Biyomühendislik ve klinik operasyonlar için gezegen habitatları: Derin uzay araştırmaları sırasında doku onarımı ve araştırma ihtiyacını ele almak

Son teknolojik gelişmeler ve 16 Kasım’da Artemis I’in ilk aşamasının lansmanıinci 2022, Ay’a insan dönüşünü ve Mars’a ilk insanlı görevi giderek daha mümkün kılıyor. NASA tarafından 2022’de detaylandırılan en son planlar, Ay’da insan liderliğindeki uluslararası bir keşif kampanyasına izin vermek için entegre, çok sistemli bir yaklaşıma olan ihtiyacı vurguladı ve aynı zamanda güvenli bir dönüş sağlayan Mars görevi için bir test ortamı olarak. dünyaya. Temel bilimsel hedefler, kısa ve uzun süreli görevler sırasında insan fizyolojisi ve hastalıkları üzerindeki biyolojik etkilerin anlaşılmasına yardımcı olmak için tasarlanmış yaşam bilimlerinde bir deney paketini kolaylaştıracak ve aynı zamanda yeni kazanımlar elde edecek olan Ay’ın Güney Kutbu’nda bir laboratuvarın kurulmasıdır. Sistem geliştirmeye rehberlik edecek bilimsel bilgiler. Son olarak, bu ortamlarda mürettebat sağlığını izleyecek ve tıbbi bakım sağlayacak teknolojiler için bir gereksinim belirlendi.

Bununla birlikte, insan fizyolojisi, Dünya’daki yerçekimi ortamına büyük ölçüde uyarlanmıştır ve bu uyaranın -düşük Dünya yörüngesinde- yokluğu veya -Ay veya Mars gibi bir gezegen ortamındaki azalma- kısa süreli konaklamalarda bile derin etkilere sahip olabilir. En ani değişikliklerden bazıları kardiyovasküler sistemde (sıvının vücudun üst kısmına kaymasından kaynaklanır) ve aynı zamanda yerçekimi kuvvetine karşı koymak için uyarlanmış kas ve iskelet bölgelerindeki doku kütlesi ve yapısındaki hızlı azalmadır. ayakta durmak veya hareket etmek.

Bununla birlikte, bu gök cisimleri üzerinde bir varlığın sürdürülmesi, uzun süreli kalışlar gerektirecektir. Bu süre zarfında doku kütlesi ve yapısındaki kayıp, mevcut bilgilere göre, azaltılmış yerçekiminde harcanan daha uzun sürelerle orantılı olarak artması muhtemeldir. Doku bozulması, kısmi yerçekiminin varlığıyla yavaşlasa da (Ay ve Mars, Dünya’nın yerçekiminin yaklaşık altıda biri ve üçte birine sahiptir), transfer döneminde iskelet kütlesi kaybı ve demineralizasyonun hasar riskini artırması mümkündür. Mars’a indikten kısa bir süre sonra. Bu, klinik olarak temel iskelet bölgelerinde doku kaybı olarak kendini gösterecek, kemik kırılganlığını artıracak ve dönüşte yeniden giriş kuvvetlerine dayanma kabiliyetini potansiyel olarak tehlikeye atacaktır. İskelet bütünlüğünü korumak, yüzey ve araç dışı operasyonlar gibi her türlü mekanik görevi gerçekleştirmek için de önemlidir. Varışta, bir üssün kurulması, inşaat sırasında ağırlıkların ve ekipmanların kaldırılmasını ve hareket ettirilmesini gerektirecektir.

Egzersiz, negatif basınç uygulaması ve diyet takviyeleri gibi bir dizi karşı önlem, son on yıllarda uzay görevlerine dahil edilmiş olsa da, değişen başarı düzeyleriyle, yerinde doku ve organ hasarını hafifletme hususları kısa vadede eşit derecede önemlidir. dönemdir ve eş zamanlı olarak değerlendirilmesi gerekir. Bu, doku yırtılması ve yerinden çıkması, kemik kırıkları, cilt yanıkları, aşınma veya yırtılmalar, tendon/bağ yırtıkları ve kan kaybı gibi klinik bağlamlar için özellikle önemlidir. Uzayda bildirilen doku hasarı durumlarından bazıları, hem cilt hem de mukoza zarlarında meydana gelen küçük travmatik yaralanmaları içermekte olup, birçoğu modüller arasında geçiş sırasında el yaralanmalarını, dirençli egzersizi ve araç dışı aktivite bileşenlerini içermektedir. Bununla birlikte, derin uzay keşfi ve uzun süreli uzay uçuşu sırasında büyük bir travma güçlü bir olasılıktır.

Otonom tıbbi desteğe geçiş

Alçak Dünya yörüngesinden daha uzaktaki yaşam alanları, acil durum tipi durumlarda Dünya’dan malzeme veya yardım almaktan büyük olasılıkla faydalanmayacaktır. Ayrıca Mars ve Dünya arasında gezegen konumlarına bağlı olarak 5-20 dakika arasında değişebilen önemli bir iletişim gecikmesi vardır. Bu nedenle, acilen uzman tıbbi desteğin gerekli olacağı durumlarda mürettebatın aralıklı iletişimlere güvenmesi pek olası değildir. Bu nedenle, özellikle önemli travma veya yaralanmalar olmak üzere hasarı azaltacak tesislerin sahada mevcut olması elzem olacaktır. Normal klinik koşullar altında, doku rekonstrüksiyonu veya replasmanı, metalik implantlar ve deproteinize edilmiş ksenogreftlerden bozulan dokuyu değiştirmek üzere özelleştirilebilen doku mühendisliği yapılmış otolog hücre içeren matrislere kadar değişen tıbbi ve biyomühendislik çözümlerinin bir kombinasyonu kullanılarak gerçekleştirilir.

Fizyolojik zorlukları ve tıbbi acil durumları ele almak için derin uzay biyomedikal yaşam alanı inşa etmek

Mürettebatın, küçük yırtıklardan ciddi acil durumlara kadar çok çeşitli sağlık sorunlarının üstesinden gelmek için özel tıbbi-cerrahi eğitime ek olarak, sürdürülebilir bir doku ikamesi kaynağına, biyokimyasal yapı iskelelerine, hemostatik maddelere veya diş dolgu maddeleri gibi biyomateryallere erişmesi gerekecektir. . Fonksiyonun hızlı bir şekilde geri kazanılması ihtiyacı, bir tür doku replasmanının/analoğunun uygun bir zamanda yerinde geliştirilmesi, kısa bir süre sonra yaralı bölgeye implante edilmesi veya uygulanması veya olduğu gibi (biyolojik implantlar söz konusu olduğunda) inkübe edilmesi gerektiği anlamına gelir. istenen bir morfoloji/olgunlaşma aşaması elde edilene kadar tipik prosedürler.

Onarım ve yeniden inşa süreci, uzay donanımı açısından güvenlik ve verimliliği sürdürülebilirlik ve pratiklikle eşleştirmek zorunda olan özel ekipman ve hususlar gerektirecektir. Ayrıca, bu biyolojik-cerrahi-rehabilitasyon tesislerinin birçok operasyonel faktör nedeniyle birbirine yakın konumlandırılması gerekecektir.

Habitat tasarım hususları

Kağıt (Iordachescu et al., 2023), biyomedikal ve klinik operasyonları destekleyecek ve hem doku ikamesi gelişimine (hücresiz ve hücresel) hem de cerrahi müdahalelere ve ayrıca iyileşmeye izin verecek çok modüllü bir habitatın gereksinimlerinin kapsamlı bir değerlendirmesini sağlar. Bu makale, çalışmada ele alınan konuların önemli noktalarını sunar.

Biyomühendislik ve klinik bir bakış açısıyla, kısa vadede, derin uzaydaki acil durumları yönetmek için (2030-2035) kısa vadede, uygun matrislerin dökümünü ve elle karıştırılmasını içeren geleneksel doku rekonstrüksiyon metodolojilerinin kullanılması muhtemeldir. bir uzay uçuşu senaryosunda uygulamak. Cerrahi rekonstrüksiyon seçenekleri başlangıçta, küçük otogreftlerin izolasyonu ve yaralı bölgeye transferinin yanı sıra aselüler, doğal geometri ve biyokimya ile (2040’lar boyunca) fiziksel olarak işlenmiş yapı iskelelerine odaklanacaktır. İlerleyen yıllarda doku mühendisliği ve 3D biyofabrikasyon teknolojilerinin daha da gelişmesiyle, izole bir ortamda (2040’lar-2050’ler) daha karmaşık, kişiselleştirilmiş dokular ve nihayetinde organ benzeri yapılar üretilebilir (Şekil 1). Biyomühendislik ürünü organlar şu anda geliştirmenin erken aşamalarındadır ve rejeneratif tıbbın aksine karmaşık araştırma platformları olarak kullanım için ilk görev aşamalarında gerekli olacaktır. Bu platformlar, çevresel koşulların doku mimarisi ve organ fonksiyonları üzerindeki etkilerine yönelik translasyonel araştırmaları içerir. basitleştirilmiş sürümlerini temsil ederken in vivo doku mimarisi ve biyokimyanın birçok yönünü özetleyebilirler; bu, biyomühendislik araştırmaları için idealdir ve gerekli Ay ve Mars görev zaman dilimlerinde uygulanabilir.

Şekil 1. Önümüzdeki on yıllar boyunca gezegen habitatlarında gerekli (biyo)tıbbi faaliyetlerin bir zaman çizelgesi.

Biyofabrikasyon, tasarlanmış dokular da dahil olmak üzere gerekli parçaların faydalı zamanda üretilmesine izin vererek, uzayda imalat için temel bir olanak sağlayan teknoloji olarak kabul edilir. Bununla birlikte, dokuların biyofabrikasyonu hala gelişimin ilk aşamalarındadır ve ayrıca, zorlu bir yerçekimi ortamında karmaşık veya büyük ölçekli dokuların oluşturulması, özellikle arayüzlerde yapıların hareketini ve başarısızlığını önlemek için bir tür destek matrisi gerektirecektir. Azaltılmış yerçekiminde bütünlüğü koruyabilen yapılar üretme yeteneği bu süreç için esastır, bu nedenle doku mühendisliğinde giderek artan bir şekilde kullanılan polimerik sıvı jel banyoları gibi destek matrislerine neden ihtiyaç duyulacaktır.şekil 2). Bunlar, hipogravite bir ortamda geleneksel biyofabrikasyona yardımcı olacak, geçici bir destek matrisi görevi görecek, bu da şablonun uzamsal birikmesine izin verirken, baskının etrafında kendi kendini iyileştirecek ve yapıların kolayca kurtarılabileceği bir askıya alma matrisi görevi görecektir.

Şekil 2. Doku benzeri yapıların askıya alınmış üretimi de dahil olmak üzere doku/biyo-mühendislik modülü içindeki işlemler.

Ameliyathane ve cerrahi alet tasarımının da birlikte değerlendirilmesi ve bu gezegenlerin zorlu yerçekimi koşullarına uyarlanması gerekecektir. Sıvı tutma kiti, operasyon sırasında hastanın düşmesini/sürünmesini önlemek için kısıtlama ekipmanı, cerrahi alet uyarlaması ve sonuçları değerlendirmek için X-ışını/Ultrasonografi kitinin entegrasyonu gibi hususlar kritik olacaktır.

Son olarak, yerel kaynakların işlenmesi, laboratuvar ve tıbbi altyapı oluşturmak için anahtar olacaktır. Özellikle Ay ve Mars, laboratuvara özgü reaktifler ve aletler üretmek için çıkarılabilen veya faydalı ürünlere dönüştürülebilen çeşitli biçimlerde bol miktarda kaynak içerir.

Operasyonel bir bakış açısıyla, bir gezegen yüzeyinde böylesine kritik bir habitatın inşasıyla ilgili ana zorluklardan biri, önemli yapılara önemli ölçüde zarar verebilecek önemli kozmik radyasyonun yanı sıra düşen mikro göktaşları ve daha büyük nesnelere maruz kalmaktır. Bu nedenle, ay mağaraları veya geniş Mars yeraltı pirolitleri gibi ek jeolojik ortamlar, koruma için olası bir seçenek olabilir. Örneğin Mars, önceki volkanik aktiviteyi takiben oluşan birçok geniş mağara ve lav tüpü içerir (Figür 3). Bu yapılar, Dünya benzerlerinden daha büyüktür ve Ay mağaraları söz konusu olduğunda, bunların daha misafirperver sıcaklıklara sahip olduğuna inanılmaktadır.

Figür 3. Mars’taki mağara-lav tüp sitelerinin içine yerleştirilmiş bir biyomedikal yaşam alanı.

Sonuç olarak, mürettebat sağlığını, gezegen yüzeyinde sürekli mevcudiyeti ve görev sürekliliğini sağlamak için bir yaşam destek altyapısının uygulanması, artan karmaşıklığın birçok aşaması sırasında, ilgili riskleri azaltmak için sahada koordineli bir biyomedikal ve klinik faaliyet gerektirecektir. tehlikeli ortamlar ve operasyonel görevler. Önümüzdeki yıllarda, bu uzay yerleşimlerinin tasarımını ve bunları desteklemek için gereken teknolojiyi nihai olarak dikte edecek olan bu konular hakkında daha fazla tahmin üretmek çok önemli olacak.

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir