工程師經(jīng)常利用自然來激發(fā)新材料和設(shè)計的靈感。一個由研究人員和工程師組成的多機構(gòu)團隊關(guān)于肌腱和骨骼如何在肩關(guān)節(jié)中連接的發(fā)現(xiàn)揭示了以前意想不到的連接不同材料的工程策略。這一發(fā)現(xiàn)還揭示了肩袖的功能以及肩袖修復(fù)失敗的原因。
圣路易斯華盛頓大學 McKelvey 工程學院機械工程 Harold 和 Kathleen Faught 教授 Guy Genin 和哥倫比亞大學矯形外科 Robert E. Carroll 和 Jane Chace Carroll 教授 Stavros Thomopoulos 領(lǐng)導了一個團隊他們發(fā)現(xiàn)了肩袖肌腱與其肩部骨性附件之間的一種以前未知的纖維結(jié)構(gòu)。這項工作的結(jié)果于11 月 26 日發(fā)表在《科學進展》上。
肩袖撕裂是成人最常見的肌腱損傷之一，當肌腱從骨骼處拉開或在骨骼附近斷裂時就會發(fā)生。60 歲以上的成年人中有 30% 有撕裂，80 歲以上的成年人中有 60% 以上有撕裂。修復(fù)眼淚的手術(shù)失敗率很高，根據(jù)年齡和其他因素的不同，從 30% 到 90% 不等。Genin、Thomopoulos 和他們的團隊多年來一直在研究這些組織的力學生物學。
為了更仔細地觀察附著點，或四個肩袖肌腱中的每一個都附著在骨骼上的過渡材料，該團隊應(yīng)用了一種新型的微型計算機斷層掃描 (microCT) 技術(shù)。這些圖像揭示了小鼠肩部岡上肌腱附著點中的一個隱藏部位，其中肌腱纖維直接插入骨骼中，超過了眾所周知的附著足跡的 30%。通過生物力學分析和數(shù)值模擬，他們發(fā)現(xiàn)健康肩袖的韌性來自附著點的組成、結(jié)構(gòu)和位置，因為纖維軟組織的結(jié)構(gòu)與骨骼的結(jié)構(gòu)相互作用。這是研究人員第一次能夠同時看到肩袖中的軟組織和硬組織。
“當 [主要作者] 米哈伊爾·戈爾曼 (Mikhail Golman) 首次向我們展示這些圖像時，我們意識到必須重新繪制有關(guān)肌腱和骨骼如何相互作用的大部分舊圖片，”格寧說。“那里的纖維系統(tǒng)看起來就像一根繩子里的纖維，我們可以通過了解這些纖維在靠近骨頭時如何順序斷裂來了解韌性的來源。這是一種思考如何連接不同材料的新方法.”
在團隊找到隱藏地點后，隨著他們的進展，還有進一步的發(fā)現(xiàn)。
“我們所做的每一個實驗都揭示了附著系統(tǒng)的迷人新特征，”Thomopoulos 說。“我們很快意識到需要從頭開始重新思考這個問題的基本方面。我們的目標是了解健康肩袖從哪里獲得韌性和強度以及在什么條件下它會破裂。我們發(fā)現(xiàn)肩袖的韌性隨著肩部位置的函數(shù)，有助于解釋在患者身上看到的損傷模式的差異。”
研究小組發(fā)現(xiàn)，肩袖的韌性來自于纖維有助于在組織和骨骼之間建立橋梁。Genin 說，韌性是指破壞一個結(jié)構(gòu)需要多少能量，而強度是指一個人必須用多大的力拉才能破壞它。
“我們發(fā)現(xiàn)這些纖維系統(tǒng)在強度和韌性之間實際上存在一個權(quán)衡，”Genin 說。“如果你通過讓一些纖維斷裂來降低整體強度，你實際上可以使結(jié)構(gòu)更堅固，因為吸收的能量增加了。”
Genin 說，他們的結(jié)果表明，復(fù)制纖維結(jié)構(gòu)對于肩袖修復(fù)后的成功和無痛愈合至關(guān)重要。
“這項研究讓我們對這個經(jīng)常受傷的區(qū)域有了全新的認識，并提出了如何連接這兩種不同材料的新思路，”Genin 說。“這不僅對于手術(shù)很重要，而且對于將材料連接到具有不同架構(gòu)的東西時發(fā)生的各種工程故障也很重要。通過合并跨材料的架構(gòu)范式并實現(xiàn)聚集在一起的元素的分布式故障，你可以顯著增加韌性。”
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