搭便车植物激发了将肌腱重新连接到骨骼的改进技术

对于大多数人来说，徒步旅行时衣服上的毛边粘在身上只不过是一件令人讨厌的事情，回家后要捡起来扔掉。但对于工程机械生物学中心 (CEMB) 的科学家来说，这些小搭便车上的钩子正在激发新的缝合方案，用于将肌腱与骨骼重新连接起来。

搭便车植物 H. palermi 果实上独特的一系列钩子促使工程机械生物学中心的研究人员开发改进的缝合技术，用于手术修复组织。

许多外科手术都需要进行肌腱与骨骼的重新连接，也许最常见的是修复肩部撕裂的肩袖肌腱，这种情况将影响超过 30% 的 60 岁以上人口。目前的缝合方法无法均匀分布应力，由于无效的附着和缝合线的重新撕裂，导致失败率高达 94%。

由 CEMB 联席主任、圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院 Harold 和 Kathleen Faught 机械工程教授 Guy Genin 领导的一组研究人员开发了一种基于力学的新缝合方法以及搭便车植物附着系统的间距。他们的策略有望平衡缝合线的力量，减少愈合肌腱的压力，并可能使修复强度比目前的缝合方案提高一倍。

“在 CEMB，我们一直在思考医疗实践中的关键问题，并努力将来自不同学科的人们聚集在一起，共同解决这些重大问题，”Genin 说。“已故的伟大的芭芭拉·皮卡德 (Barbara Pickard) 是帮助建立 CEMB 的机械生物学先驱，她在穿越沙漠时在袜子上发现了这些毛刺，她并没有简单地丢弃它们；她抓住了这个想法，即大自然可以提供新颖的东西在意想不到的地方解决方案。”

在 Pickard 步行数十年后，她与 Genin 和他的研究生 Ethan D. Hoppe（这项新研究的主要作者）分享了她在毛刺方面的经验——类似于启发钩环紧固件技术的搭便车植物。对于 Genin 和 Hoppe 来说，这是一种“灵光一现”的时刻。

Genin、Hoppe 和他们的合作者多年来一直在研究肌腱与骨骼的手术复位。他们想知道，毛刺平衡力的方法是否可以用于修复组织？

为了测试这一点，Hoppe 开始种植 Pickard 遇到的一些搭便车植物 Harpagonella palermi，并分析其果实上独特的钩状阵列。不幸的是，H. palermi 只在西南沙漠的几处偏远地区被发现。“你当地的花园商店不卖这些，”霍普指出。

经过长时间的搜索，该团队找到了合作者 Matt Guilliams，他是圣巴巴拉植物园 Clifton Smith 植物标本馆的植物系统学家和馆长，该植物园负责管理加州本土植物物种。“在马特将他收获的一些水果寄给我们并且我们能够仔细观察它们之后，我们知道我们有一些有趣的东西，”霍普说。“H. palermi 毛刺的间距和刚度不同寻常，我们开始模拟它们如何可靠地抓住软材料。”

该团队开发的数学模型指出了一种平衡力的独特方案。

“当外科医生修复肩袖之类的东西时，他们移除了身体的所有天然连接器，这些连接器已经进化用于从硬骨过渡到软肌腱的复杂任务，并放入缝合线以将力集中在一个小区域。这就是导致我们看到该程序的高失败率，”霍普说。“大自然已经向我们展示了坚硬的材料，如毛刺上的硬钩，如何非常有效地附着在柔软的材料上，如袜子或狗的皮毛。我们只需要进行应力分析，以确定毛刺与缝合线的比较以及如何这种天然的解决方案可能会应用于医疗实践。”

事实上，自然对常见依恋问题的解决方案可能会有效地克服骨科手术中的最大挑战之一。该团队发现，H. palermi 可以简单有效地平衡连接点之间的力，即使连接点相对较少且材料大不相同。使用他们开发的数学模型来评估基于搭便车机制的缝合程序的变化，该团队现在正在评估新的缝合方法。

新缝合方法的临床前测试已经在合著者 Stavros Thomopoulos 的实验室进行，他是哥伦比亚大学的 Robert E. Carroll 和 Jane Chace Carroll 教授，也是 Carroll 整形外科实验室主任。

“我们很高兴能在现实世界的手术环境中实施这一概念，”Thomopoulos 说。“实验室目前的实验正在评估受搭便车植物启发的缝合间距如何影响肩袖修复强度。”