工程師經(jīng)常利用自然來(lái)激發(fā)新材料和設(shè)計(jì)的靈感。一個(gè)由研究人員和工程師組成的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)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(xué) McKelvey 工程學(xué)院機(jī)械工程 Harold 和 Kathleen Faught 教授 Guy Genin 和哥倫比亞大學(xué)矯形外科 Robert E. Carroll 和 Jane Chace Carroll 教授 Stavros Thomopoulos 領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(xiàng)工作的結(jié)果于11 月 26 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。
肩袖撕裂是成人最常見(jiàn)的肌腱損傷之一，當(dāng)肌腱從骨骼處拉開(kāi)或在骨骼附近斷裂時(shí)就會(huì)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(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直在研究這些組織的力學(xué)生物學(xué)。
為了更仔細(xì)地觀(guān)察附著點(diǎn)，或四個(gè)肩袖肌腱中的每一個(gè)都附著在骨骼上的過(guò)渡材料，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了一種新型的微型計(jì)算機(jī)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(diǎn)中的一個(gè)隱藏部位，其中肌腱纖維直接插入骨骼中，超過(guò)了眾所周知的附著足跡的 30%。通過(guò)生物力學(xué)分析和數(shù)值模擬，他們發(fā)現(xiàn)健康肩袖的韌性來(lái)自附著點(diǎn)的組成、結(jié)構(gòu)和位置，因?yàn)槔w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(shí)看到肩袖中的軟組織和硬組織。
“當(dāng) [主要作者] 米哈伊爾·戈?duì)柭?(Mikhail Golman) 首次向我們展示這些圖像時(shí)，我們意識(shí)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(shuō)。“那里的纖維系統(tǒng)看起來(lái)就像一根繩子里的纖維，我們可以通過(guò)了解這些纖維在靠近骨頭時(shí)如何順序斷裂來(lái)了解韌性的來(lái)源。這是一種思考如何連接不同材料的新方法.”
在團(tuán)隊(duì)找到隱藏地點(diǎn)后，隨著他們的進(jìn)展，還有進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)。
“我們所做的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都揭示了附著系統(tǒng)的迷人新特征，”Thomopoulos 說(shuō)。“我們很快意識(shí)到需要從頭開(kāi)始重新思考這個(gè)問(wèn)題的基本方面。我們的目標(biāo)是了解健康肩袖從哪里獲得韌性和強(qiáng)度以及在什么條件下它會(huì)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(lái)自于纖維有助于在組織和骨骼之間建立橋梁。Genin 說(shuō)，韌性是指破壞一個(gè)結(jié)構(gòu)需要多少能量，而強(qiáng)度是指一個(gè)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(qiáng)度和韌性之間實(shí)際上存在一個(gè)權(quán)衡，”Genin 說(shuō)。“如果你通過(guò)讓一些纖維斷裂來(lái)降低整體強(qiáng)度，你實(shí)際上可以使結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，因?yàn)槲盏哪芰吭黾恿恕?rdquo;
Genin 說(shuō)，他們的結(jié)果表明，復(fù)制纖維結(jié)構(gòu)對(duì)于肩袖修復(fù)后的成功和無(wú)痛愈合至關(guān)重要。
“這項(xiàng)研究讓我們對(duì)這個(gè)經(jīng)常受傷的區(qū)域有了全新的認(rèn)識(shí)，并提出了如何連接這兩種不同材料的新思路，”Genin 說(shuō)。“這不僅對(duì)于手術(shù)很重要，而且對(duì)于將材料連接到具有不同架構(gòu)的東西時(shí)發(fā)生的各種工程故障也很重要。通過(guò)合并跨材料的架構(gòu)范式并實(shí)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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