通过独特的纤维结构实现肩袖和骨骼之间的牢固连接

工程师经常利用自然来激发新材料和设计的灵感。一个由研究人员和工程师组成的多机构团队关于肌腱和骨骼如何在肩关节中连接的发现揭示了以前意想不到的连接不同材料的工程策略。这一发现还揭示了肩袖的功能以及肩袖修复失败的原因。

圣路易斯华盛顿大学 McKelvey 工程学院机械工程 Harold 和 Kathleen Faught 教授 Guy Genin 和哥伦比亚大学矫形外科 Robert E. Carroll 和 Jane Chace Carroll 教授 Stavros Thomopoulos 领导了一个团队他们发现了肩袖肌腱与其肩部骨性附件之间的一种以前未知的纤维结构。这项工作的结果于11 月 26 日发表在《科学进展》上。

肩袖撕裂是成人最常见的肌腱损伤之一，当肌腱从骨骼处拉开或在骨骼附近断裂时就会发生。60 岁以上的成年人中有 30% 有撕裂，80 岁以上的成年人中有 60% 以上有撕裂。修复眼泪的手术失败率很高，根据年龄和其他因素的不同，从 30% 到 90% 不等。Genin、Thomopoulos 和他们的团队多年来一直在研究这些组织的力学生物学。

为了更仔细地观察附着点，或四个肩袖肌腱中的每一个都附着在骨骼上的过渡材料，该团队应用了一种新型的微型计算机断层扫描 (microCT) 技术。这些图像揭示了小鼠肩部冈上肌腱附着点中的一个隐藏部位，其中肌腱纤维直接插入骨骼中，超过了众所周知的附着足迹的 30%。通过生物力学分析和数值模拟，他们发现健康肩袖的韧性来自附着点的组成、结构和位置，因为纤维软组织的结构与骨骼的结构相互作用。这是研究人员第一次能够同时看到肩袖中的软组织和硬组织。

“当 [主要作者] 米哈伊尔·戈尔曼 (Mikhail Golman) 首次向我们展示这些图像时，我们意识到必须重新绘制有关肌腱和骨骼如何相互作用的大部分旧图片，”格宁说。“那里的纤维系统看起来就像一根绳子里的纤维，我们可以通过了解这些纤维在靠近骨头时如何顺序断裂来了解韧性的来源。这是一种思考如何连接不同材料的新方法.”

在团队找到隐藏地点后，随着他们的进展，还有进一步的发现。

“我们所做的每一个实验都揭示了附着系统的迷人新特征，”Thomopoulos 说。“我们很快意识到需要从头开始重新思考这个问题的基本方面。我们的目标是了解健康肩袖从哪里获得韧性和强度以及在什么条件下它会破裂。我们发现肩袖的韧性随着肩部位置的函数，有助于解释在患者身上看到的损伤模式的差异。”

研究小组发现，肩袖的韧性来自于纤维有助于在组织和骨骼之间建立桥梁。Genin 说，韧性是指破坏一个结构需要多少能量，而强度是指一个人必须用多大的力拉才能破坏它。

“我们发现这些纤维系统在强度和韧性之间实际上存在一个权衡，”Genin 说。“如果你通过让一些纤维断裂来降低整体强度，你实际上可以使结构更坚固，因为吸收的能量增加了。”

Genin 说，他们的结果表明，复制纤维结构对于肩袖修复后的成功和无痛愈合至关重要。

“这项研究让我们对这个经常受伤的区域有了全新的认识，并提出了如何连接这两种不同材料的新思路，”Genin 说。“这不仅对于手术很重要，而且对于将材料连接到具有不同架构的东西时发生的各种工程故障也很重要。通过合并跨材料的架构范式并实现聚集在一起的元素的分布式故障，你可以显着增加韧性。”

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