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Les systèmes robotiques avancés comme plateformes prometteuses pour la production de constructions tendineuses cliniquement utiles

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Un article de synthèse rédigé par des scientifiques de l’Université d’Oxford examine les avantages possibles de l’utilisation de robots musculo-squelettiques humanoïdes et de systèmes robotiques souples comme plateformes de bioréacteurs pour la production de tendons cliniquement utiles.

Le nouvel article de synthèse, publié le 15 septembre 2022 dans la revue Systèmes cyborg et bioniquesrésume les tendances actuelles en matière d’ingénierie des tissus tendineux et explique comment les bioréacteurs conventionnels sont incapables de fournir une stimulation mécanique physiologiquement pertinente étant donné qu’ils reposent en grande partie sur des étapes de traction uniaxiale. L’article met ensuite en évidence les robots humanoïdes musculo-squelettiques et les systèmes robotiques souples en tant que plateformes permettant de fournir une stimulation mécanique physiologiquement pertinente qui pourrait combler cette lacune.

Les blessures des tendons et des tissus mous constituent un problème social et économique croissant, le marché de la réparation des tendons aux États-Unis étant estimé à 1,5 milliard de dollars US. Les chirurgies de réparation des tendons ont des taux élevés de révision, avec plus de 40% des réparations de la coiffe des rotateurs qui échouent après l’opération. La production de greffons de tendons artificiels à usage clinique est une solution potentielle à ce problème. Les bioréacteurs conventionnels de tendons fournissent principalement une stimulation de traction uniaxiale. L’absence de systèmes qui récapitulent in vivo La charge du tendon est une lacune majeure en matière de traduction.

Le corps humain fournit aux tendons une contrainte mécanique tridimensionnelle sous forme de tension, compression, torsion et cisaillement. Les recherches actuelles suggèrent que le tissu tendineux natif sain nécessite plusieurs types et directions de contrainte. Les systèmes robotiques avancés, tels que les humanoïdes musculo-squelettiques et la robotique douce, sont des plateformes prometteuses qui pourraient être en mesure d’imiter le mouvement des tendons. in vivo chargement du tendon ».

Iain Sander, Auteur, Chercheur, Université d’Oxford avec le Soft Tissue Engineering Research Group.

Les robots humanoïdes musculo-squelettiques ont été initialement conçus pour des applications telles que les mannequins d’essai de choc, les prothèses et l’amélioration des performances sportives. Ils tentent d’imiter l’anatomie humaine en ayant des proportions corporelles, une structure squelettique, une disposition des muscles et une structure articulaire similaires. Les humanoïdes musculo-squelettiques tels que Roboy et Kenshiro utilisent des systèmes entraînés par des tendons avec des actionneurs myorobotiques qui imitent le tissu neuromusculaire humain. Les unités myorobotiques sont constituées d’un moteur à courant continu sans balai qui génère une tension comme les muscles humains, de câbles de fixation qui agissent comme l’unité de tendon, et d’une carte de pilotage du moteur avec un encodeur à ressort, qui agit comme le système neurologique en détectant des variables telles que la tension, la compression, la longueur du muscle et la température. Les avantages proposés pour les humanoïdes musculo-squelettiques comprennent la capacité de fournir une charge multiaxiale, le potentiel de charge en tenant compte des modèles de mouvement humain et la fourniture de magnitudes de charge comparables à celles des muscles humains. in vivo forces. Une étude récente a démontré la faisabilité de la culture de tissus humains sur un robot humanoïde musculo-squelettique pour l’ingénierie des tendons.

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La robotique souple biohybride se concentre sur le développement de systèmes robotiques biomimétiques et souples qui permettent des interactions adaptatives et flexibles avec des environnements imprévisibles. Ces systèmes robotiques sont actionnés par un certain nombre de modalités, notamment la température, la pression pneumatique et hydraulique, et la lumière. Ils sont constitués de matériaux souples tels que les hydrogels, le caoutchouc et même les tissus musculo-squelettiques humains. Ces systèmes sont déjà utilisés pour fournir une stimulation mécanique à des constructions de tissus musculaires lisses et ont été mis en œuvre. in vivo dans un modèle porcin. Ces systèmes sont attrayants pour l’ingénierie des tissus tendineux étant donné que : i) leurs propriétés flexibles et compliantes 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) un certain nombre de techniques utilisées dans la robotique douce se chevauchent avec les pratiques actuelles d’ingénierie des tissus tendineux. La mise en œuvre des systèmes robotiques avancés pose un certain nombre de défis. Tout d’abord, il sera important pour les expériences futures de comparer les technologies proposées dans cette revue aux bioréacteurs conventionnels. Avec le développement de systèmes capables de fournir une charge multiaxiale, il sera important de trouver des méthodes pour quantifier la déformation en 3D. Enfin, les systèmes robotiques avancés devront être plus abordables et plus accessibles pour être mis en œuvre à grande échelle.

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« Un nombre croissant de groupes de recherche montre qu’il est possible d’utiliser la robotique avancée en combinaison avec des cellules et des tissus vivants pour des applications d’ingénierie tissulaire et de bioaction. Nous sommes maintenant à un stade passionnant où nous pouvons explorer les différentes possibilités d’incorporer ces technologies dans l’ingénierie des tissus tendineux et examiner si elles peuvent réellement contribuer à améliorer la qualité des greffons tendineux fabriqués », 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 individus, en diminuant la douleur et le risque d’échec de la réparation du tendon, pour les systèmes de santé, en réduisant le nombre de chirurgies de révision, et pour l’économie, en améliorant la productivité au travail et en réduisant les coûts des soins de santé.

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

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

Source :

Société de presse de l’Institut de technologie de Pékin, Ltd.

Référence du journal :

Sander, I.L., et al. (2022) Robotique avancée pour combler le fossé translationnel dans l’ingénierie du tendon. Systèmes cyborg et bioniques. doi.org/10.34133/2022/9842169.