改良肌腱再连接到骨头的技术

徒步旅行时衣服上粘上毛刺是一件麻烦事，回家后要把它们捡起来扔掉。

　　

               

搭便车植物H. palermi果实上独特的钩状排列使工程机械生物学中心的研究人员开发了改进的缝合技术，用于手术修复组织。

对于大多数人来说，徒步旅行时衣服上粘上毛刺只不过是一件麻烦事，回家后要把它们捡起来扔掉。但对于工程机械生物学中心(CEMB)的科学家来说，这些小搭便车者身上的钩子正在激发新的缝合方案，用于手术将肌腱重新连接到骨头上。

在许多外科手术中，肌腱与骨的再连接是必需的，也许最常见的是修复肩部撕裂的肩袖肌腱，这种情况会影响60岁以上人群中30%以上的人。目前的缝合方法不能均匀分布应力，由于无效的附着和缝合线的再撕裂，导致失败率高达94%。

一个由Guy Genin领导的研究小组，CEMB的联合主任和华盛顿大学McKelvey工程学院的Harold和Kathleen Faught机械工程教授，已经开发了一种基于搭便车植物附着系统的力学和间距的缝合新方法。他们的策略显示出了平衡缝合线的力量，减少愈合肌腱的压力，并有可能比目前的缝合线方案增加一倍的修复强度。

研究结果发表在3月1日的《Proceedings of the Royal Society A》上。

“在CEMB，我们一直在思考医疗实践中的关键问题，并努力将不同学科的人聚集在一起，共同解决这些大问题，”Genin说。“已故的伟大的机械生物学先驱Barbara Pickard帮助建立了CEMB，当她在沙漠中散步时，袜子上有这些毛刺，她没有简单地丢弃它们;她抓住了这个想法，即大自然可以在意想不到的地方提供新的解决方案。”

在Pickard徒步几十年后，她与Genin和他的研究生，这项新研究的主要作者Ethan D. Hoppe分享了她与毛刺的经历——类似于启发了钩环扣技术的搭便车植物。对于Genin和Hoppe来说，这是一个“顿悟”的时刻。

Genin, Hoppe和他们的合作者多年来一直在研究肌腱与骨头的外科再植。他们想知道，毛刺平衡力的方法能否用于组织修复?

为了验证这一点，Hoppe开始分析其果实上独特的钩状排列。不幸的是，H. palermi只在西南沙漠的一些偏远地区发现过。“当地的花园商店不卖这些，”Hoppe说。

经过长时间的搜索，该团队找到了合作者Matt Guilliams，他是圣巴巴拉植物园克利夫顿·史密斯标本室的植物系统学家和馆长，该植物园管理加州本土植物物种。Hoppe说:“H. palermi毛刺的间距和刚度是不寻常的，我们开始建模它们是如何如此可靠地抓住软材料的。”

该团队开发的数学模型指出了一种独特的平衡力的方案。

“当外科医生修复像肌腱套这样的东西时，他们会移除身体所有的天然连接点，这些连接点已经进化为从硬骨过渡到软肌腱的复杂任务，并将力量集中在一个小区域。这就是我们看到的手术失败率高的原因。大自然已经向我们展示了坚硬的材料，比如毛刺上的硬钩，可以非常有效地附着在袜子或狗毛等柔软的材料上。我们只需要做压力分析，弄清楚毛刺与缝线相比如何，以及这种自然解决方案如何应用于医疗实践。”

事实上，大自然对常见依恋问题的解决方案可能会有效地克服矫形外科中最大的挑战之一。研究小组发现，H. palermi简单而有效地平衡了各个连接点的力，即使连接点相对较少，材料也有很大不同。利用他们开发的数学模型来评估基于搭便车植物力学的缝合过程的变化，该团队现在正在评估新的缝合方法。

新的缝合方法的临床前测试已经在Stavros Thomopoulos、哥伦比亚大学Robert E. Carroll和Jane Chace Carroll教授以及Carroll矫形外科实验室主任的实验室中进行。

Thomopoulos说:“我们很高兴能在现实世界的手术环境中实现这一概念。目前实验室的实验正在评估由搭便车植物启发的缝合间距如何影响肩袖修复强度。”