رباتیک پیشرفته برای رفع شکاف ترجمه در مهندسی تاندون



یک مقاله مروری توسط دانشمندان دانشگاه آکسفورد، مزایای احتمالی استفاده از ربات‌های اسکلتی عضلانی انسان‌نما و سیستم‌های رباتیک نرم را به‌عنوان پلت‌فرم‌های بیوراکتور در تولید سازه‌های مفید تاندون مورد بحث قرار داد.

مقاله مروری جدید، در 15 سپتامبر 2022 در مجله منتشر شد سیستم های سایبورگ و بیونیک، روندهای فعلی در مهندسی بافت تاندون را خلاصه می کند و به بحث می پردازد که چگونه بیوراکتورهای معمولی قادر به ارائه تحریک مکانیکی مرتبط فیزیولوژیکی نیستند، با توجه به اینکه آنها عمدتاً به مراحل کششی تک محوری متکی هستند. سپس این مقاله ربات‌های انسان‌نمای اسکلتی عضلانی و سیستم‌های رباتیک نرم را به عنوان پلت‌فرم‌هایی برای ارائه تحریک مکانیکی مرتبط فیزیولوژیکی که می‌تواند بر این شکاف انتقالی غلبه کند، برجسته می‌کند.

آسیب های تاندون و بافت نرم یک مشکل اجتماعی و اقتصادی رو به رشد است، به طوری که بازار تعمیر تاندون در ایالات متحده 1.5 میلیارد دلار برآورد شده است. جراحی‌های ترمیم تاندون نرخ تجدیدنظر بالایی دارند و بیش از 40 درصد از ترمیم‌های روتاتور کاف بعد از عمل با شکست مواجه می‌شوند. تولید گرافت های تاندون مهندسی شده برای استفاده بالینی یک راه حل بالقوه برای این چالش است. بیوراکتورهای تاندون معمولی عمدتاً تحریک کششی تک محوری را ارائه می دهند. فقدان سیستم هایی که خلاصه کنند in vivo بارگذاری تاندون یک شکاف اصلی انتقالی است.

“بدن انسان تنش های مکانیکی سه بعدی را به شکل کشش، فشار، پیچش و برش به تاندون ها وارد می کند. تحقیقات کنونی نشان می دهد که بافت تاندون طبیعی سالم به انواع و جهت های استرس نیاز دارد. سیستم های روباتیک پیشرفته مانند انسان نماهای اسکلتی عضلانی و نرم پلتفرم های امیدوار کننده رباتیک که ممکن است قادر به تقلید باشند in vivo بارگذاری تاندون” نویسنده Iain Sander، محقق دانشگاه آکسفورد با گروه تحقیقاتی مهندسی بافت نرم توضیح داد.

ربات‌های انسان‌نمای اسکلتی عضلانی در ابتدا برای کاربردهایی مانند آدمک‌های تست تصادف، پروتزها و تقویت ورزشی طراحی شدند. آنها سعی می کنند با داشتن تناسبات بدن، ساختار اسکلتی، آرایش ماهیچه ای و ساختار مفاصل مشابه آناتومی انسان را تقلید کنند. انسان‌نماهای اسکلتی عضلانی مانند Roboy و Kenshiro از سیستم‌های تاندون محور با محرک‌های myorobotic استفاده می‌کنند که بافت عصبی عضلانی انسان را تقلید می‌کنند. واحدهای میوروباتیک شامل یک موتور dc بدون براش است که تنش مانند ماهیچه‌های انسان ایجاد می‌کند، کابل‌های اتصال که به عنوان واحد تاندون عمل می‌کنند، و یک برد محرک موتور با رمزگذار فنری که با سنجش متغیرهایی از جمله کشش، فشرده‌سازی، طول عضله به عنوان سیستم عصبی عمل می‌کند. ، و دما مزایای پیشنهادی انسان نماهای اسکلتی عضلانی شامل توانایی بارگذاری چند محوری، پتانسیل بارگذاری با در نظر گرفتن الگوهای حرکتی انسان، و ارائه مقادیر بارگذاری قابل مقایسه با in vivo نیروها یک مطالعه اخیر امکان رشد بافت انسانی را بر روی یک ربات انسان نمای اسکلتی عضلانی برای مهندسی تاندون نشان داده است.

رباتیک نرم Biohybrid بر توسعه سیستم‌های رباتیک سازگار با زیست‌میمتیک متمرکز است که امکان تعاملات سازگار و انعطاف‌پذیر با محیط‌های غیرقابل پیش‌بینی را فراهم می‌کند. این سیستم‌های رباتیک از طریق تعدادی مدالیته از جمله دما، فشار پنوماتیک و هیدرولیک و نور فعال می‌شوند. آنها از مواد نرم از جمله هیدروژل، لاستیک و حتی بافت اسکلتی عضلانی انسان ساخته شده اند. این سیستم ها در حال حاضر برای تحریک مکانیکی ساختارهای بافت ماهیچه صاف مورد استفاده قرار می گیرند و اجرا شده اند in vivo در مدل خوک این سیستم‌ها برای مهندسی بافت تاندون جذاب هستند زیرا: 1) ویژگی‌های منعطف و سازگار آنها به آنها اجازه می‌دهد در اطراف ساختارهای آناتومیک بپیچند و از پیکربندی تاندون بومی تقلید کنند. رباتیک نرم با روش‌های فعلی مهندسی بافت تاندون همپوشانی دارد. با نگاهی به آینده، این تیم سیستم‌های روباتیک پیشرفته‌ای را به عنوان پلت‌فرم‌هایی تصور می‌کنند که محرک‌های مکانیکی مرتبط فیزیولوژیکی را برای پیوندهای تاندون قبل از استفاده بالینی فراهم می‌کنند. با پیاده سازی سیستم های روباتیک پیشرفته تعدادی چالش وجود دارد که باید در نظر گرفت. اولاً، برای آزمایش‌های آینده، مقایسه فن‌آوری‌های پیشنهادی در این بررسی با بیوراکتورهای معمولی مهم خواهد بود. با توسعه سیستم‌هایی که قادر به ارائه بارگذاری چند محوری هستند، یافتن روش‌هایی برای تعیین کمیت کرنش در سه بعدی مهم خواهد بود. در نهایت، سیستم های روباتیک پیشرفته برای اجرای گسترده باید مقرون به صرفه تر و در دسترس تر باشند.

تعداد فزاینده‌ای از گروه‌های تحقیقاتی نشان می‌دهند که استفاده از رباتیک پیشرفته در ترکیب با سلول‌ها و بافت‌های زنده برای مهندسی بافت و کاربردهای فعال‌سازی زیستی امکان‌پذیر است. ما اکنون در مرحله‌ای هیجان‌انگیز هستیم که می‌توانیم احتمالات مختلف ترکیب این فناوری‌ها را در آن بررسی کنیم. مهندسی بافت تاندون و بررسی اینکه آیا واقعاً می توانند به بهبود کیفیت پیوندهای تاندون مهندسی شده کمک کنند یا خیر. در درازمدت، این فناوری‌ها پتانسیل بهبود کیفیت زندگی افراد، کاهش درد و خطر شکست ترمیم تاندون، سیستم‌های مراقبت‌های بهداشتی، کاهش تعداد جراحی‌های تجدیدنظر، و برای اقتصاد، بهبود بهره‌وری در محل کار و کاهش را دارند. هزینه های مراقبت های بهداشتی

نویسندگان این مقاله عبارتند از: ایین ساندر، نیکول دووراک، جولی استبینز، اندرو جی کار، پیر-الکسیس موتوی.

این کار با حمایت مالی شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی 16 انگلستان (شماره پروژه: 17 P/S003509/1) و Rhodes Trust تکمیل شده است.

منبع:

شرکت مطبوعاتی موسسه فناوری پکن، با مسئولیت محدود

مرجع مجله:

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



منبع