哥伦比亚大学推出了一种受蟒蛇牙齿启发的外科设备，旨在加强肩袖修复并减少肌腱再撕裂，利用3D打印技术进行定制。

当大多数人想到蟒蛇时，他们会想到这种巨大的蛇 constricting 和吞食整个猎物。但你知道吗，蟒蛇最初是用它们 sharp 的、向后弯曲的牙齿来抓住猎物？医学研究人员早已意识到，这些牙齿非常适合抓握软组织而不是切割它，但还没有人能够将这一概念应用于外科手术。

多年来，在哥伦比亚大学Stavros Thomopoulos博士的实验室中，模仿这些牙齿用于手术一直是频繁讨论的话题。

肌腱-骨附着修复的生物仿生学进展

Thomopoulos是一位专注于肌腱-骨附着发育和再生的 leading 研究员，他对推进肌腱-骨修复特别感兴趣，这对于肩袖修复和前交叉韧带重建是必需的。在今天（6月28日）发表在《科学进展》上的一篇论文中，他的团队报告说，他们开发了一种受蟒蛇牙齿启发的装置，作为当前肩袖缝合修复的补充，并发现它几乎使修复强度加倍。

“随着年龄增长，我们中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说。

“最好的医疗干预是肩袖手术，但 remarkably 高比例的这些修复在仅仅几个月内就会失败。我们遵循蟒蛇牙齿设计的仿生方法有助于将肌腱更牢固地重新附着到骨骼上。该装置不仅增强了修复的强度，而且还可以为患者定制。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。”

肩袖修复的挑战与解决方案

肩袖撕裂是最常见的肌腱损伤之一，每年影响美国超过1700万人。损伤的发生率随年龄增长而增加：超过40% 的65岁以上人口经历过肩袖撕裂。

由于肩袖撕裂通常发生在肌腱-骨附着部位，肩袖修复旨在从解剖学上恢复肌腱附着。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600,000例手术，花费30亿美元。

然而，成功地将肌腱重新附着到骨骼上仍然是一个重大的临床挑战。手术后失败率很高，且随着患者年龄和撕裂严重程度的增加而增加。这些比率从年轻患者小撕裂的20% 到老年患者大撕裂的惊人的94% 不等。肩袖修复最常见的失败是缝线在力量集中的两个或四个抓握点撕裂肌腱。

尽管过去20年肩袖修复技术有所进步，但将两个组织缝合在一起的基本方法基本保持不变，仍然依赖于在高应力抓握点传递张力的缝线。在肌腱-骨再附着手术后，缝线可能在这些高应力点撕裂肌腱，这种现象称为“缝线拉穿”或“** cheesewiring**”，导致修复部位间隙或 rupture。

“我们决定看看是否能开发一种模仿蟒蛇牙齿形状的装置，该装置能有效抓握软组织而不撕裂，并帮助降低肩袖修复后肌腱再撕裂的风险，”该研究的主要作者、Thomopoulos实验室的前生物医学工程博士生Iden Kurtaliaj说。

受蟒蛇牙齿启发的创新装置

该团队的原始想法是复制蟒蛇牙齿的形状，但他们走得更远，使用模拟、3D打印和对尸体的离体实验来探索牙齿形状与抓握 vs. 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，并最终优化了针对肩袖的牙齿阵列。

最终的结果是一个仿生装置，由生物相容性树脂制成——一个弯曲基底上的牙齿阵列——能够抓握（而不是切割）肌腱。牙齿相对较小——对于人类肩袖为3mm高，大约是标准 staples 长度的一半——这样它们就不会刺穿肌腱。基底可以通过3D打印定制，以匹配患者特定的肱骨头在冈上肌腱附着部位的曲率。

“我们 specifically 设计它，以便外科医生不需要放弃他们当前的方法——他们可以简单地添加该装置并增加他们修复的强度，”Kurtaliaj指出。

合作研究增强了手术技术

Kurtaliaj在博士生期间，在Stavros Thomopoulos博士和Guy Genin博士（华盛顿大学圣路易斯分校 Harold and Kathleen Faught 机械工程教授）的指导下领导了这项研究，并得到了哥伦比亚大学内外科学院骨科系主任William Levine博士在临床实施方面的意见。

“由于我们的实验室与骨科外科医生密切合作，我们特别幸运地在装置的设计开发过程中得到了Levine博士以及哥伦比亚大学其他外科医生的意见，”Thomopoulos说。

手术修复的未来方向

研究人员 now 正在努力开发该装置的一种可生物吸收的版本，该版本将在肩袖愈合到骨骼时降解，进一步增强其临床适用性。他们还在准备与FDA进行预提交会议，以促进他们的装置进入市场。

参考原文： Iden Kurtaliaj, et al. “Python tooth–inspired fixation device for enhanced rotator cuff repair”. Science Advances. 28 June 2024. DOI: 10.1126/sciadv.adl5270.