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

Full Text

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

About the authors

Boris Semenovich Sukovatykh

Kursk state medical University

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

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

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

Andrey Alexeevich Netiaga

Kursk state medical university

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

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

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

Yuri Yurievich Blinkov

Kursk state medical university

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

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

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

Yuri Yurievich Polevoy

Kursk state medical university

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

postgraduate of General Surgery Department, Kursk state medical university

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

Valery Anatolievich Zhukovskii

Saint-Petersburg state university of industrial technologies and design

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

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

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

References

Supplementary files