研究人員受蟒蛇牙齒啟發(fā)3D 打印仿生固定裝置，用于增強肩袖術(shù)后恢復(fù)

2024年7月7日，南極熊獲悉，來自哥倫比亞大學(xué)骨科和生物醫(yī)學(xué)工程教授 StavrosThomopoulos 博士及其團(tuán)隊從蟒蛇牙齒鋒利、向后彎曲的結(jié)構(gòu)中獲得靈感，利用 3D 打印技術(shù)制造出一種仿生設(shè)備，開發(fā)出一種可用于修復(fù)肩袖組織的新型3D 打印醫(yī)療固定裝置，使得肩袖組織術(shù)后修復(fù)的強度幾乎增加了一倍。

△受蟒蛇牙齒啟發(fā)而制作的裝置示意圖，置于肌腱和骨頭之間。圖片來源：Iden Kurtaliaj/哥倫比亞工程公司。

他們的研究成果以題為“Python tooth–inspired fixationdevice for enhanced rotator cuff repair/受蟒蛇牙齒啟發(fā)的固定裝置，用于增強肩袖修復(fù)”的論文發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl5270

哥倫比亞大學(xué)Thomopoulos 博士的研究重點是肌腱骨修復(fù)方向，他們此次的研究成果對于治療肩袖撕裂至關(guān)重要。肩袖撕裂是最常見的肌腱損傷之一，據(jù)報道，每年美國有超過 1700 萬人受到此類損傷的影響。損傷的發(fā)生率隨著年齡的增長而增加，超過 40% 的 65 歲以上的人口會出現(xiàn)肩袖撕裂。這些撕裂會導(dǎo)致肩部力量喪失，從而導(dǎo)致患者疼痛、工作時間損失和娛樂活動受限。肩袖撕裂通常發(fā)生在肌腱與骨的附著部位，肩袖修復(fù)的目的是恢復(fù)肌腱附著處的解剖結(jié)構(gòu)。

肩袖手術(shù)修復(fù)是恢復(fù)肩部功能的主要治療方法，美國每年進(jìn)行 60 多萬例肩袖手術(shù)，花費 30 億美元。然而，成功地將肌腱重新連接到骨頭上仍然是一項重大的臨床挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法通常會導(dǎo)致縫合線撕裂肌腱，這種現(xiàn)象稱為“縫合線拉出”或“奶酪線”。此外，肩袖目前手術(shù)后的失敗率很高，而且隨著患者年齡和撕裂嚴(yán)重程度的增加，失敗率也會增加。這些失敗率從輕微撕裂的年輕患者的 20% 到嚴(yán)重撕裂的老年患者的驚人的 94%。肩袖修復(fù)經(jīng)常會因為縫合線在力量集中的兩個或四個抓握點處撕裂肌腱而失�。▓D1，A至C）。

圖1.用于肩袖修復(fù)的 3D 打印仿生裝置。

Thomopoulos所開發(fā)的新型仿生裝置旨在緩解這一問題。研究團(tuán)隊進(jìn)行了大量模擬、3D 打印和尸體實驗，以完善設(shè)計。最終成果是彎曲底座上有一小排生物相容性樹脂齒。這些齒只有 3 毫米長，旨在抓住肌腱而不切斷它，從而降低再次撕裂的風(fēng)險。底座可以通過 3D 打印進(jìn)行定制，以適應(yīng)患者肱骨頭的特定曲率，從而增強裝置的有效性和個性化。

圖2.單個牙齒的優(yōu)化。

圖3.不同曲率比的單齒的機(jī)械特性。

圖4.齒列的機(jī)械特性。

論文主要作者 Iden Kurtaliaj 在攻讀博士學(xué)位期間在 Thomopoulos 博士和 Guy Genin 博士的指導(dǎo)下領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，他強調(diào)該裝置與現(xiàn)有的外科手術(shù)技術(shù)無縫集成。外科醫(yī)生可以將仿生裝置納入他們目前的手術(shù)中，以增強修復(fù)強度，而無需從根本上改變他們的方法。

展望未來，哥倫比亞大學(xué)研究團(tuán)隊正在開發(fā)一種可生物吸收的仿制蟒蛇牙齒裝置，該裝置會隨著肌腱愈合而降解，從而進(jìn)一步提高其臨床實用性。他們還準(zhǔn)備與 FDA 舉行預(yù)提交會議，以促進(jìn)其創(chuàng)新裝置向市場的過渡。這一進(jìn)步代表著骨科手術(shù)向前邁出了重要一步，有可能改變肩袖損傷的治療格局。