В обзорном документе ученых из Оксфордского университета обсуждаются возможные преимущества использования гуманоидных скелетно-мышечных роботов и мягких роботизированных систем в качестве биореакторных платформ для создания клинически полезных конструкций сухожилий.

В новой обзорной статье, опубликованной 15 сентября 2022 года в журнале Cyborg and Bionic Systems, обобщаются современные тенденции в инженерии тканей сухожилий и обсуждается, почему обычные биореакторы не могут обеспечить физиологически значимую механическую стимуляцию, учитывая, что они в значительной степени полагаются на этапы одноосного растяжения. Затем в документе выделяются скелетно-мышечные роботы-гуманоиды и мягкие роботизированные системы в качестве платформ для обеспечения физиологически значимой механической стимуляции, которая может преодолеть этот поступательный пробел.

Травмы сухожилий и мягких тканей представляют собой растущую социальную и экономическую проблему, при этом рынок восстановления сухожилий в США оценивается в 1,5 миллиарда долларов США. Операции по восстановлению сухожилий имеют высокую частоту ревизий, при этом более 40% операций по восстановлению вращательной манжеты плеча не удается после операции. Производство искусственных сухожильных трансплантатов для клинического применения является потенциальным решением этой проблемы. Обычные сухожильные биореакторы в основном обеспечивают одноосную стимуляцию растяжением. Отсутствие систем, которые повторяют нагрузку на сухожилия in vivo, является основным пробелом в трансляции.

« Человеческое тело обеспечивает сухожилия трехмерным механическим напряжением в форме растяжения, сжатия, кручения и сдвига. Текущие исследования показывают, что здоровая нативная ткань сухожилия требует нескольких типов и направлений нагрузки. Усовершенствованные роботизированные системы, такие как мышечно-скелетные гуманоиды и мягкие многообещающие платформы робототехники , которые могут имитировать нагрузку на сухожилия in vivo», — объяснил автор Иэн Сандер, исследователь из Оксфордского университета из исследовательской группы Soft Tissue Engineering Research Group.

Скелетно-мышечные роботы-гуманоиды изначально были разработаны для таких приложений, как манекены для краш-тестов, протезы и спортивные улучшения. Они пытаются имитировать анатомию человека , имея схожие пропорции тела, структуру скелета, расположение мышц и структуру суставов. Скелетно-мышечные гуманоиды, такие как Робой и Кенширо, используют системы, управляемые сухожилиями, с миороботическими приводами, которые имитируют нервно-мышечную ткань человека.

Устройства Myorobotic состоят из бесщеточного двигателя постоянного тока, который создает напряжение, подобное человеческим мышцам, соединительных тросов, которые действуют как узел сухожилия, и платы привода двигателя с пружинным энкодером, которые действуют как неврологическая система, воспринимая переменные, включая напряжение, сжатие, длину мышцы. , и температура.

Предлагаемые преимущества скелетно-мышечных гуманоидов включают способность обеспечивать многоосную нагрузку, возможность нагрузки с учетом моделей движения человека и обеспечение величины нагрузки, сравнимой с силами in vivo. Одно недавнее исследование продемонстрировало возможность выращивания человеческой ткани на скелетно-мышечном роботе-гуманоиде для инженерии сухожилий.

Биогибридная мягкая робототехника ориентирована на разработку биомиметических, совместимых роботизированных систем, которые обеспечивают адаптивное и гибкое взаимодействие с непредсказуемой средой. Эти роботизированные системы приводятся в действие с помощью ряда модальностей, включая температуру, пневматическое и гидравлическое давление и свет.

Они сделаны из мягких материалов, включая гидрогели, резину и даже костно-мышечную ткань человека. Эти системы уже используются для механической стимуляции конструкций гладкой мышечной ткани и были реализованы in vivo на модели свиньи.

Эти системы привлекательны для тканевой инженерии сухожилий, поскольку: i) их гибкие, податливые свойства позволяют им оборачиваться вокруг анатомических структур, имитируя конфигурацию нативного сухожилия, ii) они способны обеспечивать многоосевое срабатывание и iii) ряд методов, используемых в мягкая робототехника пересекается с современными методами инженерии тканей сухожилий.

Заглядывая вперед, команда представляет передовые роботизированные системы в качестве платформ, которые будут обеспечивать физиологически значимые механические стимулы для сухожильных трансплантатов до клинического использования . При внедрении передовых роботизированных систем необходимо учитывать ряд проблем. Во-первых, для будущих экспериментов будет важно сравнить технологии, предложенные в этом обзоре, с обычными биореакторами.

С развитием систем, способных обеспечить многоосевую нагрузку, важно будет найти методы количественной оценки деформации в 3D. Наконец, передовые роботизированные системы должны быть более доступными для широкого применения.

«Все большее число исследовательских групп показывают, что можно использовать передовую робототехнику в сочетании с живыми клетками и тканями для тканевой инженерии и приложений биоактивации. Сейчас мы находимся на захватывающем этапе, когда мы можем исследовать различные возможности включения этих технологий в инженерии сухожильных тканей и выяснить, действительно ли они могут помочь улучшить качество инженерных трансплантатов сухожилий», — сказал Пьер-Алексис Мутуи, старший автор обзорной статьи.

В долгосрочной перспективе эти технологии могут улучшить качество жизни людей за счет уменьшения боли и риска неудачного восстановления сухожилий , для систем здравоохранения за счет сокращения количества ревизионных операций и для экономики за счет повышения производительности труда и снижения расходы на здравоохранение.