受蟒蛇牙齿启发的新装置使肩袖修复强度加倍

大多数人在想到蟒蛇时，都会想象到这条巨蛇紧紧缠绕猎物并将其整个吞下。但您是否知道，蟒蛇最初是用它们锋利的向后弯曲的牙齿抓住猎物的?医学研究人员早就意识到，这些牙齿非常适合抓住软组织而不是切开它，但至今还没有人能够将这一概念付诸外科手术实践。多年来，模仿这些牙齿用于外科手术一直是哥伦比亚大学骨科和生物医学工程教授Stavros Thomopoulos 博士实验室经常讨论的话题。

仿生学是新研究的关键

汤普洛斯是一位专注于肌腱-骨连接的发展和再生的领先研究人员，他对推进肌腱-骨修复尤其感兴趣，这对于肩袖修复和前交叉韧带重建必不可少。在今天发表于《科学进展》杂志的一篇论文中，他的团队报告说，他们开发了一种受蟒蛇牙齿启发的装置，作为目前肩袖缝合修复的补充，并发现它几乎使修复强度增加了一倍。

“随着年龄的增长，超过一半的人会经历肩袖撕裂，导致肩部疼痛和活动能力下降，”Thomopoulos 表示，他同时在哥伦比亚工程学院和哥伦比亚大学瓦杰洛斯医学院担任 Robert E. Carroll 和 Jane Chace Carroll 生物力学教授(骨科手术和生物医学工程)。“最好的医疗干预是肩袖手术，但这些修复手术中很大一部分会在短短几个月内失败。我们仿照蟒蛇牙齿的设计采用的仿生方法有助于将肌腱更牢固地重新连接到骨骼上。该装置不仅可以增强修复强度，还可以根据患者进行定制。我们对我们的装置改善肩袖损伤护理的潜力感到非常兴奋。”

肩袖损伤

肩袖撕裂是最常见的肌腱损伤之一，每年在美国影响超过 1700 万人。损伤发生率随年龄增长而增加：65 岁以上的人口中，超过 40% 的人会经历肩袖撕裂。

由于肩袖撕裂通常发生在肌腱与骨的附着处，因此肩袖修复旨在从解剖学上恢复肌腱附着处。手术修复是恢复肩部功能的主要治疗方法，美国每年进行超过 60 万例手术，花费 30 亿美元。

然而，成功地将肌腱重新连接到骨头上仍然是一项重大的临床挑战。手术后的失败率很高，随着患者年龄和撕裂程度的增加，失败率也会增加。年轻患者的轻微撕裂率为 20%，而老年患者的严重撕裂率为惊人的 94%。肩袖修复最常见的失败是缝合线在力集中的两个或四个抓握点处撕裂肌腱。

虽然在过去 20 年中肩袖修复技术取得了一些进展，但将两个组织缝合在一起的基本方法基本保持不变，仍然依赖于缝合线在高应力抓握点处传递张力。在肌腱-骨再连接手术后，缝合线可能会在这些高应力点处撕裂肌腱，这种现象称为“缝合线拉穿”或“奶酪线”，导致修复部位出现间隙或破裂。

“我们决定看看是否可以开发一种模仿蟒蛇牙齿形状的装置，这种装置可以有效地抓住软组织而不会撕裂，并有助于降低肩袖修复后肌腱再次撕裂的风险，”该研究的主要作者，前 Thomopoulos 实验室生物医学工程博士生 Iden Kurtaliaj说。

该设备

该团队最初的想法是复制蟒蛇牙齿的形状，但他们走得更远，使用模拟、3D 打印和尸体离体实验来探索牙齿形状与抓握和切割力学之间的关系。Kurtaliaj 制造了一系列牙齿设计，优化了单个牙齿、牙齿阵列，最后设计了特定于肩袖的牙齿阵列。最终的结果是一个仿生装置，由生物相容性树脂制成——弯曲底座上的牙齿阵列——能够抓握而不是切割肌腱。这些牙齿相对较小——对于人类肩袖来说只有 3 毫米高，约为标准钉书钉长度的一半——因此它们不会戳穿肌腱。底座可以通过 3D 打印进行定制，以匹配患者特定的肱骨头在冈上肌腱附着点(最常见的肩袖肌腱撕裂)的曲率。

Kurtaliaj 指出：“我们专门设计了它，以便外科医生不需要放弃他们目前的方法——他们只需添加设备并增加修复强度即可。”

团队

Kurtaliaj 以博士生身份领导了这项研究，指导老师是华盛顿大学圣路易斯分校机械工程系 Harold and Kathleen Faught 教授 Stavros Thomopoulos 博士和Guy Genin 博士，而临床实施方面则得到了哥伦比亚大学内外科学院骨科系主任 William Levine 博士的指导。

“由于我们的实验室与骨科医生密切合作，我们非常幸运，在整个设备的设计开发过程中能够得到莱文博士以及哥伦比亚其他外科医生的意见，”汤普洛斯说。

后续步骤Next steps

研究人员目前正在开发一种可生物吸收的装置，这种装置会随着肩袖愈合而降解，从而进一步提高其临床适用性。他们还准备与 FDA 举行预提交会议，以促进该装置进入市场。

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