Biomechanical Characteristics of Light Synthetic Materials for Hernioplasty (Experimental Study)

Abstract


Importance of the topic. One of the directions of improving hernioplasty efficiency with the use of light synthetic materials is including the strengthening zones in their structure.

Purpose. To compare functional effectiveness of the light and the light strengthened polypropylene endoprostheses for hernioplasty on the base of studying biomechanical characteristics of anterior abdominal wall tissues after their implantation in experiment.

Materials and methods. Experimental studies were conducted on 36 rabbits of “chinchilla”  breed. All animals were divided into 2 series of experiments. In the first (control) series the light polypropylene endoprosthesis was implanted, while in the second (experimental) series there was used a new cancellated  endoprosthesis from monofilamentous polypropylene, consisting of the basic and strengthened zones in the form of horizontally located, alternating with each other monothreads of the higher thickness. Pathomorphological changes and biomechanical properties of the abdominal wall tissues were studied macroscopically in the experiment by implantation of endoprostheses in onlay position on the 7th, 30th and 90th  days.

Results and their discussion. There was proved that in direction of the loop column as well as in the  loop row after implantation of the studied materials breaking load increased from the 7th to the 90th day of experiment, that was related to the formation of the connective tissue capsule around materials. The light strengthened endoprosthesis was more durable and stronger in 1,6 times compare to the light analog at all stages of observation. Along the loop column there was no significant difference detected. In both series of experiment in the direction of the loop column as well as in  loop row the reduction of sample lengthening took place. Along the loop column indicators of lengthening, characterizing elasticity of the prosthesis aponeurosis, in the series of the light strengthened endoprosthesis were 1,4-1,6 times lower than in its light analog. Along the loop row there was no significant difference of indicators.

Conclusion. Introduction of the strengthened zones in a light endoprosthesis increases its durability with preservation of the material’s elasticity.


В настоящее время многочисленными исследованиями, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе, убедительно доказана необходимость использования синтетических сетчатых эндопротезов для укрепления брюшной стенки при герниопластике [1]. Исходя из этого, компаниями-производителями выпускается огромное количество таких материалов, отличающихся химическим составом нитей, их толщиной и структурой переплетения и, соответственно этому, биосовместимыми и физико-механическими свойствами [2,3].
Все сетчатые эндопротезы для герниопластики в зависимости от их структуры и диаметра нитей принято делить на стандартные, тяжелые и легкие [4].
Для большинства клинических случаев подходят стандартные эндопротезы. Тяжелые материалы, отличающиеся высокими прочностным свойствами, принято применять при больших и гигантских вентральных грыжах. Легкие эндопротезы, изготовленные, как правило, из нитей меньшего диаметра, обладают наоборот низкими прочностными свойствами. При этом стремление использовать легкие материалы обусловлено их более выраженными биосовместимыми свойствами, связанными с меньшим количеством инородного материала, имплантированного в ткани [5,6]. Кроме этого, легкие эндопротезы обладают большей эластичностью и в меньшей степени ограничивают подвижность брюшной стенки, что с функциональной точки зрения считается их преимуществом перед стандартными материалами [7.8].
Однако, в силу низких прочностных свойств, применение легких материалов ограничено только вентральными грыжами небольших размеров. Попытки использовать их в других клинических ситуациях увеличивают риск развития рецидивов. Так, были зарегистрированы случаи с центральным разрывом легких сеток, имплантированных пациентам с большими вентральными грыжами [9,10], а так же появление рецидива по краю эндопротеза [11].
Следовательно, оправданными являются попытки создания материалов, обладающих как высокими биосовместимыми, так и прочностными свойствами, достаточными для противодействия внутрибрюшному давлению.
По нашему мнению вариантом решения этой проблемы может быть создание и использование легких усиленных эндопротезов, прочность которых в заданном направлении повышается за счёт введения в структуру легкого эндопротеза более прочных усиливающих нитей в виде отдельных усиливающих зон [12]. Ранее нами было доказано, что введение в структуру легкого эндопротеза усиливающих зон не оказывает отрицательного влияния на биоинертные свойства нового материала в целом [13]. При этом неизученными остаются его биомеханические характеристики после имплантации в ткани, от которых будет зависеть эффективность клинического применения, а именно вероятность развития рецидива грыжи и функциональный результат герниопластики.
Цель исследования: сравнить функциональную эффективность легкого и легкого усиленного полипропиленового эндопротезов для герниопластики на основе изучения биомеханических свойств тканей передней брюшной стенки после их имплантации в эксперименте.
Материал и методы
Экспериментальные исследования выполнены на базе НИИ экспериментальной медицины ФГБОУ ВО КГМУ Минздрава России. Эксперимент был проведен на 36 кроликах породы «Шиншилла», одного пола (самки) в возрасте 1-1,5 года, весом 2500–3500 г. Животные отбирались для эксперимента без внешних признаков заболеваний и содержались в одинаковых стандартных условиях.
Для проведения сравнительного исследования были использованы два сетчатых эндопротеза для герниопластики. Первый – легкий эндопротез, состоящий из монофиламентных полипропиленовых мононитей диаметром 90 микрон, обладающий меньшей материалоемкостью в сравнении со стандартным эндопротезом. Второй – легкий усиленный эндопротез – новый сетчатый эндопротез из монофиламентных полипропиленовых мононитей, состоящий из горизонтально расположенных более широкой основной и более узкой усиленных зон, ритмично чередующихся друг с другом. Основная зона была аналогична легкому материалу, усиленная зона отличалась введением в структуру мононитей большей толщины, диаметром 120 микрон.
Все животные были разделены на 2 серии экспериментов по 18 особей в каждой. В 1 серии (контрольной) имплантировали легкий эндопротез, во 2 серии (опытной) – легкий усиленный эндопротез.
Оперативные вмешательства в обеих сериях выполнялись в асептических условиях под общим наркозом следующим образом: отступя от мечевидного отростка книзу на 3 см по срединной линии рассекалась кожа и подкожная клетчатка длинной 11-12 см. Путем отсепаровки в стороны от срединного разреза белая линия живота и передняя стенка влагалища прямых мышц освобождались от клетчатки на расстояние 7-8 см. В сформированное пространство помещался эндопротез размерами 10×7 см.
В опытной серии эндопротез размещался таким образом, чтобы его усиленные зоны располагались в поперечном к оси тела направлении, моделируя правила выполнения герниопластики этим материалом у пациентов с вентральными грыжами. Далее эндопротезы фиксировались отдельными узловыми швами по площади протеза к апоневротическому влагалищу прямых мышц. Фиксацию эндопротеза выполняли полипропиленовой мононитью 3/0 на атравматической игле. Осуществляли тщательный гемостаз в ране и ее послойное ушивание отдельными узловыми швами.
Животных выводили из эксперимента путем передозировки средств для наркоза на сроках 7, 30 и 90 суток. Эвтаназию осуществляли путем передозировки наркотических средств в соответствии с «Конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей», принятой Советом Европы (г. Страсбург, Франция, 1986) и Директивной Совета 86/609/ЕЕС от 24.11.86 «По согласованию законов, правил и административных распоряжений стран-участниц в отношении защиты животных, используемых в экспериментальных и научных целях».
После выведения животных в указанные сроки макроскопически оценивали патоморфологические изменения тканей брюшной стенки и фиксировали наличие осложнений (скопление серозной или геморрагической жидкости, наличие нагноений). Для биомеханических измерений отделяли эндопротезы с соединительнотканной капсулой от мышц и исследовали их на разрывной электромеханической машине (РЭМ) МЕТРОТЕСТ (модель - 0.2-1, заводской № 609187). Для этого из биоптатов готовились полоски шириной 3 см и длиной 5 см. В опытной серии при приготовлении образцов для испытаний обязательно учитывалось расположение усиленных зон: биоптат включал как основную, так и усиленную зоны в том же соотношении, как и в целом эндопротезе.
В процессе испытаний регистрировались удлинение полоски при стандартной нагрузке 16 Н и разрывная нагрузка. При этом считали, что первый показатель характеризовал эластические свойства эндопротеза в сформированной соединительнотканной капсуле, а второй – его прочностные свойства.
Измерения проводили как в направлении петельного ряда (усиливающих зон в случае легкого усиленного эндопротеза), так и петельного столбика (перпендикулярно направлению усиливающих зон) (рис. 1).
По результатам испытаний подсчитывали средние значения показателей удлинения образцов при нагрузке 16 Н (в %) с точностью до 0,1 % и разрывной нагрузки (в Н) с точностью до 0,1 Н.
Для оценки влияния процесса имплантации в ткани на биомеханические свойства эндопротезов аналогичным образом определяли исходные (до имплантации в ткани) физико-механические значения. При этом для сравнения определялись показатели стандартного полипропиленового эндопротеза[14].
Статистика
На первом этапе осуществляли проверку на нормальность распределения в выборках с помощью критерия Шапиро-Вилка. Учитывая полученный результат (характер распределения отличный от нормального) данные были представлены в виде медианы (Me) и квартилей (p 0,25/ p 0,75).
Оценку достоверности различий между двумя независимыми группами проводили с помощью непараметрического U-критерия Манна-Уитни. Различия считали достоверными при p≤0,05.
Результаты и их обсуждение
В результате проведенных макроскопических исследований изученных эндопротезов было установлено, что в процессе имплантации происходило прорастание имплантов соединительной тканью и образование вокруг них соединительнотканной капсулы. При изучении в динамике установлено, что на 7 сутки в обеих сериях отмечались участки, не проросшие соединительной тканью. На 30 сутки в серии с использованием легкого эндопротеза отмечалась равномерная по всей площади материала соединительнотканная капсула, в серии с легким усиленным материалом – незначительные утолщения в области усиленных зон. На 90 сутки отмечалось полное прорастание эндопротезов соединительной тканью. Утолщения соединительнотканных капсул визуально определялись в местах фиксации швами, а в серии с использованием легкого усиленного материала и в области усиленных зон.
Результаты исходных физико-механические свойства изучаемых материалов представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы, по величинам поверхностной плотности, диаметру нитей и толщине усиленная зона легкого усиленного эндопротеза была близка к показателям стандартного материала, а его основная зона – к показателям легкого. Как результат этого, легкий усиленный материал в целом с его основной и усиленной зонами вдоль петельного столбика (в направлении усиленных зон) обладал большей в 1,5 раза разрывной нагрузкой, чем легкий материал, не имея достоверных отличий от стандартного эндопротеза. При этом вдоль петельного ряда (в направлении поперек усиленных зон) легкий усиленный эндопротез не имел значимых отличий от легкого аналога, обладая большей в 1,8 раза величиной удлинения при нагрузке 16 Н, а соответственно эластичностью, чем стандартный материал.
Сходные отличия были выявлены и при изучении физико-механических свойств легкого усиленного эндопротеза после его пребывания в тканях экспериментальных животных. С практической точки зрения наиболее важным показателем являлась разрывная нагрузка, характеризующая прочность «протезного апоневроза», представляющего собой имплантированный материал в сформированной соединительнотканной капсуле.
Динамика разрывной нагрузки образцов эндопротезов в соединительнотканной капсуле представлена в таблице 2.
Как в направлении петельного столбика, так и петельного ряда после имплантации изучаемых материалов отмечалась сходная картина: увеличение разрывной нагрузки с 7 по 90 сутки, что связано с формированием соединительнотканной капсулы вокруг материалов, прочность которой увеличивается пропорционально сроку наблюдения. При этом, как видно из таблицы, вдоль петельного столбика (в направлении усиленных зон) легкий усиленный эндопротез на протяжении всего срока наблюдения превосходил свой легкий вариант по этому показателю в 1,6 раза. Вдоль петельного ряда значимые отличия зафиксированы не были.
Динамика удлинения при нагрузке 16 Н имплантированных эндопротезов эндопротезов в соединительнотканной капсуле представлена в таблице 3.
Как видно из таблицы, после имплантации в ткани брюшной стенки в обеих сериях экспериментов как в направлении петельного столбика, так и петельного ряда происходило уменьшение удлинения образцов за счет формирования соединительной ткани. При этом, вдоль петельного столбика (в направлении усиленных зон) показатели удлинения, характеризующие эластичность «протезного апоневроза», в серии легкого усиленного эндопротеза были в 1,4 - 1,6 раза ниже, чем у его легкого аналога.
Результаты исследования показали, что использование легкого усиленного эндопротеза при герниопластике у пациентов со срединными вентральными грыжами даст возможность повысить прочностные свойства «протезного апоневроза» только в направлении, необходимом для сохранения физиологического функционирования мышц брюшного пресса. Так известно, что при вентральной грыже мышцы брюшной стенки, расположенные в области грыжевого дефекта, утратив точку фиксации, смещаются кнаружи под действием тяги боковых (наружной и внутренней косых и поперечной) мышц живота, сила которых направлена в поперечном к оси тела направлении [15]. Расположение усиленных зон в поперечном направлении укрепляет «протезный апоневроз» и предупреждает разрыв материала в направлении наибольшей механической нагрузки, оказываемой на него при сокращении мышц брюшного пресса.
При герниопластике расположение усиленных зон в направлении силы сокращения боковых мышц живота позволит предупредить их смещение кнаружи, придав им надежную точку фиксации, сохранить их сократительную способность и остановить прогрессирование анатомо-функциональной недостаточности брюшной стенки.
В направлении петельного ряда легкий усиленный эндопротез на протяжении всего срока наблюдения по показателю, характеризующему эластичность «протезного апоневроза», не имел значимых отличий от своего легкого аналога. Исходя из этого стоит считать, что в данном (продольном) направлении легкий усиленный эндопротез, как и его легкий аналог, после герниопластики не будет ограничивать подвижность брюшной стенки в повседневной жизни пациентов, что позволит повысить качество их жизни.
Заключение
Биохимические свойства легкого усиленного эндопротеза для герниопластики являются оптимальными при имплантации в ткани брюшной стенки, что позволяет рекомендовать данный протез для применения в широкой клинической практике

Boris Semenovich Sukovatykh

Kursk state medical University

Author for correspondence.
Email: SukovatykhBS@kursksmu.net
ORCID iD: 0000-0003-2197-8756

Russian Federation, 3 K. Marx str.,  Kursk, 305041, Russian Federation

Ph.D., Professor, head of chair of General surgery Kursk state medical University

Andrey Alexeevich Netiaga

Kursk state medical university

Email: NetjagaAA@kursksmu.net
ORCID iD: 0000-0003-3686-1358

Russian Federation, 3 K. Marx str.,  Kursk, 305041, Russian Federation

Ph.D., associate professor of the Department of Operative Surgery and Topographic Anatomy, Kursk state medical university

Yuri Yurievich Blinkov

Kursk state medical university

Email: BlinkovUU@kursksmu.net
ORCID iD: 0000-0002-0819-0692

Russian Federation, 3 K. Marx str.,  Kursk, 305041, Russian Federation

M.D., professor of General Surgery Department, Kursk state medical university

Yuri Yurievich Polevoy

Kursk state medical university

Email: receptor-46@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2683-2521

Russian Federation, 3 K. Marx str.,  Kursk, 305041, Russian Federation

postgraduate of General Surgery Department, Kursk state medical university

Valery Anatolievich Zhukovskii

Saint-Petersburg state university of industrial technologies and design

Email: direktor@lintex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7092-9155

Russian Federation, 18 Bolshaya Morskaya str., St. Petersburg, 191186, Russian Federation

Doctor of technical sciences, professor of Nanostructure, Fibrous and Compositional Materials Department named after A.I. Meos, head of scientific laboratory of polymeric materials,  Saint-Petersburg state university of industrial technologies and design

  • Egiev VN, CHizhov DV, Filatkina NV. Vzaimodejstvie polipropilenovyh ehndoprotezov s tkanyami perednej bryushnoj stenki. Gerniologiya. 2005;(2):41-49.
  • Timerbulatov MV, Timerbulatov SHV, Gataullina EHZ, Valitova EHR. Posleoperacionnye ventral'nye gryzhi: sovremennoe sostoyanie problemy. Medicinskij vestnik Bashkortostana. 2013;8(5):101-107.
  • Junge K, Binnebösel M, von Trotha KT, Rosch R, Klinge U, Neumann UP, et al. Mesh biocompatibility: effects of cellular inflammation and tissue remodeling. Langenbeck's archives of surgery. 2012;397(2):255-270.
  • Klinge U, Klosterhalfen B. Modified classification of surgical meshes for hernia repair based on the analyses of 1,000 explanted meshes. Hernia. 2012;16(3):251-258.
  • Bringman S, Wollert S, Österberg J, Smedberg S, Granlund H, Heikkinen TJ. Three‐year results of a randomized clinical trial of lightweight or standard polypropylene mesh in Lichtenstein repair of primary inguinal hernia. British journal of surgery. 2006;93(9):1056-1059.
  • Smietanski M, Bury K, Smietanska IA, Owczuk R, Paradowski T. Five-year results of a randomised controlled multi-centre study comparing heavy-weight knitted versus low-weight, non-woven polypropylene implants in Lichtenstein hernioplasty. Hernia. 2011;15(5):495-501.
  • Cobb WS, Burns JM, Peindl RD, Carbonell AM, Matthews BD, Kercher KW, et al. Textile analysis of heavy weight, mid-weight, and light weight polypropylene mesh in a porcine ventral hernia model. Journal of Surgical Research. 2006;136(1):1-7.
  • Lintin LAD, Kingsnorth AN. Mechanical failure of a lightweight polypropylene mesh. Hernia. 2014;18(1):131-133.
  • Petro CC, Nahabet EH, Criss CN, Orenstein SB, Von Recum HA, Novitsky YW, et al. Central failures of lightweight monofilament polyester mesh causing hernia recurrence: a cautionary note. Hernia. 2015;19(1):155-159.
  • Zuvela M, Galun D, Djuric-Stefanovic A, Palibrk I, Petrovic M, Milicevic M. Central rupture and bulging of low-weight polypropylene mesh following recurrent incisional sublay hernioplasty. Hernia. 2014;18(1):135-140.
  • Anurov MV, Titkova SM, Oettinger AP. Biomechanical compatibility of surgical mesh and fascia being reinforced: dependence of experimental hernia defect repair results on anisotropic surgical mesh positioning. Hernia. 2012;16(2):199-210.
  • Patent 178129 RUS, MPK A61V17/00. EHndoprotez setchatyj osnovovyazanyj usilennyj dlya plastiki ventral'nyh gryzh. V.A. ZHukovskij, T.S. Filipenko, K.N. Voronin, B.S. Sukovatyh, YU.YU. Blinkov, A.A. Netyaga, YU.YU. Polevoj; zayaviteli i patentoobladateli OOO «Linteks» - № 2017123708; zayavl. 04.07.2017, opubl. 23.032018. Byul. № 9.
  • Sukovatyh BS, i dr. Osobennosti tkanevoj reakcii bryushnoj stenki na implantaciyu legkogo usilennogo ehndoproteza dlya gernioplastiki v zavisimosti ot varianta ego raspolozheniya. Kurskij nauchno-prakticheskij vestnik «Chelovek i ego zdorov'e». 2018;(1):84-92.
  • Netyaga AA, Parfenov AO, ZHukovskij VA. Sravnitel'noe ehksperimental'noe issledovanie biomekhanicheskih svojstv standartnyh, legkih i kompozitnyh ehndoprotezov dlya plastiki bryushnoj stenki posle ih implantacii. Fundamental'nye issledovaniya. 2013;5(9):875-881.
  • Belokonev VI, i dr. Patogenez i hirurgicheskoe lechenie posleoperacionnyh ventral'nyh gryzh. Samara: GP «Perspektiva. 2005: 208.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

Views

Abstract - 41

PDF (Russian) - 66


Copyright (c) 2018 Sukovatykh B.S., Netiaga A.A., Blinkov Y.Y., Polevoy Y.Y., Zhukovskii V.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.