Houten benen en eendenpoten: een kleine geschiedenis van protheses

Je ziet niet vaak een eend met een prothese, maar ene Buttercup de eend heeft een nieuwe voet. Buttercup had een misvormd pootje, maar kan nu weer rustig zwemmen en waggelen met een poot van siliconen.

Volgens de Facebook-pagina van de eend (die heeft 'ie namelijk), maakte het bedrijf NovaCopy een model van de poot. Dat model werd vervolgens uitgeprint als een mal en volgegoten met flexibele siliconen. Het resultaat werd bevestigd aan de eend met een op maat gemaakte sok.

De meesten zullen bij dit verhaal denken "Het is maar een eend," maar de technologie die gebruikt werd om Buttercup weer te laten lopen toont hoe ver we zijn gekomen in de wereld van kunstmatige ledematen. Nieuwe technologie en een multidisciplinaire aanpak brengen enorme veranderingen naar een veld wat over de jaren maar langzaam vooruit ging.

De oudste bekende protheses zijn twee tenen van een Egyptische mummie. Het was normaal bij mummies om missende ledematen te vervangen, maar de slijtage op de tenen wijst erop dat ze ook levend gebruikt waren.

Ondanks het millenia-oude verlangen voor kunstmatige ledematen is de vooruitgang van protheses al die tijd redelijk statisch geweest. Sporadische innovaties kwamen voor, maar onhandige metalen en houten ledematen bleven de norm.

Dit duurde voort tot ene Ambroise Paré, een kapper/chirurg (dat bestond toen), in de zestiende eeuw functionaliteit toevoegde aan protheses die tot die tijd alleen dienden om een missend lid te maskeren. Hij innoveerde niet alleen de bevestigingen van protheses, maar produceerde ook natuurlijkere scharnieren voor handen en benen.

Een andere voorvader van de moderne prothesetechnologie was de Nederlandse chirurg Peter Verduyn, die in 1696 de eerste flexibele onderbeenprothese ontwikkelde.  Meer dan driehonderd jaar later is zijn uitvindingen nog altijd belangrijk in hedendaags onderzoek naar kunstmatige ledematen.

De innovaties van Paré en Verduyn werden tijdens oorlogen verder ontwikkeld. In de VS zorgde de burgeroorlog - en de daaruit voortvloeiende missende ledematen - ervoor dat de overheid ging investeren in de ontwikkeling van protheses. Hangar Inc., een van de eindbazen in het veld en het bedrijf dat Aaron Ralston van 127 Hours van een nieuwe onderarm voorzag, stamt ook ook uit die tijd. De oprichter James Edward Hunger was dan ook de eerste geamputeerde van de burgeroorlog.

De Tweede Wereldoorlog zorgde voor een soortgelijk patroon. De National Academy of Sciences stichtte de Artificial Limb Program om een interdisciplinaire aanpak te overzien. Sindsdien werken experts uit verschillende vakgebieden, waaronder bouwkunde, robotica, design en fysiologie samen om protheses te maken die niet alleen missende ledematen vervangen, maar in sommige gevallen veel cooler zijn dan hun vlezige voorgangers.

Protheses zijn een perfecte manier om de samenwerking tussen biologie en technologie te onderzoeken. Bij Motherboard hebben we het eerder al gehad over 3D-geprinte oren en hersengestuurde robotarmen. We hebben ook gepraak met "fembot" Amy Purdy en haar relatie met haar robotbenen. En in de laatste paar maanden hebben een rits aan nieuwe ontwikkelingen en toepassingen de manier waarop we over kunstmatige ledematen denken veranderd.

Een van de grootste ontwikkelingen is, niet geheel verassend, de wereld van 3D-printen en modelleren. Zoals in het geval van Buttercup, zorgen deze processen ervoor dat we preciezere modellen van lichaamsdelen kunnen produceren.

En het aantal succesverhalen blijft groeien. Eric Moger kreeg vier jaar geleden een levensecht siliconen masker om een missend gedeelte van zijn gezicht te vervangen. Een bejaarde vrouw heeft nu een nieuwe kaak die haar echte vervangen heeft. En deze adelaar heeft een nieuwe bek zodat ze eindelijk kan eten en drinken en kleine schattige beestjes in stukken kan scheuren. Het is prima om skeptisch te zijn over de wereldveranderende mogelijkheden van 3D-printen, maar het is zeker een vatbaar plan om de toepassing ervan bij medische innovaties te verkennen.

Genoeg over 3D-printen. Er is namelijk ook een andere wereld waarin grote stappen worden gezet voor protheses: de wetenschap van neurale en perifere interfaces. Daarbij communiceert het brein direct met de prothese. Hoewel dit ideaal klinkt, zijn organisaties zoals DARPA nog een beetje huiverig over het gebruik van de invasieve ingreep.

Perifere interfaces gebruiken een ander lichaamsdeel om boodschappen van de hersenen te communiceren aan kunstmatige ledematen en lijken voorlopig een betere optie. Een relatief simpel voorbeeld is de ongelofelijke bibionic3-prothese van Nigel Ackland, die kan draaien en grijpen als een robothand. Het ding wordt gecontroleerd door kleine bewegingen in zijn armspieren en is verassend behendig.

Targeted muscle reinnervation, of TMR, is hier een voorbeeld van. Nadat een ledemaat geamputeerd is, kunnen elektrische signalen uit het brein omgeleid worden naar een gezonde spier. Electrodes in die spier kunnen die activiteit vervolgens aflezen en doorgeven aan de prothese.

Deze video toont TMR in actie. Glen Lehman raakte gewond in Irak en gebruikt zijn robotarm om te drinken, een tennisbal te pakken en een stukje stof te vangen.

Met technologie als TMR komen we steeds dichterbij het controleren van protheses met onze hersenen.

Niet zo heel lang geleden waren houten en metalen klauwen de standaard in kunstmatige ledematen. Maar terwijl de medische en technologische wetenschap steeds verder komt, maken we niet alleen protheses die mooier zijn en makkelijker te controleren, maar komen we ook steeds dichterbij een toekomst vol cyborgs.