Des systèmes robotiques avancés comme plateformes prometteuses pour produire des constructions tendineuses cliniquement utiles

Un article de synthèse rédigé par des scientifiques de l’Université d’Oxford a discuté des avantages potentiels de l’utilisation de robots musculo-squelettiques humanoïdes et de systèmes robotiques mous comme plates-formes de bioréacteurs pour produire des constructions tendineuses cliniquement utiles.

Le nouvel article de synthèse, publié le 15 septembre 2022 dans la revue Cyborg et systèmes bioniques, résume les tendances actuelles de l’ingénierie tissulaire tendineuse et explique comment les bioréacteurs conventionnels ne peuvent pas fournir de stimulation mécanique physiologiquement pertinente car ils reposent fortement sur des étapes de traction uniaxiale. L’article met ensuite en évidence les robots humanoïdes musculo-squelettiques et les systèmes robotiques mous en tant que plates-formes pour fournir une stimulation mécanique physiologiquement pertinente qui pourrait combler cet écart de traduction.

Les lésions des tendons et des tissus mous sont un problème social et économique croissant, le marché de la réparation des tendons aux États-Unis étant estimé à 1,5 milliard de dollars. Les chirurgies de réparation des tendons ont des taux de révision élevés, avec plus de 40 % des réparations de la coiffe des rotateurs qui échouent après l’opération. La production de greffons tendineux destinés à un usage clinique est une solution potentielle à ce défi. Les bioréacteurs tendineux conventionnels fournissent principalement une stimulation de traction uniaxiale. Le manque de systèmes qui récapitulent Direct la charge tendineuse est un écart de translation important.

Le corps humain fournit aux tendons une contrainte mécanique tridimensionnelle sous forme de tension, de compression, de torsion et de cisaillement. Les recherches actuelles suggèrent que le tissu tendineux natif sain nécessite plusieurs types et directions de tension. Les systèmes robotiques avancés, tels que les humanoïdes musculo-squelettiques et les plates-formes prometteuses de robotique douce qui peuvent imiter Direct charge tendineuse.

Iain Sander, auteur, chercheur, Université d’Oxford avec le groupe de recherche en génie des tissus mous

Les robots humanoïdes musculo-squelettiques ont été initialement conçus pour des applications telles que les mannequins de crash test, les prothèses et l’amélioration sportive. Ils tentent d’imiter l’anatomie humaine en ayant des proportions corporelles, une structure squelettique, une disposition musculaire et une structure articulaire similaires. Les humanoïdes musculosquelettiques comme Roboy et Kenshiro utilisent des systèmes à commande tendineuse avec des actionneurs myorobotiques qui imitent le tissu neuromusculaire humain. Les unités myorobotiques se composent d’un moteur à courant continu sans balais qui génère une tension comme les muscles humains, de câbles de connexion qui agissent comme entraînement du tendon et d’une carte de commande de moteur avec un encodeur à ressort, qui agit comme le système neurologique en détectant des variables telles que la tension, la compression et le muscle. longueur. et la température. Les avantages proposés des humanoïdes musculo-squelettiques comprennent la capacité de fournir une charge multiaxiale, le potentiel de charge compte tenu des schémas de mouvement humain et la fourniture d’amplitudes de charge comparables à Direct en espèces. Une étude récente a démontré la faisabilité de la culture de tissus humains sur un robot humanoïde musculo-squelettique pour l’ingénierie des tendons.

La robotique douce biohybride se concentre sur le développement de systèmes robotiques compatibles et biomimétiques qui permettent des interactions adaptatives et flexibles avec des environnements imprévisibles. Ces systèmes robotiques sont activés par un certain nombre de modalités, notamment la température, la pression pneumatique et hydraulique et la lumière. Ils sont fabriqués à partir de matériaux souples, notamment des hydrogels, du caoutchouc et même des tissus musculo-squelettiques humains. Ces systèmes sont déjà utilisés pour fournir une stimulation mécanique aux constructions de tissu musculaire lisse et ont été mis en œuvre Direct dans un modèle porcin. Ces systèmes sont attractifs pour l’ingénierie tissulaire tendineuse étant donné que : i) leurs propriétés flexibles et compatibles leur permettent de s’enrouler autour des structures anatomiques, imitant la configuration du tendon natif ii) ils sont capables de fournir un actionnement multiaxial et iii) plusieurs des techniques utilisées en robotique douce chevauche les pratiques actuelles d’ingénierie des tissus tendineux. Pour l’avenir, l’équipe envisage des systèmes robotiques avancés comme des plates-formes qui fourniront une stimulation mécanique physiologiquement pertinente aux greffes de tendons avant leur utilisation clinique. Il y a un certain nombre de défis à considérer lors de la mise en œuvre de systèmes robotiques avancés. Tout d’abord, il sera important pour les futures expérimentations de comparer les technologies proposées dans cette revue avec des bioréacteurs conventionnels. Avec le développement de systèmes capables de fournir des charges multiaxiales, il sera important de trouver des méthodes pour quantifier la déformation 3D. En fin de compte, les systèmes robotiques avancés devront être rendus plus abordables et accessibles pour un déploiement à grande échelle.

« De plus en plus de groupes de recherche montrent qu’il est possible d’utiliser la robotique avancée en combinaison avec des cellules et des tissus vivants pour des applications de bioactionnement et d’ingénierie tissulaire. Nous sommes maintenant à une étape passionnante où nous pouvons explorer les différentes possibilités d’incorporer ces technologies. en ingénierie tissulaire tendineuse et examiner si elles peuvent réellement aider à améliorer la qualité des greffes de tendon artificielles », a déclaré Pierre-Alexis Mouthuy, auteur principal de l’article de synthèse. À long terme, ces technologies ont le potentiel d’améliorer la qualité de vie des gens en réduisant la douleur et le risque d’échec de la réparation des tendons, pour les systèmes de santé en réduisant le nombre de chirurgies de révision et pour l’économie en améliorant la productivité au travail. et réduire les dépenses de santé.

Les auteurs de l’article incluent Iain Sander, Nicole Dvorak, Julie Stebbins, Andrew J Carr, Pierre-Alexis Mouthuy.

Ce travail a été réalisé avec le soutien financier du UK Engineering and Physical Sciences Research Council (numéro de projet : 17 P/S003509/1) et du Rhodes Trust.