bani cât mai repede. Dacă cineva a pus mâna pe aceasta Piatră, probabil că îşi foloseşte câteva din miliardele sale pentru a-şi apăra secretul. În domeniul pieţii, ca şi în alte domenii în care fractalii şi haosul dau rezultatele, rareori se dovedesc atât de folositori pentru prezicere, pe cât sunt pentru simulare.

1.4. Simularea fractală

Simularea fractală poate modela şi prezice natura general statistică a unui sistem, fără să-i prevadă comportarea specifică într-un anumit moment. De exemplu, simulările din 1953 ale lui Mandelbrot asupra preţului bumbacului continuau sa prezică cu exactitate cantitatea de variaţie din preţul bumbacului, atât lunară cât şi anuală. Totuşi, ele nici măcar nu pot pretinde cât ne indică preţul bumbacului în 2002.

2. Exemple de fractali

Prin anii 1980, grafica pe calculator a progresat într-atât încât forme ca "Linia de coastă Koch" şi "Covorul lui Sierpinski" puteau fi reprezentate cu detalii explicite. "Geometria fractală a naturii" era o galerie a acestora şi a altor forme geometrice, dintre care multe nu fuseseră văzute niciodată. Multe dintre ele erau simple automate celulare în care fiecare linie era transformată repetat în linii mai mici. După ce a lucrat o perioadă cu fractalii "naturali" auto-reflectivi, Mandelbrot a descoperit că procesele iterative similare pot produce construcţii matematice abstracte cum ar fi faimoasa "serie Mandelbrot" şi "seria Julia". Ca şi alţi fractali, aceste serii au fost descoperite cu mult înainte de Mandelbrot, dar erau atât de complexe încât necesitau calculatoare puternice pentru a le cerceta şi vizualiza.
Unul dintre primii şi cei mai faimoşi fractali matematici a fost inventat de un astronom. La începutul anilor 1960, Michel Hanon de la Observatorul din Nisa, în Franţa, a observat o comportare tulburătoare într-un simplu model al stelelor care orbitează într-o galaxie. Câteva dintre orbite erau line şi stabile, în timp ce altele păreau aproape aleatoare. La început, el şi colegii lui au ignorat pur şi simplu orbitele anormale presupunînd că ele apar datorită unor erori de calcul inexplicabile. În cele din urmă, Henon a descoperit că acest tip de comportare haotică era o parte esenţială a dinamicii orbitelor stelare.

2.1. Fractalii ca o artă

Chiar înainte ca fractalii să fie larg acceptaţi ca matematică adevărată, imaginile pe care ei le produceau au devenit foarte populare. Matematicienii artişti, cum ar fi Richard Voss, Greg Turk şi Alan Norton au perfecţionat procedurile de bază ale lui Mandelbrot pentru a creea peisaje uimitoare, atât realiste cât şi abstracte. Brusca revenire a matematicii ca artă a fost mult întârziată. Ştiinţa şi matematicile secolelor al XIX-lea şi al XX-lea pierduseră legătura cu vizualul şi intuitivul. Teoriile moderne, ca relativitatea şi mecanica cuantică, sunt frumoase şi elegante dar trebuie să fii un Albert Einstein sau Erwin Schrodiger pentru a le aprecia frumuseţea. Pe de altă parte, atât nespecialiştii cât şi matematicienii pot aprecia chiar şi cea mai abstractă imagine fractală.

2.2. Fractalii şi ştiinţa

În timp ce fractalii câştigau toate premiile la expoziţiile de grafică pe calculator, aproape toate disciplinele ştiinţifice descopereau frumoasele lor modele haotice. Fizicienii, trasînd grafic starea particulelor, găseau tulburătoare opere de artă apărînd pe imprimantele lor. Biologii şi psihologii diagnostichează "boli dinamice", care apar când ritmurile fractale devin desincronizate. Seismologii chiar au descoperit valuri fractale care străbat scoarţa terestră. Meteorologii, economiştii, chimiştii, hidrologii şi aproape toate ramurile inginereşti se întâlneau cu forme care erau mult mai frumoase decat previzibile.
În anii 1980, fractalii răsăreau din fiecare ecuaţie sau procedură binecunoscută, de la metoda lui Newton până la banala funcţie cosinus. La începutul anilor 1980, matematicianul Michel Barsley s-a alăturat rândurilor mereu crescînde de "fractalieri". Când era copil, Michel a fost fascinat în mod deosebit de anumite ferigi. Nu a putut stabili exact ce conferea ferigilor frumuseţea lor magică decât mulţi ani mai târziu. Observând modul în care fiecare frunză se aseamană cu întreagul, el a scris un program simplu pe calculator pentru a modela aceste caracteristici. Imaginea rezultată era mult mai reală decât s-a aşteptat şi a devenit în curând unul dintre cei mai faimoşi fractali in lume.

Barnsley a continuat să dezvolte o metoda nouă, unică, de desenare a fractalilor: "Jocul Haosului". Chiar şi mai important, în 1985, Barnsley şi John Elton au demonstrat că orice imagine din lume poate fi reprezentată cu ajutorul unei binecunoscute categorii de fractali. Acesta era un pas uriaş înainte pentru o comunitate intelectuală inundată de fractali, dar căreia îi lipsea un sistem inteligibil pentru reprezentarea lor. O tehnică creea mulţi fractali, alta pornea automate celulare şi o alta simula înregistrările grafice ale cutremurelor, iar o tehnică diferită era necesară pentru a realiza minunatele vârtejuri şi focalizări. Barnsley şi Elton au prevăzut metoda unică şi simplă de realizare a aproape tuturor imaginilor auto-reflective, incluzînd şi toate imaginile despre care nimeni nu se gândise că ar fi auto-reflective.

Energetica şi fractalii

Sinergetica încearcă în mod sistematic să găsească reguli din care să reiasă faptul că ordinea se stabileşte (răsare) în procesele complexe. Imaginile sunt părţi integrante ale acestei tradiţii care reflectă ordinea şi haosul în competiţia lor pentru a coexista. Imaginile arată tranziţia de la una la cealaltă şi cât de complexă este această zonă de tranziţie. Chiar dacă imaginile relevă frumuseţea acestor regiuni de tranziţie, totodată ele reprezintă o încercare de a răspunde la întrebarea centrală:
În regiunile de graniţă are loc trecerea de la o formă de existenţă la alta: de la ordine la dezordine, de la starea magnetică la starea non-magnetică sau cum pot fi interpretate entităţile care se întâlnesc la limită.
Imaginile reprezintă procese care sunt, desigur, idealizări simplificate ale realităţii. Principiul părţii asemănătoare cu întregul (principiul auto-asemănării) este cuprins şi realizat aproximativ în natură: în liniile de coastă, albiile fluviilor, formaţiunile noroase, copaci, în curgerea tumultuoasă a lichidelor şi în organizarea ierarhică a sistemelor vii. Benoit Mandelbrot a fost cel care "ne-a deschis ochii" pentru a observa geometria fractală a naturii. Procesele care produc astfel de structuri au fost situate mult timp în matematică şi fizică. Ele sunt simple "procese de feed-back" în care aceeaşi operaţie este efectuată în mod repetat, producţia unei repetiţii fiind modul de pornire al repetiţiei următoare.
Fractalii se află peste tot în jurul nostru, luând forma unui lanţ muntos sau se regăsesc în unduirea liniei de ţărm. Ca şi formaţiunile noroase şi focurile licărind, unii fractali suferă schimbări continue, în timp ce alţii, cum ar fi copacii sau sistemul vascular omenesc, reţin structura pe care au căpătat-o în evoluţia lor. Conceptul matematic de "fractal" caracterizează obiecte cu o diversă gamă de structură şi care astfel reflectă principiul ierarhic de organizare. Obiectele fractale nu îşi schimbă forma în mod semnificativ când sunt observate la microscop. În 1980, Mandelbrot a găsit un principiu ce organizează un întreg univers de structuri asemănătoare cu întregul într-o manieră neaşteptată.

3.2. Ştiinţa şi arta

Ştiinţa şi arta: două modalităţi complementare de exprimare a lumii naturale - una analitică, cealaltă intuitivă. Ne-am obişnuit să le vedem ca fiind poli opuşi şi totuşi:
  • Depind Ştiinţa şi Arta una de cealaltă?
Gânditorul, încercînd să penetreze fenomenul natural cu înţelegerea sa, caută să reducă complexitatea la câteva legi fundamentale. Nu este tot el visătorul, aruncîndu-se în bogăţia de forme şi văzîndu-se ca parte integrantă a eternului joc al evenimentelor naturale? Ca şi când ele s-au simţit limitate într-un singur suflet, mintea artei şi mintea ştiinţei s-au despărţit: un Faust a devenit două jumătăţi - fiinţe dimesionale. Divergenţa pare ireversibilă şi ceea ce ambele laturi au promovat împreună în timpul iluminismului a devenit acum fără fundament ştiinţific.
Raţionalitatea rece a ştiinţei şi tehnologiei a pătruns şi transformat lumea în aşa fel încât ar putea distruge viaţa. Inspiraţia artei poate doar răspunde neputincios, cu amărăciune. Nu mai este suficient să descoperi legi de bază şi să înţelegi cum funcţionează lumea "în principiu". Devine din ce în ce mai importantă scoaterea în evidenţă a modelelor în care aceste principii se arată în realitate. Mai mult decât legi fundamentale operează în ceea ce este de fapt. Sunt luate decizii ale căror consecinţe nu pot fi prevăzute, deoarece fiecare decizie are caracterul unei amplificaţii. Cunoaşterea creşte din lupta pentru a afla elementele esenţiale şi a le prezenta într-o "coajă de nucă".

3.3. Concluzii deschise

Nimeni nu ştie cu siguranţă cum răsar spiralele şi ramurile din seriile Manderlbot şi Julia din simple ecuaţii neliniare şi nici de ce urmăresc ele atât de aproape modelele arhetipale ale naturii. Aceste teme sunt în prim-planul cercetării matematice şi ştiinţifice actuale. Când o serie de ecuaţii este lăsată în seama propriilor sale iteraţii întortocheate, matematica însăşi pare să găsească plăcere în poezia vizuală naturalistă. Încă din cele mai vechi timpuri, ordinea clară a matematicii a fost într-o poziţie făţişă faţă de haosul care nu ţine cont de nici o regulă a naturii. Totuşi, matematicienii au fost întotdeaua încântaţi de natură şi au încercat să imite modelele naturale. În prezent, profunda şi deseori misterioasa legătură dintre aceste două domenii pare să devină brusc mai strânsă.
Oamenii de ştiinţă sunt prinşi în mijlocul acestei interacţiuni dintre raţiune şi observaţie. De aici, ei au obţinut noi instrumente puternice pentru a modela aproape toate fenomenele naturale. De asemenea, ei trebuie să facă faţă provocării stârnite de asimilarea unei noi viziuni asupra Universului şi căderea în desuetudine a multor tipare de gândire îngrădite.