腱工学における並進ギャップに対処するための高度なロボティクス



オックスフォード大学の科学者によるレビュー論文では、臨床的に有用な腱構築物を製造する際のバイオリアクタープラットフォームとして、ヒューマノイド筋骨格ロボットとソフトロボットシステムを使用することの潜在的な利点について議論しました.

ジャーナル Cyborg and Bionic Systems で 2022 年 9 月 15 日に公開された新しいレビュー論文は、腱組織工学の現在の傾向を要約し、従来のバイオリアクターが主に一軸引張段階に依存していることを考えると、生理学的に関連する機械的刺激を提供できないことについて説明しています。 次に、この論文は、この並進ギャップを克服できる生理学的に関連する機械的刺激を提供するためのプラットフォームとして、筋骨格ヒューマノイドロボットとソフトロボットシステムを強調しています。

腱と軟部組織の損傷は、社会的および経済的な問題として拡大しており、米国の腱修復市場は 15 億米ドルと推定されています。 腱修復手術は修正率が高く、回旋筋腱板修復の 40% 以上が術後に失敗します。 臨床使用のための操作された腱移植片の生産は、この課題に対する潜在的な解決策です。 従来の腱バイオリアクターは、主に一軸引張刺激を提供します。 生体内での腱負荷を再現するシステムの欠如は、主要な翻訳ギャップです。

「人体は、張力、圧縮、ねじれ、およびせん断の形で、腱に 3 次元の機械的応力を与えます。現在の研究では、健康な天然の腱組織には複数の種類と方向の応力が必要であることが示唆されています。筋骨格ヒューマノイドやソフトなどの高度なロボット システム生体内での腱の負荷を模倣できる可能性があるロボット工学の有望なプラットフォームです」と、オックスフォード大学の軟部組織工学研究グループの研究者である著者のIin Sanderは説明しています。

筋骨格ヒューマノイド ロボットは、当初、衝突試験用ダミー人形、人工装具、運動強化などの用途向けに設計されました。 彼らは、似たような体格、骨格構造、筋肉配置、および関節構造を持つことによって、人間の解剖学的構造を模倣しようとします. Roboy や Kenshiro などの筋骨格ヒューマノイドは、人間の神経筋組織を模倣したミロロティック アクチュエーターを備えた腱駆動システムを使用しています。 Myorobotic ユニットは、人間の筋肉のような張力を生成するブラシレス DC モーター、腱ユニットとして機能するアタッチメント ケーブル、スプリング エンコーダーを備えたモーター ドライバー ボードで構成され、張力、圧縮、筋肉の長さなどの変数を感知することによって神経系として機能します。 、および温度。 筋骨格ヒューマノイドの提案された利点には、多軸負荷を提供する能力、人間の動きのパターンを考慮した負荷の可能性、生体内の力に匹敵する負荷の大きさの提供が含まれます。 ある最近の研究では、腱工学用の筋骨格ヒューマノイドロボットで人間の組織を成長させる可能性が実証されています。

Biohybrid ソフト ロボティクスは、予測不可能な環境との適応的で柔軟な相互作用を可能にする、バイオミメティックで準拠したロボット システムの開発に重点を置いています。 これらのロボット システムは、温度、空気圧、油圧、光など、さまざまなモダリティによって作動します。 それらは、ハイドロゲル、ゴム、さらには人間の筋骨格組織などの柔らかい素材でできています。 これらのシステムは、平滑筋組織構造に機械的刺激を与えるために既に使用されており、ブタモデルで生体内で実装されています。 これらのシステムは、次の点を考慮すると、腱組織工学にとって魅力的です: i) その柔軟で従順な特性により、ネイティブの腱の構成を模倣して、解剖学的構造を包み込むことができます ii) 多軸作動を提供することができます。ソフトロボティクスは、現在の腱組織工学の実践と重なっています。将来を見据えて、チームは、臨床使用前に腱移植片に生理学的に関連する機械的刺激を提供するプラットフォームとしての高度なロボットシステムを想定しています。 高度なロボット システムが実装されるにつれて、考慮すべき多くの課題があります。 まず、将来の実験では、このレビューで提案された技術を従来のバイオリアクターと比較することが重要です。 多軸荷重を提供できるシステムの開発により、3D でひずみを定量化する方法を見つけることが重要になります。 最後に、高度なロボット システムは、広範囲に実装するために、より手頃な価格でアクセスしやすくする必要があります。

「ますます多くの研究グループが、生体細胞や生体組織と組み合わせて高度なロボット工学を使用して、再生医療やバイオアクチュエーションに応用できることを示しています。私たちは現在、これらの技術を生体に組み込むさまざまな可能性を探ることができるエキサイティングな段階にあります。腱組織工学を研究し、それらが人工腱移植片の質を本当に改善するのに役立つかどうかを調べます」と、レビュー記事の上級著者であるピエール・アレクシス・ムチュイは述べています. 長期的には、これらの技術は、痛みと腱修復不全のリスクを軽減することで個人の生活の質を改善し、医療システムでは再手術の回数を減らし、経済では職場の生産性を向上させて低下させることで、生活の質を改善する可能性があります。医療費。

この論文の著者には、Iain Sander、Nicole Dvorak、Julie Stebbins、Andrew J Carr、Pierre-Alexis Mouthuy が含まれます。

この作業は、英国 16 王国の工学および物理科学研究評議会 (プロジェクト番号: 17 P/S003509/1)、およびロードス トラストの財政支援を受けて完了しました。

ソース:

北京工科大学出版有限会社

ジャーナルの参照:

https://doi.org/10.34133/2022/9842169



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