【新智元導讀】2022年5月26日，牛津大學和Devanthro公司的研究團隊在Nature子刊上發(fā)表論文，稱首次在機器人骨架上生成彈性的人類肌腱細胞。
機器人不僅能完成人類的工作，現(xiàn)在還能生成能使用的人類器官了。
牛津大學與Devanthro開發(fā)的機器人骨架，其上生成的人造人類肌腱組織可以被拉伸、按壓和扭曲，這為未來更成功的醫(yī)學移植鋪平了道路。
挑戰(zhàn)20年來難題：生成可用的人造韌帶
人工培養(yǎng)用于醫(yī)學的人體細胞的組織制造技術，現(xiàn)在很大程度上處于起步階段。當下只有實驗室培養(yǎng)的最簡單細胞能夠用于有限實驗性治療。
盡管這個研究領域現(xiàn)在仍然是高度實驗性的，但到目前為止，由人類細胞樣本培育的皮膚細胞、軟骨、甚至氣管都已經(jīng)成功植入病人體內(nèi)。
但事實證明，培養(yǎng)可用的人類肌腱細胞更為棘手。
也就是說，在實驗室里，做不出能被反復拉伸和扭曲的人造人類韌帶。
在過去的二十年里，研究者們反復探索能生成、培育被反復拉伸的人造肌腱細胞的方法。然而，到此前為止，未能產(chǎn)生可用于臨床移植的、有完全功能的研究成果。
不過研究人員稱，一種新的組織制造方法有可能改變這些探索的前景：在一個可移動的人形機器人骨架上培養(yǎng)肌腱細胞。
通常情況下，用于這種再生醫(yī)學的人造人體細胞是在靜態(tài)環(huán)境中生長的。一般是在培養(yǎng)皿和微型三維支架上。
過去的一些實驗表明，人造細胞可以在像鉸鏈這樣的移動結構上生長，但這些實驗只在單一方向上拉伸或彎曲人造組織。
不過來自牛津大學和機器人公司Devanthro的研究者們認為，如果你想制造像肌腱或肌肉一樣多方向移動和彎曲的人體組織，最好是盡可能準確地重現(xiàn)它們的自然生長環(huán)境。
當然，在一個真實的人身上培養(yǎng)各種供他人使用的可移植組織，會引發(fā)各種法律上、技術上、道德上的困難。
因此，他們決定仿造人體的移動關節(jié)部位的肌肉-骨骼構造，制造一個能和關節(jié)同樣運動的機器人骨架結構。
2022年5月26日，牛津大學和機器人公司Devanthro的研究團隊在Nature子刊上發(fā)表論文，闡述了此項目的成果。
研究者們改編了Devanthro公司出品的開源人形機器人骨架，并為細胞生成任務開發(fā)了一個特別定制的生物反應器，該生物反應器可以安裝在機器人骨架上，根據(jù)需要扭轉和彎曲。
牛津大學的研究團隊領頭人Pierre-Alexis Mouthuy表示：「臨床需求顯而易見，如果我們能在體外創(chuàng)造出質量足夠好的移植物來用于臨床，這將對改善患者的治療效果有很大幫助。任何改進都是非常受歡迎的?！管浶苑磻?升級機器人，長出能用的人類肌腱實驗第一步是重新設計容納人造細胞生成物的生物反應器，使其可以連接到一個人形機器人的肩部結構上。
該機器人結構可以仿效人類肩關節(jié)移動，這樣就可以用真實的方來式彎曲、拉推、抻展人造的肌腱組織。
過去的生物反應器都是堅固結構的盒狀物，而研究團隊創(chuàng)造了一個彈性的生物反應器結構。
反應器中，人體細胞在一個軟性塑料支架上生長，而支架懸掛在兩個剛性塊錨點之間。
直觀的視覺效果是，軟性塑料支架就是一串串可生物降解的細絲，在兩個錨點之間伸展開，就像一束頭發(fā)。整個結構被包裹在一個類似氣球的外膜中，構成彈性生物反應器。
然后，研究者在這些毛發(fā)狀的軟性塑料導管中播種了人類成纖維細胞（結締組織中的修長細胞），并在生物反應器腔室內(nèi)注入了旨在促進細胞生長的營養(yǎng)液。
研究者將這個彈性生物反應器腔室連接到機器人肩膀上，開始培育人造細胞生長。
本研究中所使用的柔性生物反應器的設計與性能
而運動軟件代碼升級過的機器人，會每天用半小時復制人類會做出的各種抬高、降低和旋轉動作。如此持續(xù)14天，用科學的方式長出能伴隨這些動作的人造肌腱組織。
而運動軟件代碼升級過的機器人，會每天用半小時復制人類會做出的各種抬高、降低和旋轉動作。如此持續(xù)14天，用科學的方式長出能伴隨這些動作的人造肌腱組織。
如此操作的效果是，研究人員發(fā)現(xiàn)彈性生物反應器中的細胞，比未被拉伸的樣本繁殖得更快，而且二者表達的基因也不同，盡管供體源頭是相同的。
研究人員還不知道這意味著移植物的品質將會如何。
研究團隊打算的下一步，是觀察在新型彈性生物反應器中生長的細胞，與在傳統(tǒng)剛性生物反應器中生長的，各種生物功能表現(xiàn)相比如何。
有望拯救過去只有6成治愈率的韌帶撕裂患者
如果連人類的韌帶組織都能生成了
那估計像什么韌帶拉傷、肌腱撕裂在未來可能都不叫事兒了。
專家指出，該項技術可以用來生成人體組織來修復撕裂的肩袖肌腱，這算是一種非常常見的肩部損傷。
而這種傷勢產(chǎn)生的方式也有很多，運動時稍不注意、或是患有肌腱炎等疾病都有可能導致肩袖肌腱撕裂。
在之前，外科醫(yī)生都是用縫合線來將斷裂的肌腱重新接回到骨骼上去。但是，因為肌腱可能會出現(xiàn)愈合不良的問題，所以傳統(tǒng)的方式大概只有60%的成功率。
而新技術的到來將能顯著提高手術成功率——機器人結構上現(xiàn)在能長出可直接移植的肌腱組織了。
在組織的培養(yǎng)過程中所應用的人形生物反應器系統(tǒng)與相應的加載機制但是，這項技術在距離完全投入臨床使用之前，還有一段路要走。
不過，該技術還有別的應用空間。比方說，在生物反應器中生成更好的肌肉和彈性組織。
研究人員表示，機器人可以根據(jù)每個病人不同的生理機能生成各種彈性的身體組織，類似于「定制」自己的韌帶。
但這里存在一個隱患。那就是，雖然研究團隊已經(jīng)觀察到了生物反應器中不斷被施力運動的細胞，與在靜態(tài)環(huán)境中培養(yǎng)出來的細胞存在一些差異，但他們并不確定這些差異究竟是好是壞。
該項目的首席研究員、牛津大學的Pierre-Alexis Mouthuy表示，他的團隊記錄了二者間存在的某些特定基因的差異。
但如果想把這些觀察到的結果應用在臨床上，用最樂觀的口吻來說，也欠明晰。
細胞材料結構的生物學特性
表示，「我們確實發(fā)現(xiàn)，機器人肩部的不同動作模式，會給生成的細胞帶來差異。但誰也不敢保證這些差異是不是意味著帶來更好的產(chǎn)物。
我們并沒有說這套系統(tǒng)比其它的要強，或是有一套特定的運動模式比其它的好。我們只是在展示概念的可行性?！沟?，話說回來，該團隊確實已經(jīng)證明了在機器人骨骼中生長細胞肯定是可行的。目前的問題就是，是否值得花時間來這樣做。
不過，在論文中，研究人員還是對該技術的前景做了一些比較樂觀的猜測。
他們認為，在未來，醫(yī)生可以先對患者的身體進行詳細的掃描，獲得每個病人關節(jié)的詳細細節(jié)。這樣就可以更好的獲得更精確的關節(jié)結構，以此生成更契合的人體肌腱等組織，然后進行手術。
