人体骨骼助力机器人

Nature重磅！在机器人骨架上首次生成人类肌腱细胞

新智元报告

编辑:袁闫

[新智元简介]2022年5月26日，牛津大学和Devanthro公司的研究团队在《自然》杂志上发表论文，声称首次在机器人的骨骼上产生了弹性人类肌腱细胞。

机器人不仅能完成人类的工作，现在还能生成可用的人体器官。

牛津大学和Devanthro开发的机器人骨架，人造人体肌腱组织可以在其上拉伸、挤压和扭曲，为未来更成功的医学移植铺平了道路。

挑战20年难题:生成可用的人工韧带

人工培养人体细胞用于医疗用途的组织制造技术现在基本上还处于起步阶段。只有在实验室培养的最简单的细胞才能用于有限的实验治疗。

虽然这一研究领域仍然具有很强的实验性，但到目前为止，从人体细胞样本中培养出来的皮肤细胞、软骨甚至气管都已成功植入患者体内。

但事实证明，培养可用的人类肌腱细胞更加困难。

也就是说，在实验室里，没有可以反复拉伸扭曲的人工人体韧带。

在过去的二十年里，研究人员反复探索产生和培养反复拉伸的人工肌腱细胞的方法。然而，直到现在，还没有产生可用于临床移植的全功能研究结果。

然而，研究人员表示，一种新的组织制造方法可能会改变这些探索的前景:在可移动的人形机器人骨架上培养肌腱细胞。

通常，这种再生医学中使用的人造人体细胞在静态环境中生长。通常在培养皿和微型三维支架上。

过去的一些实验表明，人造细胞可以在铰链这样的移动结构上生长，但这些实验只能单向拉伸或弯曲人造组织。

然而，来自牛津大学和机器人公司Devanthro的研究人员认为，如果你想制造像肌腱或肌肉一样向多个方向移动和弯曲的人体组织，最好尽可能精确地再现它们的自然生长环境。

当然，在一个真人身上为他人培养各种可移植的组织，会造成各种法律上、技术上、道德上的困难。

因此，他们决定模仿人体运动关节的肌肉-骨骼结构，制作一个可以像关节一样运动的机器人骨骼结构。

2022年5月26日，牛津大学和机器人公司Devanthro的研究团队在《自然》杂志上发表论文，阐述了这一项目的成果。

研究人员改编了Devanthro公司生产的开源人形机器人骨骼，并开发了一种专门用于细胞生成任务的生物反应器。生物反应器可以安装在机器人骨架上，并根据需要进行扭曲和弯曲。

牛津大学研究团队的领导者皮埃尔-亚历克西斯·穆图伊(Pierre-Alexis Mouthuy)说:“临床需求是显而易见的。如果能在体外创造出质量足够好的移植物供临床使用，将对提高患者的治疗效果有很大帮助。任何改进都是非常欢迎的。」

软反应器+升级机器人，长出可用的人类肌腱。

实验的第一步是重新设计包含人造细胞产品的生物反应器，使其可以连接到人形机器人的肩部结构上。

该机器人结构可以模仿人类肩关节的运动，使人工肌腱组织以真正的正方形方式弯曲、推动和拉伸。

过去，所有的生物反应器都是结构坚固的盒子，但研究团队创造了一种弹性生物反应器结构。

在反应器中，人类细胞在柔软的塑料支架上生长，支架悬挂在两个刚性锚点之间。

直观的视觉效果是，软塑料支架是一串可生物降解的细丝，在两个锚点之间拉伸，就像一束头发。整个结构被包裹在气球状的外膜中，形成弹性生物反应器。

然后，研究人员在这些毛状软塑料导管中接种人类成纤维细胞(结缔组织中的细长细胞)，并向生物反应器室中注射营养液以促进细胞生长。

研究人员将弹性生物反应室附着在机器人的肩膀上，开始培养人造细胞的生长。

本研究中使用的柔性生物反应器的设计和性能。

运动软件代码已经升级的机器人，每天会用半个小时来复制人类会做出的各种举、降、旋转动作。这样持续14天，可以伴随这些动作的人工肌腱组织以科学的方式生长。

结果，研究人员发现，弹性生物反应器中的细胞比未拉伸的样品增殖更快，它们表达的基因也不同，即使供体的来源相同。

研究人员仍然不知道这对于移植物的质量意味着什么。

研究小组的下一步是观察在新型弹性生物反应器中生长的细胞与在传统刚性生物反应器中生长的细胞相比，其生物学功能如何。

有望挽救过去60%的韧带撕裂患者。

如果人类的韧带组织也能制造出来...

估计以后韧带拉伤肌腱撕裂可能都不是问题了。

专家指出，这项技术可以用来生成人体组织来修复撕裂的肩袖肌腱，这是一种非常常见的肩部损伤。

造成这种损伤的方式有很多，比如运动不慎或者肌腱炎，都有可能导致肩袖肌腱撕裂。

以前，外科医生使用缝线将断裂的肌腱重新连接到骨头上。但由于肌腱愈合可能较差，传统方法的成功率只有60%左右。

新技术的到来将显著提高手术的成功率——机器人结构现在可以长出可以直接移植的肌腱组织。

用于组织培养过程的仿人生物反应器系统及相应的加载机构

然而，这项技术距离完全投入临床使用还有很长的路要走。

不过这个技术还有其他应用空。例如，在生物反应器中可以产生更好的肌肉和弹性组织。

研究人员表示，机器人可以根据每个患者的不同生理功能生成各种弹性身体组织，类似于“定制”自己的韧带。

但是这里有一个隐患。也就是说，虽然研究小组已经观察到在生物反应器中不断被迫移动的细胞和在静态环境中培养的细胞之间存在一些差异，但他们不确定这些差异是好是坏。

该项目的首席研究员、牛津大学的Pierre-Alexis Mouthuy表示，他的团队记录了它们之间的一些特定基因差异。

但是，如果要把这些观察到的结果应用到临床上，用最乐观的语气也不清楚。

细胞结构的生物学特征

Mouthuy说，“我们确实发现机器人肩膀的不同运动模式会给生成的细胞带来差异。但是没有人能保证这些差异是否意味着更好的产品。

我们不是说这个系统比别人好，也不是说某个特定的锻炼方式比别人好。我们只是在论证这个概念的可行性。」

但是，话说回来，该团队确实证明了在机器人骨骼中培养细胞肯定是可行的。现在的问题是是否值得花时间这样做。

然而，在这篇论文中，研究人员对这项技术的未来做出了一些乐观的猜测。

他们相信，在未来，医生可以详细扫描病人的身体，并获得每个病人关节的详细信息。这样就可以得到更精确的关节结构，从而生成更合适的组织如人体肌腱，然后就可以进行手术了。

参考资料:

https://www.nature.com/articles/s44172-022-00004-9

https://www . technology review . com/2022/05/26/1052820/robotic-shoulder-grow-usable-human-tissue-cells/

https://www . the verge . com/2022/5/26/23142769/组织工程-生长细胞-移动机器人-骨骼