Protesi e Neuro protesi bioniche - Tesina

LICEO SCIENTIFICO STATALE “Filippo Lussana”

TESINA DI MATURITA’

“Protesi e Neuro protesi bioniche, tra conquiste attuali e progetti futuri”

Francesco Tranquillo classe 5^G

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conoscenza e l’amicizia della materia, della quale gli scienziati non possono

"Con la noi prepariamo la creazione dell’uomo meccanico

conoscere che le reazioni fisico-chimiche,

dalle parti cambiabili. Noi lo libereremo dall’idea della morte, e quindi dalla morte stessa,

suprema definizione dell’intelligenza logica.”

(da “Manifesto tecnico della letteratura futurista”, F. T. Marinetti, 11 maggio 1912)

Umberto Boccioni

“Forme uniche nella

continuità dello spazio”

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INTRODUZIONE

P ?

ERCHÉ QUESTA TESINA

L’idea di questa tesina di maturità rispecchia quelle che sono le mie caratteristiche e i miei interessi. Ho

sempre avuto una naturale propensione per la scienza e la tecnologia. Queste mie attitudini si sono sempre

più rafforzate nel corso degli anni di liceo, e soprattutto negli ultimi tre, che ho avvertito come veramente

importanti e decisivi per la mia strada. Perché questo argomento? Tutto nasce da una mia visione

positivista per quanto riguarda lo sviluppo tecnologico e le potenzialità umane. Trovo affascinante il concetto

di uomo che cerca di “aggiustarsi”, di perfezionarsi, di migliorare. Un miglioramento che, a parere mio, deve

avere come scopo la salute dell’uomo. Un miglioramento dell’uomo di oggi per permettere alle generazioni

successive di accrescere sempre di più la conoscenza umana e procedere oltre le:

“flammàntia moènia mùndi”

In questa tesina ho deciso di trattare il punto d’incontro tra la mia parte “scientifica”, abituata a ragionamenti

astratti, a numeri, a schemi, e la mia parte “umana”, quella sempre pronta ad aiutare le persone, ad

ascoltare chi ha un problema e ad entrare in empatia con chi soffre. Grazie a questa tesina ho scoperto

anche molto di me stesso. Ho scoperto che la strada che ho percorso in questi cinque lunghi anni, fatta di

interrogazioni e verifiche, di fatica e di sacrifici, è quella giusta. Buona lettura.

P M ?

ERCHÉ ARINETTI

Con la frase riportata nella pagina precedente, Filippo Tommaso Marinetti, conclude il Manifesto tecnico

della letteratura futurista. E’ proprio il Futurismo che incarna al meglio l’idea della mia tesina. L’idea della

“collaborazione” tra l’uomo che, sebbene costituito da ingegno, intuito, e intelligenza non è immune da

malattie e dalla morte, e la macchina, instancabile, dotata di una forza e resistenza superiori. Questa

“collaborazione” la possiamo osservare anche nella vita quotidiana: Quante volte abbiamo visto un anziano

che cammina aiutandosi con un bastone da passeggio? Quante persone esistono che portano gli occhiali?

Che cosa sono questi, se non esempi di integrazione tra uomo e macchina? Consideriamo inoltre, quanti

sono i compiti e i lavori che oggi si svolgono grazie all’uso di computer. Segni inconfondibili di come la

tecnologia è diventata sempre più parte fondamentale della vita umana. Si pensi per esempio al fatto che

oggi, vengono usati tablet e altri dispositivi multimediali, anche in ambito scolastico. Nonostante ciò, non

all’uomo. Pensiamo alle guerre. L’ultima

sempre questa integrazione si esprime in termini vantaggiosi

guerra mondiale per esempio, è stata quella dove vennero utilizzate, per la prima (e si spera ultima) volta,

ordigni nucleari. La tecnologia, è una potente risorsa che contraddistingue l’uomo come specie. Ma è

chiaro, che essa deve essere usata solo a scopo benefico. Non esiste, a parer mio, giustificazione per la

progettazione di armi come quelle nucleari. Con questa mia tesina, voglio dimostrare che la tecnologia,

applicata alla medicina, può portare a grandi cose, e chissà, magari anche a ciò che auspicava Marinetti,

nel lontano 1912. 3

INDICE

Introduzione Storica……………………………………………………5

L’uomo e la macchina. Nervi e circuiti……………………………....6

Rischi, punti critici e benefici di queste tecnologie………………....9

Le protesi dell’apparato visivo: L’Argus II………………………….10

Un esoscheletro per ogni evenienza: il Bleex……………………..13

Protesi trans tibiali, trans femorali e la protesi del ginocchio…….14

“Oscar Pistorius e le cheetas: la fisica dello sport”……………….15

“Di cos’è fatto?”: I materiali biocompatibili………………………….17

“Anche l’occhio vuole la sua parte!”………………………………..19

. Conclusioni, speranze e aspettative………………………………..20

. Webgrafia e bibliografia………………………………………………21

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INTRODUZIONE STORICA: UOMO E TECNOLOGIA

L’idea di applicare la tecnologia al servizio dell’uomo affonda le sue radici fin dagli albori della civiltà, circa

4 milioni di anni fa, prova ne sono i primi utensili e i rudimentali strumenti di caccia costruiti in legno, ossa e

pietra che con il passare dei secoli sono stati sempre più elaborati e trasformati per soddisfare i bisogni e le

necessità dell’uomo. fu l’invenzione della macchina a vapore, in Gran Bretagna alla

Un momento cruciale, successivamente,

quest’ultima si avviò

fine del XVIII secolo. Grazie a un esponenziale sviluppo economico (prima rivoluzione

industriale) che dilagò in tutta Europa e che vide il suo culmine con la seconda rivoluzione industriale agli

inizi del XX secolo. In questo periodo si collocano infatti alcune delle più grandiose e rivoluzionarie scoperte

e invenzioni tecnico-scientifiche come per esempio la lampadina elettrica, il motore a scoppio , i pneumatici,

l’automobile e

il telefono, il grammofono. Strumenti che hanno radicalmente mutato le abitudini , i

comportamenti e i modelli di consumo di centinaia di milioni di uomini.

Negli ultimi decenni dell’ottocento si ampliarono nuove frontiere anche per la medicina. La trasformazione

scientifica della medicina si fondò su quattro cruciali caratteristiche:

 La diffusione di pratiche igieniste e la conseguente adozione di strategie di prevenzione e

contenimento delle malattie epidemiche;

 Lo sviluppo della microscopia ottica che favorì l’identificazione di microrganismi patogeni ;

 Lo sviluppo della farmacologia grazie alla quale si sintetizzarono sostanze in grado di modificare il

corso naturale della malattia;

 La nuova ingegneria sanitaria che rese possibile una nuova sistematicità nell’osservazione e nella

cura del malato ( nascita dei policlinici).

L’ondata di sviluppo della seconda rivoluzione industriale ha dato il via ad un continuo processo di

evoluzione scientifico-tecnologico e socio-economico i cui effetti si riscontrano anche oggi a livello mondiale

soprattutto nei paesi altamente industrializzati. L'intento della mia tesina è quello di fornire una panoramica

del livello tecnologico a cui l'uomo è giunto nel campo della biomeccatronica, e delle neuro protesi,

specializzazioni dell’ingegneria bio-medica. Si tratta di un campo interdisciplinare che unisce biologia,

l’integrazione

neuroscienze, meccanica, elettronica e robotica. La biomeccatronica è, in brevis, tra l'uomo e

“fusione”

la tecnologia. Questa viene tradotta in dispositivi meccanici che interagiscono con i muscoli umani,

con l’obiettivo di assistere o migliorare il controllo motorio umano che può

le ossa e il sistema nervoso

essere perso o ridotto a causa di un trauma , di una malattia o di un difetto di nascita.

Più specifiche sono le neuro protesi, ovvero protesi che sono connesse al sistema nervoso umano e che

riparano danni agli organi di senso. Il sistema cocleare, o orecchio bionico, è infatti un impianto installato ai

portatori di sordità profonda o congenita, ed è uno degli esempi più famosi di neuro protesi. Le ultime

ricerche si muovono anche nel campo dello sviluppo dell'occhio bionico, con l'intento di far recuperare la

vista a persone cieche. 5

COLLEGARE UOMO E MACCHINA: NERVI E CIRCUITI

Le più diffuse protesi per arti superiori, sono meccanismi dotati di leve e fili metallici che permettono di recuperare

l’abilità prensile dell’arto, seppur limitandone di molto i movimenti e rendendone difficile la “convivenza”. Un esempio è

la pierce hand nell’immagine in basso. Nonostante tutto, medici e ingegneri si stanno

sempre più occupando di costruire protesi di

braccia bioniche (collegate al sistema nervoso)

che possano ripristinare nella quasi totalità le

funzionalità perse in seguito ad un trauma o ad

un’amputazione. Tuttavia questo è un compito

particolarmente complesso. La maggiore

complessità sta proprio nel collegare i nervi

amputati, ai circuiti elettrici delle protesi

sostanzialmente per due motivi:

Innanzitutto, nervi e fili elettrici trasmettono

segnali differenti: infatti, mentre i primi

trasmettono segnali elettrici grazie ad un

meccanismo di depolarizzazione della

membrana cellulare, facendo intervenire anche

segnali di natura chimica tra le sinapsi, un

dispositivo elettrico si basa su un flusso di elettroni

che attraversa materiali conduttori o semiconduttori.

Bisogna anche considerare che l’inserimento di

determinati materiali all’interno del corpo umano, può essere gravoso nei confronti del paziente in quanto essi

possono essere considerati dei corpi estranei dal sistema immunitario che, per difendersi scatena attacchi

producendo tessuti cicatriziali. Questi ultimi avvolgerebbero i materiali inseriti impedendone il corretto funzionamento.

Tuttavia, i progressi ottenuti nell’ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie, hanno aperto la strada verso altre

“modalità di collegamento” tra l’uomo e la macchina che permettano di utilizzare contemporaneamente segnali

sensoriali e motori. Cosa vuol dire questo? Per rispondere, bisogna far riferimento ad un particolare senso noto come

propriocezione. La propriocezione è la consapevolezza di dove si trovano nello spazio e in relazione una con l’altra le

Essa è quindi il prodotto dell’azione combinata di questi

diverse parti del proprio corpo senza necessità di guardarle.

segnali motori e sensoriali grazie ai quali il cervello riceve un feedback e organizza al meglio la quantità di fibre

muscolari effettivamente necessarie a compiere un movimento. Senza propriocezione, gesti quotidiani e a prima vista

semplici, come scrivere, sono quasi impossibili da compiere. Fino ad oggi sono state sviluppate diverse protesi che

sfruttano i segnali motori per migliorare il controllo motorio. L’obiettivo rimane quindi quello di interconnettere il

in modo sostanziale le funzionalità sensoriali dell’arto, consentendo

sistema nervoso e protesi in modo da ripristinare

una comunicazione bidirezionale delle informazioni sia sensoriali che motorie. In parole povere si cerca di progettare

dei ponti neuro-meccanici grazie ai quali le protesi installate verrebbero controllate tramite il pensiero e percepite

come reali. 6

Importanti passi avanti da questo punto di vista sono stati conseguiti da Todd Kuiken e dalla sua geniale

invenzione, la TMR. “We talk with our hands, we

greet with our hands, and we

interact with the physical world

with our hands. When they’re

missing, it’s a barrier.”

muscolare mirata (“Targeted consiste

La tecnica di Kuiken, chiamata reinnervazione muscle reinnervation”),

nell’utilizzare i muscoli toracici come “ponte vivente” fra il moncone di un arto e i circuiti elettrici di una

protesi.

Lo scienziato ha collegato gli assoni motori che confluivano nel braccio, ai muscoli toracici superficiali. Così

facendo, comandi dal cervello che avevano come obiettivo quello di muovere il braccio, ora contraggono i

muscoli toracici. A questo punto, Kuiken ha disposto degli elettrodi sulla pelle del torace che registrano

l’attività elettrica dei muscoli che si contraggono, inviando a loro volta segnali ai circuiti elettrici della protesi,

indicando i movimenti desiderati. Per esempio, pensare di afferrare una matita, determina uno specifico