研究人员受蟒蛇牙齿启发3D 打印仿生固定装置，用于增强肩袖术后恢复

2024年7月7日，南极熊获悉，来自哥伦比亚大学骨科和生物医学工程教授 StavrosThomopoulos 博士及其团队从蟒蛇牙齿锋利、向后弯曲的结构中获得灵感，利用 3D 打印技术制造出一种仿生设备，开发出一种可用于修复肩袖组织的新型3D 打印医疗固定装置，使得肩袖组织术后修复的强度几乎增加了一倍。

△受蟒蛇牙齿启发而制作的装置示意图，置于肌腱和骨头之间。图片来源：Iden Kurtaliaj/哥伦比亚工程公司。

他们的研究成果以题为“Python tooth–inspired fixationdevice for enhanced rotator cuff repair/受蟒蛇牙齿启发的固定装置，用于增强肩袖修复”的论文发表在《科学进展》上。

相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl5270

哥伦比亚大学Thomopoulos 博士的研究重点是肌腱骨修复方向，他们此次的研究成果对于治疗肩袖撕裂至关重要。肩袖撕裂是最常见的肌腱损伤之一，据报道，每年美国有超过 1700 万人受到此类损伤的影响。损伤的发生率随着年龄的增长而增加，超过 40% 的 65 岁以上的人口会出现肩袖撕裂。这些撕裂会导致肩部力量丧失，从而导致患者疼痛、工作时间损失和娱乐活动受限。肩袖撕裂通常发生在肌腱与骨的附着部位，肩袖修复的目的是恢复肌腱附着处的解剖结构。

肩袖手术修复是恢复肩部功能的主要治疗方法，美国每年进行 60 多万例肩袖手术，花费 30 亿美元。然而，成功地将肌腱重新连接到骨头上仍然是一项重大的临床挑战。传统方法通常会导致缝合线撕裂肌腱，这种现象称为“缝合线拉出”或“奶酪线”。此外，肩袖目前手术后的失败率很高，而且随着患者年龄和撕裂严重程度的增加，失败率也会增加。这些失败率从轻微撕裂的年轻患者的 20% 到严重撕裂的老年患者的惊人的 94%。肩袖修复经常会因为缝合线在力量集中的两个或四个抓握点处撕裂肌腱而失败（图1，A至C）。

图1.用于肩袖修复的 3D 打印仿生装置。

Thomopoulos所开发的新型仿生装置旨在缓解这一问题。研究团队进行了大量模拟、3D 打印和尸体实验，以完善设计。最终成果是弯曲底座上有一小排生物相容性树脂齿。这些齿只有 3 毫米长，旨在抓住肌腱而不切断它，从而降低再次撕裂的风险。底座可以通过 3D 打印进行定制，以适应患者肱骨头的特定曲率，从而增强装置的有效性和个性化。

图2.单个牙齿的优化。

图3.不同曲率比的单齿的机械特性。

图4.齿列的机械特性。

论文主要作者 Iden Kurtaliaj 在攻读博士学位期间在 Thomopoulos 博士和 Guy Genin 博士的指导下领导了这项研究，他强调该装置与现有的外科手术技术无缝集成。外科医生可以将仿生装置纳入他们目前的手术中，以增强修复强度，而无需从根本上改变他们的方法。

展望未来，哥伦比亚大学研究团队正在开发一种可生物吸收的仿制蟒蛇牙齿装置，该装置会随着肌腱愈合而降解，从而进一步提高其临床实用性。他们还准备与 FDA 举行预提交会议，以促进其创新装置向市场的过渡。这一进步代表着骨科手术向前迈出了重要一步，有可能改变肩袖损伤的治疗格局。