Ein leistungsstarker Assistent für die Chirurgie, der von der Internationalen Raumstation kommt?

Luft- und Raumfahrttechnik und medizinische Gesundheit sind untrennbar miteinander verbunden. Was also sind die medizinischen Errungenschaften der Luft- und Raumfahrttechnik? Auf welche neuen Technologien in der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik darf man sich in Zukunft freuen?

Astronauten überwachen das Experiment zur Blutgefäßkultivierung

Im Jahr 1970 schrieb Schwester Yukenda aus Sambia an die NASA und fragte: „Es gibt immer noch so viele Kinder auf der Erde, die nicht genug zu essen haben.“ Wie kann die NASA bereit sein, Milliarden von Dollar für ein Projekt auf dem Mars auszugeben? Später antworteten ihr NASA-Forscher: „Die Erforschung des Weltraums bietet den Menschen nicht nur einen Spiegel, in dem sie sich selbst betrachten können, sie bringt uns auch neue Technologien, neue Herausforderungen und Unternehmergeist sowie eine optimistische und zuversichtliche Haltung angesichts schwerwiegender Probleme des wirklichen Lebens.“

Kenianische Nonnen schicken Brief an die NASA

Die Windeln, Saftkonzentrate, Sonnenbrillen, CT-Scanner und Wasserreiniger, die wir heute in unserem täglichen Leben verwenden, sind alle aus den Bedürfnissen und Entwicklungen der Luft- und Raumfahrttechnologie entstanden. Mit der Entwicklung der Medizintechnik ist die bereichsübergreifende Integration von klinischer Medizin, medizinischen Geräten sowie naturwissenschaftlichen und technischen Disziplinen zu einer der wichtigsten Richtungen medizinischer Innovation geworden. Als Spezialgebiet der Medizin spielt die Luft- und Raumfahrtmedizin eine wichtige Rolle bei der Unterstützung der Entwicklung der bemannten Raumfahrt. Die Entwicklung der Luft- und Raumfahrtmedizin hat auch die Entwicklung der gesamten Medizintechnik stark vorangetrieben. Viele der Methoden, Medikamente und Geräte, die die Weltraummedizin zum Schutz der Gesundheit von Astronauten einsetzt, wurden bereits zur Lösung damit verbundener Gesundheitsprobleme in der Allgemeinbevölkerung eingesetzt.

Die medizinische und biologische Forschung steht im Mittelpunkt aktueller Weltraumexperimente und ist auch für die Internationale Raumstation die erste Wahl bei der Partnersuche. Unter den wissenschaftlichen Forschungsprojekten der Vereinigten Staaten und Russlands im Labormodul der Internationalen Raumstation machen medizinische und biologische Forschung 43 % bzw. 32 % aus. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Biotechnik, etwa die Erforschung und Herstellung von Biomaterialien mit potenziellem Anwendungswert in der Medizin, Biologie und Pharmakologie, wie etwa Proteinkristalle in Mikroorganismen, Bakterien, Pflanzenzellen und Tierembryonen.

Welche medizinischen Geräte und Instrumente unseres täglichen Lebens stammen aus der Luft- und Raumfahrttechnik?

Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungsszenarien auf der Erde wurden viele Weltraumtechnologien in verschiedene Medikamente und medizinische Geräte umgewandelt, die die Diagnose und Behandlung menschlicher Krankheiten erheblich erleichtern. In der Schwerelosigkeit besteht für Astronauten das Risiko einer Osteoporose. Daher müssen sie täglich Sport treiben und jede Woche eine kleine Menge Bisphosphonate einnehmen. Später stellte sich heraus, dass ähnliche Medikamente auch Menschen mittleren und höheren Alters mit Osteoporoserisiko helfen.

Durchscheinendes polykristallines Aluminiumoxid ist ein hochfestes, hochtransparentes Keramikmaterial, das ursprünglich in der Luft- und Raumfahrt verwendet wurde. Später entdeckten Forscher, dass dieses Material im Bereich transparenter Zahnspangen eingesetzt werden könnte. Mittlerweile ist es das erfolgreichste Material für kieferorthopädische Produkte.

Kieferorthopädische Materialien

Der Roboterarm der Internationalen Raumstation ist ein leistungsstarker Helfer beim Tragen schwerer Gegenstände, beim Andocken von Raumfahrzeugen und bei täglichen Wartungsarbeiten auf der Internationalen Raumstation. Es kann Astronauten bei der Durchführung schwieriger und risikoreicher Aufgaben unterstützen oder ersetzen. Diese Technologie hat zur Entwicklung medizinischer Roboterarme geführt, die für Präzisionsoperationen wie die Entfernung von Hirntumoren mit der gleichen Genauigkeit und Expertise wie erfahrene Chirurgen eingesetzt werden können.

Kanada Roboterarm

Die Schwerelosigkeit im Weltraum verändert die Art und Weise, wie sich das menschliche Auge bewegt und Bewegungen wahrnimmt. Wenn Astronauten längere Zeit im Weltraum verbringen, können sie ihre Augen oft nicht so flexibel steuern, dass sie dorthin schauen können, wo sie hinsehen möchten, wie sie es auf der Erde tun. Hochtechnologische Eyetracker lösen dieses Problem gut. Eyetracker werden mittlerweile auch bei der Augenlaserkorrektur eingesetzt, um die genaue Positionierung des Laserstrahls sicherzustellen und so eine genaue Echtzeitverfolgung der Augen des Patienten zu erreichen und das Laserskalpell präzise auszurichten, ohne dass ein Eingriff des Chirurgen erforderlich ist.

Beim Atmen geben wir einige Stickoxidpartikel ab, und wenn die Atemwege einer Person entzündet sind, erhöht sich die Stickoxidmenge in der ausgeatmeten Luft. Um mögliche Entzündungen bei Astronauten festzustellen, hat die ESA ein Instrument entwickelt, mit dem sich der Stickoxidspiegel präzise messen lässt. Diese Technologie wurde bei der Diagnose und Behandlung von Asthmapatienten eingesetzt.

Astronauten testen Alkoholtester

Die Schwerelosigkeit im Weltraum erhöht bei Astronauten das Risiko, Nierensteine ​​zu entwickeln. Wenn sich im Weltraum Nierensteine ​​bilden, können diese Infektionen und Komplikationen auslösen, die die Gesundheit der Astronauten gefährden und die Durchführung von Weltraummissionen beeinträchtigen. Die NASA hat ein tragbares Ultraschallgerät entwickelt, das Steine ​​erkennen, bewegen und zertrümmern kann, sodass sie leichter aus dem Körper ausgeschieden werden können. Diese Technologie ist eine gute Nachricht für viele Nierensteinpatienten auf der Welt.

Da die Wasserressourcen im Weltraum äußerst wertvoll sind, haben Forscher eine effiziente und sichere Technologie zur Wasseraufbereitung und -wiederverwertung entwickelt. Mithilfe dieser Technologie können auch giftige Abfälle aus dem Dialysat entfernt werden. Auf diese Weise konnte die Dialysemaschine entwickelt werden, mit deren Hilfe bereits viele schwerkranke Patienten behandelt werden konnten.

Im letzten Jahrzehnt hat ein Wissenschaftlerteam Astronauten beobachtet, um zu untersuchen, wie sie im Weltraum nach Objekten greifen. Anhand von Übungsdaten von Astronauten beim Greifen kleiner Objekte analysieren wir, wie sich das Leben in einer schwerelosen Umgebung auf ihre Greiffähigkeit auswirkt. Astronauten führen Geschicklichkeitstests durch, während sie einen speziellen Sensor halten und ihre Augen öffnen und schließen, um zu beurteilen, wie sich der Körper an eine Umgebung ohne Oben und Unten anpasst. Diese experimentellen Ergebnisse helfen Forschern dabei, beweglichere Prothesen für Menschen mit Behinderungen zu entwickeln.

Auf welche weitere Forschung im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik darf man sich in Zukunft freuen?

Die Stammzellbiologie ist eines der vielversprechendsten Forschungsfelder des 21. Jahrhunderts und eine wichtige Disziplin in der Forschung zu Tissue Engineering und regenerativer Medizin. Die wichtige Funktion von Stammzellen besteht darin, die Regenerationsfähigkeit der Zellen aufrechtzuerhalten und zu kontrollieren. Sie verfügen über die Fähigkeit zur Selbsterneuerung und Replikation sowie über ein Multidifferenzierungspotenzial und können sich in verschiedene Gewebezelltypen differenzieren. Wissenschaftler haben Raumfahrttechnologie eingesetzt, um die Vermehrung und Differenzierung von Stammzellen in der Schwerelosigkeit des Weltraums zu analysieren und zu untersuchen, wie man die einzigartigen Bedingungen der Mikrogravitation im Weltraum nutzen kann, um eine groß angelegte Vermehrung von Stammzellen und die Konstruktion von Geweben durchzuführen.

Ausländische Wissenschaftler bereiten außerdem die Entwicklung künstlicher Miniaturherzen im Weltraum auf der Basis menschlicher Stammzellen mithilfe der 3D-Bioprinting-Technologie vor. Diese Herzgewebestrukturen werden dann zur Internationalen Raumstation geschickt, um ein tieferes Verständnis darüber zu erlangen, wie sich die Mikrogravitation auf die Funktion des menschlichen Herzens auswirkt. Die Forscher hoffen, dass dies zu einem besseren Verständnis der Herzatrophie beitragen wird – einer Erkrankung, bei der das Herz Gewebe verliert und schwächt, wodurch es schwieriger wird, Blut in den Körper zu pumpen. Eine schwerelose Umgebung kann solche Probleme verursachen und Ohnmacht, Herzrhythmusstörungen, Herzklappenerkrankungen und sogar Herzversagen aufgrund einer Herzmuskelschwäche simulieren. Herzatrophie und damit verbundene Erkrankungen sind eines der wichtigsten Themen der heutigen medizinischen Gemeinschaft. Menschen mit Krankheiten wie Diabetes, Muskeldystrophie und Krebs sowie Sepsis und Herzinsuffizienz leiden häufig unter Herzfunktionsstörungen und Gewebeschäden.

3D-Biodrucker kann Miniatur-Kunstherzen drucken

Die Wissenschaftler unseres Landes sind ebenso fähig. Im April 2017 dockte das Frachtraumschiff Tianzhou-1 meines Landes erfolgreich an das Weltraumlabor Tiangong-2 an und schloss damit nicht nur die Liefermission ab, sondern transportierte auch eine Reihe wissenschaftlicher Experimente. Eines der Experimente ist das „Experiment zur Kultur embryonaler Stammzellen in einer Umgebung mit Mikrogravitation“, bei dem herkömmliche photosynthetische Fluoreszenzmikroskopie-Technologie verwendet wird, um den Proliferations- und Differenzierungsprozess von Stammzellen im Weltraum zu beobachten. Dabei wird die Selbsterneuerung und Zelldifferenzierung der pluripotenten Gene embryonaler Stammzellen von Mäusen in der Schwerelosigkeit des Weltraums anhand von Änderungen der Zellfluoreszenzsignalintensität und zellmorphologischen Änderungen beurteilt.

Darüber hinaus sinken Zellen aufgrund der Schwerkraft auf der Erde im Allgemeinen auf den Boden der Kulturschale und können sich dort nur schwer selbst organisieren und Strukturen wie Blutgefäße bilden, wie sie Zellen im menschlichen Körper aufweisen. Durch Experimente haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Zellen in Blutgefäßen in einer schwerelosen Umgebung ähnlich wie die Zellen im menschlichen Körper angeordnet sind und eine einfache dreidimensionale Struktur bilden. Den Wissenschaftlern zufolge ähneln die röhrenförmigen Aggregate primitiven Blutgefäßen, was bei der Zellkultivierung auf der Erde noch nie zuvor erreicht wurde. Wenn es gelingt, künstliche Blutgefäße aus menschlichen Zellen zu züchten, bieten sie großes Potenzial für die Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten. Sie können nicht nur in der Chirurgie eingesetzt werden, um Patienten, die eine Transplantation benötigen, beim Ersetzen beschädigter Blutgefäße zu helfen, sondern sie können auch unser Verständnis einer Reihe von Gefäßerkrankungen und der Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper verbessern.

ESA-Gerät zum Züchten von Blutgefäßen auf der Internationalen Raumstation

In der Vergangenheit wurden die meisten Weltraumtestmissionen von der Internationalen Raumstation durchgeführt und in Zukunft soll auch Chinas eigene Raumstation gestartet werden. Geplant ist die Bereitstellung von 16 wissenschaftlichen Experimentierkabinen in einer abgedichteten Kabine, einer Experimentierplattform für Außenbordeinsätze und einer Experimentierkabine für koorbitale Flüge, die die Umsetzung wissenschaftlicher Forschungs- und Anwendungsprojekte in den Bereichen Astronomie, Biowissenschaften, Biotechnologie, Luft- und Raumfahrtmedizin, Weltraumphysik und anderen Bereichen im Orbit unterstützen können. Am 12. Juni 2019 wurden die Ergebnisse der ersten Reihe internationaler Kooperationsprojekte für weltraumwissenschaftliche Experimente auf Chinas Raumstation offiziell bekannt gegeben. Insgesamt wurden 9 Projekte aus 17 Ländern und von 23 Unternehmen erfolgreich ausgewählt. Die Inhalte der ausgewählten Projekte decken die oben genannten hochaktuellen Wissenschaftsfelder ab.

Ab August 2023 werden sich die Experimentalmissionen zur Luft- und Raumfahrtmedizin der chinesischen Raumstation auf fünf Forschungsrichtungen konzentrieren: Forschung zu den Auswirkungen langfristiger Schwerelosigkeit auf die Gesundheit und Schutztechnologie von Astronauten, Forschung zu den Auswirkungen von Weltraumstrahlung auf die Gesundheit und Schutztechnologie von Astronauten, Forschung zu Verhalten und Fähigkeiten von Astronauten, Forschung zu fortschrittlicher Überwachungs- und medizinischer Behandlungstechnologie im Orbit und Forschung zu Anwendungstechnologien der traditionellen Medizin in der Luft- und Raumfahrt. Insgesamt werden 49 innovative experimentelle Studien im Bereich der Luft- und Raumfahrtmedizin durchgeführt.

Um beispielsweise technische Reserven und Unterstützung für einen langfristigen und gesunden Aufenthalt der Astronauten bereitzustellen, wurden eine Reihe von Technologien zur Erkennung und Intervention im Orbit entwickelt. Diese Technologien sind effizient, nicht-invasiv, einfach zu bedienen und tragbar und können auch für die öffentliche Gesundheit eingesetzt werden. Beispielsweise können Maßnahmen zur Bekämpfung von Knochenschwund und tragbare Akupunkturstimulatoren bei Menschen mit degenerativer Osteoporose, Muskelatrophie usw. eingesetzt werden. Mithilfe der Biorhythmus-Steuerungstechnologie kann die Schlafqualität verbessert und gesteigert werden. und die auf Ultraschall basierende nicht-invasive Technologie zur Messung des intrakraniellen Drucks bietet wichtige Hinweise und Referenzen für die Forschung in Bereichen, die mit intrakraniellen Druck in Zusammenhang stehen, wie beispielsweise Sehnervödem durch hohen intrakraniellen Druck. Technologien zur Erkennung und Intervention bei geistiger Ermüdung, intelligente Beleuchtung und schnelle Verbesserung der Wachsamkeit können technische Unterstützung bei der Erkennung, Aufrechterhaltung und Verbesserung der Fähigkeiten von Menschen bieten, die in besonderen Umgebungen wie der Langzeitnavigation und engen unterirdischen Räumen arbeiten.

Die Station ist für den Einsatz konzipiert. Das Projekt zum Betrieb und zur Entwicklung der Raumstation konzentriert sich auf wissenschaftliche Fragen wie Medizin und menschliche Faktoren, die für das langfristige Überleben im Weltraum relevant sind, sowie auf hochaktuelle Brennpunkte rund um die menschliche Gesundheit und die menschlichen Fähigkeiten. In Kombination mit großen nationalen wissenschaftlichen Forschungsprogrammen wie dem National Brain Science führt es systematisch grundlegende, zukunftsweisende und explorative Forschung durch und bietet theoretische Unterstützung und technische Reserven für die nachhaltige Entwicklung der bemannten Raumfahrt, wobei gleichzeitig die öffentliche Gesundheit gefördert wird. (Die obigen drei Absätze wurden vom China Manned Space Engineering Office übernommen.)