Jurutera sering menggunakan alam semula jadi untuk memberi inspirasi kepada bahan dan reka bentuk baharu. Penemuan oleh pasukan penyelidik dan jurutera berbilang institusi tentang cara tendon dan tulang melekat pada sendi bahu telah menemui strategi kejuruteraan yang tidak disyaki sebelum ini untuk melekatkan bahan yang berbeza. Penemuan ini juga memberi penerangan baharu tentang cara manset pemutar berfungsi dan sebab pembaikan cuff pemutar sering gagal.
Guy Genin, Profesor Kejuruteraan Mekanikal Harold dan Kathleen Faught di Sekolah Kejuruteraan McKelvey di Universiti Washington di St. Louis, dan Stavros Thomopoulos, Profesor Pembedahan Ortopedik Robert E. Carroll dan Jane Chace Carroll di Universiti Columbia, mengetuai pasukan yang menemui seni bina gentian yang sebelum ini tidak diketahui antara tendon cuff pemutar dan lampiran tulang mereka di bahu. Hasil kerja telah diterbitkan dalam Science Advances 26 Nov.
Rotator cuff koyak - antara kecederaan tendon yang paling biasa pada orang dewasa - berlaku apabila tendon terkeluar atau patah berhampiran tulang. Tiga puluh peratus orang dewasa yang berumur lebih dari 60 tahun mengalami koyakan, dan lebih daripada 60% orang dewasa yang berumur lebih dari 80 tahun mengalami koyakan. Pembedahan untuk membaiki koyakan mempunyai kadar kegagalan yang tinggi, antara 30% hingga 90% bergantung pada umur dan faktor lain. Genin, Thomopoulos dan pasukan mereka telah mengkaji mekanobiologi tisu ini selama beberapa tahun.
Untuk melihat dengan lebih dekat pada entesis, atau bahan peralihan di mana setiap empat tendon cuff pemutar melekat pada tulang, pasukan menggunakan teknik tomografi terkomputer mikro (mikroCT) novel. Imej-imej itu mendedahkan tapak tersembunyi dalam entesis tendon supraspinatus pada bahu tetikus di mana gentian tendon dimasukkan terus ke dalam tulang lebih kurang 30% daripada jejak lampiran yang terkenal. Melalui analisis biomekanikal, ditambah dengan simulasi berangka, mereka mendapati bahawa keliatan manset pemutar yang sihat timbul daripada komposisi, struktur dan kedudukan enthesis kerana seni bina tisu lembut berserabut berinteraksi dengan tulang. Ini adalah kali pertama penyelidik dapat melihat kedua-dua tisu lembut dan keras dalam rotator cuff secara serentak.
"Apabila [pengarang utama] Mikhail Golman mula-mula menunjukkan kepada kami imej-imej ini, kami menyedari bahawa kebanyakan gambaran lama tentang bagaimana tendon dan tulang berinteraksi perlu dilukis semula, " kata Genin. "Sistem gentian di sana kelihatan seperti gentian dalam tali, dan kita boleh memahami banyak tentang dari mana datangnya kekerasan dengan memahami bagaimana gentian ini pecah secara berurutan apabila ia berada di sebelah tulang. Ini adalah cara berfikir baharu tentang cara melampirkan bahan yang berbeza."
Selepas pasukan menemui tapak tersembunyi, terdapat penemuan lanjut semasa mereka berkembang.
"Setiap percubaan yang kami lakukan mendedahkan ciri baharu sistem lampiran yang menarik," kata Thomopoulos. "Kami segera menyedari bahawa aspek asas masalah ini perlu difikirkan semula dari awal. Matlamat kami adalah untuk memahami di mana manset pemutar yang sihat mendapat keliatan dan kekuatannya dan dalam keadaan apa ia pecah. Kami mendapati bahawa keliatan manset pemutar berbeza-beza mengikut keadaan. fungsi kedudukan bahu, membantu menjelaskan perbezaan dalam corak kecederaan yang dilihat pada pesakit."
Pasukan mendapati bahawa keliatan manset pemutar datang daripada mempunyai gentian membantu membina jambatan antara tisu dan tulang. Keliatan merujuk kepada berapa banyak tenaga yang diperlukan untuk memecahkan struktur, manakala kekuatan merujuk kepada betapa sukarnya seseorang itu perlu menarik untuk memecahkannya, kata Genin.
"Kami mendapati bahawa sebenarnya terdapat pertukaran antara kekuatan dan keliatan dengan sistem gentian ini," kata Genin. "Jika anda mengurangkan kekuatan keseluruhan dengan membenarkan beberapa gentian pecah, anda sebenarnya boleh menjadikan struktur lebih keras kerana jumlah tenaga yang diserap meningkat."
Genin berkata keputusan mereka menunjukkan bahawa mereplikasi struktur gentian adalah penting untuk kejayaan dan penyembuhan tanpa kesakitan selepas pembaikan rotator cuff.
"Penyelidikan ini memberi kami pandangan baharu di kawasan yang sering cedera ini dan memberikan pemikiran baharu tentang cara melampirkan dua bahan berbeza ini," kata Genin. "Ini bukan sahaja penting untuk pembedahan, tetapi untuk semua jenis kegagalan kejuruteraan yang berlaku apabila anda menyambungkan bahan kepada sesuatu dengan seni bina yang berbeza. Dengan menggabungkan paradigma seni bina merentas bahan dan membolehkan kegagalan teragih unsur-unsur yang disatukan, anda boleh meningkatkan keliatan secara mendadak."
