羊跟腱附着点结构与力学研究：为组织工程支架设计提供关键依据

肌腱或附着点（enthesis）损伤是全球性临床难题，手术修复失败率高。研究人员以羊腓肠肌肌腱（TTSM）为对象，探究其结构和力学特性。结果揭示了相关结构变化、力学性能等。该研究为设计新一代修复支架提供依据。

　　在人体的运动系统中，肌腱和韧带（T/L）起着至关重要的作用，它们连接着肌肉和骨骼，帮助身体完成各种动作。然而，肌腱和韧带损伤却成为了一个困扰全球的重大健康问题，每年都有大量患者深受其害。据统计，全球每年约有 3000 万例肌腱和韧带损伤病例，仅在欧洲和美国，每年用于治疗这些损伤的医疗费用就分别高达 1150 亿欧元和 300 亿美元。其中，肌腱或韧带与骨骼的连接部位 —— 附着点（enthesis）的损伤尤为棘手，它常与肩袖疾病、网球肘、跳跃者膝以及跟腱炎等病症相关，不仅会导致患者急性残疾，还可能使关节更容易患上骨关节炎，严重影响患者的生活质量。目前，附着点损伤修复手术的失败率极高，根据不同的解剖部位，失败率在 10% - 94% 之间波动，例如肩袖损伤修复手术的失败率就高达 20% - 94%。这主要是因为附着点处的细胞外基质（ECM）、纤维软骨和骨组织的层次结构极为复杂，给修复工作带来了巨大挑战。

为了解决这些难题，推动肌腱和韧带损伤治疗领域的发展，来自多个国外研究机构的研究人员开展了一项针对羊腓肠肌肌腱（TTSM）的深入研究。该研究成果发表在《Biomaterials Advances》杂志上，为肌腱和韧带损伤的治疗带来了新的希望。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。在样本采集方面，他们从 20 只羊的右后腿获取 TTSM 肌腱 - 附着点 - 骨复合体样本。利用扫描电子显微镜（SEM）观察样本的细胞外基质（ECM）组织；通过组织学染色（如 Safranin - O 染色）来分析组织结构；运用定量背散射电子成像（qBEI）和纳米压痕技术测定矿物质含量和局部组织力学性能；借助机械拉伸试验和数字图像相关（DIC）技术研究样本的力学性能和表面应变分布，同时还进行了循环试验检测跟腱 - 附着点复合体的力损失情况 。

通过这些研究，研究人员得出了一系列重要结论：

• SEM 观察结果：胶原纤维的取向和直径分布在 TTSM 的不同区域存在显著差异。在肌腱主体部分，胶原纤维多呈轴向排列，频率为 76 ± 6%（0° - 18° 范围），平均直径为 170 ± 31nm。随着向附着点和骨组织靠近，纤维直径逐渐减小，取向也变得更加随机。在附着点区域，还发现了一层约 100μm 厚的致密随机纤维层，推测这是腱外膜鞘的增厚部分，用于保护下方的肌腱束。
• 组织学研究结果：Safranin - O 染色结合 Fast Green 染色显示，肌腱和骨组织被染成绿色，而附着点区域因富含糖胺聚糖（GAGs）和蛋白聚糖，呈现出紫色、红色和橙色。同时观察到腱外膜在附着点和骨侧的前几厘米处明显增厚，之后逐渐转变为更类似软骨的组织，形成低摩擦区域，以适应趾浅屈肌腱（SDFT）的滑动。
• qBEI 和纳米压痕分析结果：qBEI 分析表明，矿化纤维软骨（mFC）区域的矿化程度高于相邻的软骨下骨，部分区域钙含量甚至超过 27wt%。纳米压痕结果显示，mFC 比骨更硬更 stiff，在非矿化和矿化组织的界面处，矿化程度、压痕模量和硬度存在陡峭的梯度变化。小梁骨的压痕模量在 15 - 22GPa 之间，硬度在 0.5 - 0.8GPa 之间。
• 机械拉伸试验和 DIC 结果：所有样本均呈现出肌腱组织典型的非线性行为，在名义应变达到 3 - 3.5% 之前为趾区，之后呈线性变化。样本的失败力为 F_F=1369 ± 187N（σ_F=33±11MPa），失败应变为 ε_F=8.2 ± 1.0% ，刚度为 K = 309 ± 38N/mm，弹性模量为 E = 531 ± 112MPa。DIC 技术揭示，在拉伸试验中，骨区域（RVI）的 ε_p1和 ε_p2接近 0%，对弹性力学行为贡献较小；肌腱区域（RI）的应变较大，ε_p1在肌腱中心线处可达 32 - 40%，且 ε_p2始终为正，范围在 5% - 10% 之间，突出了肌腱和附着点组织的膨胀行为。
• 循环试验结果：循环试验表明，TTSM 在循环加载过程中力逐渐损失，从第一周期的 F_P=549 ± 95N 降至第 100 周期的 F_P=436 ± 82N，最后一组的平均力损失百分比为 21 ± 7%。

综合上述研究结果，此次研究全面地描述了羊 TTSM - 跟骨复合体的结构和力学特性。研究发现羊 TTSM 在结构和力学方面与人类肌腱存在诸多相似之处，如 ECM 的形态相似性、表面应变分布以及附着点处小而缓的矿化梯度力学等。这些发现对于生物制造领域设计新一代仿生承重支架具有重要意义，为肌腱 - 附着点 - 骨链的再生提供了关键的理论依据，有望推动肌腱和韧带损伤治疗技术的进一步发展，帮助更多患者恢复健康。但该研究也存在一定局限性，如仅对右后腿进行了研究，且 qBEI 和纳米压痕的样本数量有待增加。未来，研究人员可针对这些不足展开更深入的研究 。