2009年6月杂志俱乐部主题:自然界中的双材料界面:肌腱与骨的附着

六月杂志俱乐部的条目是和达沃Thomopoulos他来自华盛顿大学圣路易斯医学院的矫形外科。

不同材料的附着是一个材料工程的挑战，因为高水平的局部应力可以出现在双材料界面。虽然应力集中可以出现在夹杂物之外，但当双材料界面有一个暴露的边缘时，这个问题特别有趣:在某些情况下，弹性奇点可以出现在界面上(例如，Williams, ML. 1952。在伸展板的角角中，由不同边界条件引起的应力奇点。应用力学杂志19: 526 - 528。)当一种材料可以形成断裂过程区时，可以设计一个界面，使即使是开裂的界面也能承受设计载荷(例如Hutchinson, j.w.， Suo, Z.，“层状材料中的混合模式开裂”。应用力学进展由J. W. Hutchinson和T. Y. Wu编辑，29， 63-191(1992)。这里的想法是，在这种情况下，奇点被一个断裂过程区掩盖，在这个过程区中，材料同时吸收能量，并通过降低刚度来保护裂纹尖端免受最高应力的影响。存在大量的“功能分级”方案，其中相邻材料的材料属性在界面区域内插值;这些可以进一步加强接口(参见，例如，一组论文Eng。打破。动力机械。69(14 - 16), 2002;最近的一项综述是Birman V和Byrd LW“功能梯度材料和结构的建模与分析”达成。动力机械。牧师。60, 2007年）.

但与连接两个生物组织的问题相比，这一切都很简单。生物组织通常因拉伸而变硬，而不是应变硬化，这意味着应力集中随着拉伸的增加而放大，而不是像金属那样被屏蔽。大自然是如何处理这个问题的呢?我们对人体将肌腱与骨骼连接的方式特别感兴趣:这是自然界中拉力结构连接的最大材料不匹配，大约与成熟的葡萄和它的茎之间的不匹配相同。

身体是如何实现这种连接的?除了为肌腱提供一个向外的伸展，主体还呈现出一种不同于我们在工程实践中观察到的任何功能分级方案。而不是像工程师那样在肌腱和骨骼之间插入，身体包含了一条比肌腱或骨骼都更顺从的组织带(Thomopoulos, S.， G. R. Williams, J. a . gimbel, M. Favata，和L. J. Soslowsky. 2003。沿肌腱到骨插入点的生物力学、结构和成分特性的变化。《科学研究杂志》21: 413 - 419)。今年夏天我们小组发表的一篇联合论文表明，这是因为胶原蛋白组织的减少以及肌腱和骨骼之间矿化的增加;在矿化中达到渗流阈值后，硬度下降结束。

我们感兴趣的是人体如何实现这一点，不仅为仿生双材料界面设计提供信息，而且为工程手术移植物的设计提供信息。我们的外科同事迫切需要这些:在肩袖肌腱与肱骨头的再植过程中，标准的再植程序包括剪掉所有(通常磨损的)过渡组织，并将肌腱直接缝合到骨头上。在某些人群中，这种方法的眼泪复发率高达94%(不相信我们吗?参见加拉茨，L. M.， C. M.鲍尔，S. A.蒂菲，W.。米德尔顿，山口，2004。“完全经yarthrothross修补大面积肩袖撕裂的结果和修复完整性，”骨与关节外科杂志——《美国卷》86年: 219 - 224。)为此，我们正在为张力下的组织-骨连接构建手术移植物(例如，参见Stavros Thomopoulos的Kappa Delta奖论文:http://www.aaos.org/Research/committee/research/Kappa/kappa_winners.asp#2009），和其他正在建设嫁接压缩链接，(例如，Harley BA, Lynn AK,Wissner-Gross Z, Bonfield W, Yannas IV, Gibson LJ。多相骨软骨支架的设计。2矿化胶原-糖胺聚糖支架的制备生物医学杂志， 2009, mid: 19301274)。

我们很清楚“如何”，但我们想开始讨论“为什么”?为什么要在自然界最严重的物质不匹配中加入一个顺应带呢?我们小组今年夏天发表的另一篇文章表明，在某些情况下，压力集中可以通过对自然界中观察到的不寻常特征进行功能分级来降低。但我们怀疑答案更深，纳米尺度的模拟可能会为这个问题提供线索。我们想通过强调Markus Buehler小组的两个贡献来开启讨论:

首先是Buehler, M.J，和Ackbarow, T，“分级生物材料和组织的纳米力学强度机制”，生物力学与生物医学工程中的计算机方法“，, 2008年．在这里，作者预测了胶原原纤维在较高应变率下更坚韧的显著结果。难道是因为部分矿化增加了矿化口袋之间的应变率，肌腱和骨骼之间的顺应带中的胶原蛋白实际上更坚韧吗?

第二点是Buehler, m.j.，“新生骨的分子纳米力学:矿化的纤维增韧”，纳米技术, 2008年．在这里，Markus表明，如果考虑到胶原蛋白和矿物质之间的界面滑移，矿化的胶原纤维比未矿化的胶原纤维要坚硬得多。在部分矿化的区域，增强的矿物流动性会导致韧性的增加吗?

我们希望你对这个问题有一些想法。请注意，我们喜欢Markus，并认识到他在这些研究中必须做出一些假设，所以请在这方面的工作中放松，除非你碰巧是一个实验主义者，知道如何证明这些假设是错误的。