2021年11月26日

肌腱套和骨骼之间通过独特的纤维结构实现坚韧的连接

工程师经常利用大自然来激发新材料和新设计的灵感。由多个研究机构的研究人员和工程师组成的团队对肩关节肌腱和骨骼的连接方式进行了研究，这一发现揭示了以前没有人怀疑的连接不同材料的工程策略。这一发现也揭示了肌腱套是如何工作的，以及肌腱套修复为何如此频繁地失败。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院机械工程系的哈罗德和凯瑟琳·弗特教授盖伊·杰林，以及哥伦比亚大学整形外科的罗伯特·e·卡罗尔和简·切斯·卡罗尔教授斯塔夫罗斯·托莫普洛斯，领导了一个团队，在肩袖肌腱和它们的骨附件之间发现了以前未知的纤维结构。这项工作的结果发表在科学的进步11月26日。

肩袖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发生。在60岁以上的成年人中，30%的人会撕裂，而在80岁以上的成年人中，超过60%的人会撕裂。手术修复撕裂的失败率很高，根据年龄和其他因素的不同，失败率从30%到90%不等。Genin、Thomopoulos和他们的团队几年来一直在研究这些组织的机械生物学。

为了更仔细地观察肌腱套或四个肌腱套连接到骨头的过渡材料，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附生处有一个隐藏的部位，此处肌腱纤维直接插入骨，超过已知附着足迹的30%。通过生物力学分析和数值模拟，他们发现健康肌腱套的韧性来自于肌腱套的组成、结构和位置，因为纤维软组织的结构与骨骼的结构相互作用。这是研究人员第一次能够同时看到肌腱套中的软组织和硬组织。

“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，我们意识到肌腱和骨骼如何相互作用的大部分旧图像必须重新绘制，”吉宁说。“那里的纤维系统就像绳子上的纤维，通过了解这些纤维在靠近骨头时是如何依次断裂的，我们可以了解韧性来自哪里。这是一种连接不同材料的新方式。”

在团队发现了隐藏的地点后，随着他们的进展还有更多的发现。

“我们做的每一个实验都揭示了依恋系统令人着迷的新特征，”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肩袖从哪里获得韧性和强度，以及在什么情况下它会破裂。我们发现，肩袖的韧性随着肩部位置的变化而变化，这有助于解释在患者中看到的损伤模式的差异。”

研究小组发现，肌腱套的韧性来自于纤维帮助建立组织和肌肉之间的桥梁骨．韧性指的是打破一个结构所需要的能量，而强度指的是一个人需要多么用力的拉才能打破它，Genin说。