Фиксаторы плечевых связок на модели зубов питона

Питоны сначала захватывают свою добычу острыми, загнутыми назад зубами, прочно удерживая жертву без разрыва тканей тела, затем сдавливают ее и заглатывают. Биоинженеры давно хотели внедрить в хирургическую практику модель работы зубов питона, которые захватывают мягкие ткани, не разрезая их.

Ведущий исследователь, специализирующийся на развитии и регенерации соединения сухожилия с костью, профессор ортопедии и биомедицинской инженерии Колумбийского университета Дж. Ставрос Томопулос на протяжение многих лет работал над созданием специального материала для соединения связок с костями плеча, поверхность которого покрыта большим числом острых выступов высотой в несколько миллиметров, похожих по устройству на зубы питона.

Томопулос особенно заинтересован в улучшении процесса восстановления сухожилия с костью, необходимого для восстановления вращательной манжеты плеча и передней крестообразной связки. В статье, опубликованной в журнале Science Advances, ученый и его команда сообщают, что они разработали биомиметический материал, который позволяет гораздо более прочно соединять сухожилия с костной тканью плеча.

«С возрастом более чем половина людей испытывают боль в плечах из-за разрывов связок и других повреждений плечевого сустава. Операция на вращательной манжете плеча на какое-то время помогает решить проблему, однако во многих случаях через несколько месяцев снова происходит разрыв вращательной манжеты плеча, что приводит к болям в плече и снижению подвижности», - рассказывает Томопулос, - «Наш биомиметический подход, основанный на конструкции зубов питона, помогает более надежно прикреплять сухожилия к кости. Устройство не только повышает прочность восстановления, но и может быть адаптировано к потребностям пациента».

С возрастом количество травм увеличивается: более 40% населения старше 65 лет страдают от разрыва вращательной манжеты плеча. Поскольку разрывы вращательной манжеты обычно происходят в месте соединения сухожилия с костью, хирургическое вмешательство является основным методом восстановления функции плечевого сустава и направлено на анатомическое восстановление места прикрепления сухожилия.

Однако успешное прикрепление сухожилия к кости остается серьезной клинической проблемой. После операции возникает высокий процент неудач, который увеличивается с возрастом пациента и тяжестью разрыва. Этот показатель колеблется от 20% у молодых пациентов с незначительными разрывами до 94% у пожилых пациентов с обширными разрывами. Наиболее распространенной причиной неудач при восстановлении вращательной манжеты плеча является разрыв швов на сухожилии в двух или четырех точках захвата, где концентрируются усилия.

Несмотря на то, что за последние 20 лет технологии восстановления вращательной манжеты плеча значительно продвинулись вперед, фундаментальный подход к сшиванию двух тканей остался практически неизменным, по-прежнему полагаясь на швы, передающие натяжение в местах захвата с высокой нагрузкой. После операции по восстановлению соединения сухожилия с костью швы могут прорваться через сухожилия в местах повышенного напряжения, что приводит к разрыву в месте восстановления.

Биофизики просчитали то, как миниатюрные копии зубов рептилий взаимодействуют с тканями связок и костей, и подобрали такие размеры и геометрию этих микроструктур, при которой они обеспечивают максимально прочную связь между сухожилиями и костной тканью. Прототипы подобных «пластырей» для связок ученые создали при помощи 3D-печати из обычного биосовместимого полимера, широко используемого в быту. Конечным результатом стало биомиметическое устройство, изготовленное из биосовместимой смолы - набор зубцов на изогнутом основании, - способное захватывать сухожилия, а не перерезать их. Зубцы относительно маленькие - высота вращательной манжеты плеча человека составляет 3 мм, что составляет примерно половину длины стандартной скобки, - поэтому они не протыкают сухожилие. Основание может быть изготовлено по индивидуальному заказу с помощью 3D-печати в соответствии с индивидуальными требованиями пациента к изгибу головки плечевой кости в месте прикрепления сухожилия надостной мышцы.

В настоящее время исследователи работают над разработкой биоабсорбируемой версии устройства, которая будет разрушаться по мере срастания вращательной манжеты плеча с костью, что еще больше увеличит его клиническое применение.

Марина КЫН