Новое устройство, вдохновленное зубами питона, может снизить риск повторного разрыва вращательной манжеты

Большинство людей, когда думают о питонах, представляют себе огромную змею, сжимающую и заглатывающую жертву целиком. Но знаете ли вы, что питоны изначально удерживают свою добычу острыми, загнутыми назад зубами?

Медицинские исследователи давно знали, что эти зубы идеально подходят для захвата мягких тканей, а не для их разрезания, но никто пока не смог применить эту концепцию в хирургической практике. На протяжении многих лет имитация этих зубов для использования в хирургии была частой темой обсуждения в лаборатории доктора Ставроса Томопулоса, профессора ортопедии и биомедицинской инженерии в Колумбийском университете.

Биомимикрия — ключ к новому исследованию

Томопулос, ведущий исследователь, занимающийся развитием и регенерацией прикрепления сухожилий к костям, особенно заинтересован в совершенствовании восстановления соединения сухожилий с костями, необходимого для восстановления вращательной манжеты плеча и реконструкции передней крестообразной связки.

В статье, опубликованной Достижения науки, его команда сообщает, что они разработали устройство на основе зуба питона в качестве дополнения к существующему ремонту швов вращательной манжеты плеча и обнаружили, что оно почти вдвое увеличивает прочность ремонта.

«По мере того, как мы становимся старше, более половины из нас сталкиваются с разрывом вращательной манжеты плеча, что приводит к боли в плече и снижению подвижности», — говорит Томопулос, который совмещает должности профессора биомеханики имени Роберта Э. Кэрролла и Джейн Чейс Кэрролл (в области ортопедической хирургии и биомедицинской инженерии) в Колумбийском инженерном институте и Колледже врачей и хирургов имени Вагелоса при Колумбийском университете.

«Лучшим медицинским вмешательством является операция на вращательной манжете плеча, но чрезвычайно высокий процент таких ремонтов терпит неудачу всего через пару месяцев. Наш биомиметический подход, основанный на конструкции зубов питона, помогает более надежно прикрепить сухожилия к кости. Устройство не только увеличивает прочность восстановления, но и может быть настроено под пациента. Мы действительно воодушевлены потенциалом нашего устройства для улучшения лечения травм вращательной манжеты плеча».

Травмы вращательной манжеты плеча

Среди наиболее распространенных травм сухожилий разрывы вращательной манжеты плеча поражают более 17 миллионов человек в Соединенных Штатах каждый год. Частота травм увеличивается с возрастом: более 40% населения старше 65 лет испытывают разрыв вращательной манжеты плеча.

Поскольку разрывы вращательной манжеты обычно возникают в месте прикрепления сухожилия к кости, восстановление вращательной манжеты направлено на анатомическое восстановление места прикрепления сухожилия. Хирургическое восстановление является основным методом восстановления функции плеча: ежегодно в Соединенных Штатах проводится более 600 000 процедур стоимостью 3 миллиарда долларов.

Однако успешное прикрепление сухожилия к кости остается серьезной клинической проблемой. После операции наблюдается высокий процент неудач, причем этот показатель увеличивается с возрастом пациента и тяжестью разрывов. Эти показатели варьируются от 20% у молодых пациентов с небольшими разрывами до ошеломляющих 94% у пожилых пациентов с массивными разрывами. Наиболее распространенной неудачей при восстановлении вращательной манжеты является разрыв швов сухожилия в двух или четырех точках захвата, где концентрируются силы.

Несмотря на то, что за последние 20 лет в методиках восстановления вращательной манжеты плеча произошли определенные улучшения, основной подход к сшиванию двух тканей остался практически неизменным: по-прежнему используются швы, передающие натяжение в точках захвата с высокой степенью напряжения.

После операции по прикреплению сухожилия к кости швы могут разорваться на сухожилиях в точках высокого напряжения — явление, известное как «протягивание шва» или «проволока», что приводит к разрыву или разрыву места восстановления.

«Мы решили посмотреть, сможем ли мы разработать устройство, которое имитирует форму зубов питона, которое будет эффективно захватывать мягкие ткани, не разрывая их, и поможет снизить риск повторного разрыва сухожилия после восстановления вращательной манжеты», — сказала Иден Курталиай, участник исследования. ведущий автор и бывший доктор философии в области биомедицинской инженерии. студент лаборатории Томопулоса.

Устройство

Первоначальной идеей команды было скопировать форму зубов питона, но они пошли гораздо дальше, используя моделирование, 3D-печать и эксперименты ex vivo на трупах, чтобы изучить взаимосвязь между формой зубов и механикой захвата и резки.

Курталиадж изготовил ряд конструкций зубов, оптимизировал отдельные зубы, массивы зубов и, наконец, массив зубов, специфичный для вращательной манжеты. Конечным результатом стало биомиметическое устройство, изготовленное из биосовместимой смолы — массив зубов на изогнутом основании — способное захватывать, а не резать сухожилия.

Зубцы относительно небольшие — 3 мм в высоту для вращательной манжеты человека, что примерно вдвое меньше длины стандартной скобы, — поэтому они не проткнут сухожилие. Основание можно настроить с помощью 3D-печати, чтобы оно соответствовало кривизне головки плечевой кости пациента в месте прикрепления сухожилия надостной мышцы (наиболее часто разрываемое сухожилие вращательной манжеты).

«Мы разработали его специально для того, чтобы хирургам не пришлось отказываться от своего текущего подхода — они могли просто добавить устройство и увеличить прочность своего восстановления», — отметил Курталиадж.

Курталиадж руководил исследованием в качестве аспиранта под руководством докторов Ставроса Томопулоса и Гая Генина, профессора машиностроения имени Гарольда и Кэтлин Фот в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, при участии доктора Уильяма Левина, заведующего кафедрой ортопедической хирургии Колледжа врачей и хирургов Колумбийского университета, для клинической реализации проекта.

«Благодаря тесному сотрудничеству нашей лаборатории с хирургами-ортопедами нам особенно повезло получить вклад от доктора Левина и других хирургов Колумбийского университета на протяжении всего процесса разработки конструкции устройства», — сказал Томопулос.

В настоящее время исследователи работают над разработкой биорассасывающейся версии устройства, которая будет разрушаться по мере заживления вращательной манжеты до кости, что еще больше расширяет ее клиническую применимость. Они также готовятся к встрече с FDA перед подачей заявки, чтобы облегчить выход их устройства на рынок.