Science Advances：骨骼通过独特的纤维结构实现肌腱套之间牢固附着

时间：2021-11-30 00:00:00 来源：网络整理

工程师经常利用自然来激发新的材料和设计。一个由多机构的研究人员和工程师组成的团队发现了肩关节肌腱和骨骼是如何连接的，这一发现揭示了以前未被怀疑的连接不同材料的工程策略。这一发现还揭示了肌腱套的功能，以及为什么肌腱套修复经常失败。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院哈罗德和凯瑟琳·菲特机械工程教授盖伊·吉宁，哥伦比亚大学整形外科教授罗伯特·e·卡罗尔和简·切斯·卡罗尔，他领导的团队在肩袖肌腱和肩关节骨附件之间发现了一种以前不为人知的纤维结构。这项研究的结果发表在11月26日的《科学进展》杂志上。

Genin可在以下网址获取:[email protected]

肌腱套撕裂是成年人最常见的肌腱损伤之一，当肌腱脱离骨头或在骨头附近断裂时就会发生。60岁以上的成年人有30%会流泪，80岁以上的成年人有60%以上会流泪。手术修复的失败率很高，根据年龄和其他因素，失败率从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机械生物学。

为了更近距离地观察肌腱套和骨之间的过渡材料，研究小组应用了一种新的微型计算机断层扫描(microCT)技术。图像显示在小鼠肩膀冈上肌腱末端有一个隐藏的部位，肌腱纤维直接插入骨中，占已知附着足迹的30%以上。通过生物力学分析，结合数值模拟，他们发现健康的肌腱套的韧性来自于纤维软组织结构与骨骼结构相互作用时肌腱套的组成、结构和位置。这是研究人员首次能够同时看到肌腱套的软硬组织。

“当[主要作者]米哈伊尔·戈尔曼第一次向我们展示这些图像时，我们意识到许多关于肌腱和骨骼相互作用的旧图像必须重新绘制，”Genin说。“那里的纤维系统就像绳子上的纤维，通过理解这些纤维靠近骨头时是如何连续断裂的，我们可以了解韧性来自哪里。”这是一种思考如何附加不同材料的新方式。”

在小组发现隐藏地点之后，他们又有了进一步的发现。

“我们做的每一个实验都揭示了依恋系统迷人的新特征，”Thomopoulos说。“我们很快意识到，这个问题的基本方面需要从头开始重新思考。我们的目标是了解健康的肌腱套从哪里获得韧性和力量以及在什么情况下它会破裂。我们发现，肩袖的韧性随肩部位置的变化而变化，这有助于解释患者受伤模式的差异。”

研究小组发现，肌腱套的韧性来自于纤维帮助建立组织和骨骼之间的桥梁。Genin说，韧性指的是需要多少能量才能打破一个结构，而强度指的是需要多大的拉力才能打破它。

“我们发现，这些纤维系统实际上在强度和韧性之间进行权衡，”Genin说。“如果你通过让一些纤维断裂来降低整体强度，实际上你可以让结构更硬，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成功且无痛愈合至关重要。

“这项研究让我们对这个经常受伤的区域有了全新的认识，并为如何连接这两种不同的材料提供了新的思路，”Genin说。“这不仅对外科手术很重要，而且对于当你将一种材料与具有不同建筑结构的东西连接时发生的各种工程故障也很重要。通过合并材料的架构范例，并允许将元素分散在一起，您可以显著增加韧性。”

文章标题Toughening mechanisms for the attachment of architecture materials: The mechanics of the tendon enthesis

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