А.М.ПОПОВ, аспирант кафедры госпитальной хирургии ГОУ ВПО СибГМУ Росздрава (г. Томск), xelas@vtomske.ru;
В.Э.ГЮНТЕР, д.т.н., проф., директор НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы (г. Томск);
В.Н.ХОДОРЕНКО к.т.н., зав. лабораторией НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы (г. Томск)
Проведен анализ экспериментального исследования новых способов замещения обширных дефектов диафрагмы тканью на основе сетчатого наноматериала из сплава никелида титана. Проводили лучевой контроль и изучали гистологические препараты. Результаты показали, что имплантированные в организм устройства на основе никелида титана деформируются в соответствии с закономерностями эластичного поведения тканей организма, обеспечивая гармоничное функционирование всей системы – «ткань имплантата – организм».
G.Th.Dambaev, A.M.Popov, V.E.Gjunter, V.N.Hodorenko. Alloplasticity diaphragms the new biologically-adapted nanomaterials
The analysis of experimental studying of new ways of diaphragm extensive defects substitution using fabric on the basis of mesh nanomaterial made of titanium nickelid alloy has been performed. Carried out beam monitoring and studied histologic preparations. Results have shown that implanted into the organism devices of titanium nickelid are deformed in accordance with regularity of organism tissue elastic behavior thus providing with harmonious functioning of the whole system «implanted tissue – organism».
Keywords: a diaphragm, titanium nickelid, alloplastic diaphragms, nanomaterials
Введение. Пластические операции на диафрагме на сегодняшний день являются актуальным вопросом как торакальной, так и абдоминальной хирургии. Возросшее число онкологических заболеваний нередко приводит к неизбежной трансплантации органов и тканей, а достижения в области нанотехнологий и анестезиологии сегодня позволяют на достаточно высоком уровне выполнять сложные хирургические операции [1,6].
При запущенных формах ракового поражения органов грудной клетки, желудка, толстой кишки и собственно брюшины клиницисты достаточно часто сталкиваются с обширными резекциями такого органа, как диафрагма [2,4]. Казалось бы, в хирургии диафрагмы после опубликования фундаментального труда Б.В.Петровского «Хирургия диафрагмы» в отношении пластики дефектов грудобрюшной преграды все определено, тем не менее при современном развитии науки, техники и здравоохранения в целом проблема восстановления целостности и, прежде всего, функциональности диафрагмы остается нерешенной проблемой [8,9].
Для замещения больших дефектов диафрагмы и ее восстановления приходится прибегать к заимствованию дополнительных тканей или использованию синтетических материалов. Однако выкраивание аутотрансплантата всегда сопряжено с дополнительной травмой, а основная неприятность заключается в неизбежном перерождении трансплантата в рубцовую ткань, не являющуюся полноценной [10].
Использование же известных синтетических протезов - сеток из тефлона, терилена, а также двухслойных протезов (сочетание капроновой сетки с губкой из поливинилалкоголя) - приводит к значительной реакции со стороны окружающих тканей с последующим развитием несовместимости комплекса «имплантат -- ткань организма». По большому счету пластика полимерными материалами в большинстве случаев сводится к разрушению и фрагментации сетчатых имплантатов [11,12].
Появление новых сетчатых биоматериалов на основе никелида титана, разработанных на базе НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы в г. Томске, позволяет по-новому взглянуть на указанную проблему. Имплантаты рассматриваемого класса отличают сверхэластичность, биологическая инертность, высокая коррозийная стойкость, а также сходство их физико-механических свойств со свойствами тканей организма. Перечисленные качества обусловили благоприятные результаты, достигнутые при использовании пористо-проницаемых имплантатов для реконструктивной пластики орбиты, пластики дефектов ректовагинальной перегородки, сквозной резекции печени, пластики магистральных вен в эксперименте. Имплантированные в организм устройства на основе никелида титана деформируются в соответствии с закономерностями эластичного поведения тканей организма, обеспечивая при этом гармоничное функционирование всей системы «ткань эксплантата – организм человека» [3,5,7].
Цель исследования. Разработать новый способ пластики дефектов диафрагмы на основе наноструктурной ткани из сплава никелида титана.
Задачи исследования:
- Изучить в эксперименте закономерности взаимодействия ткани диафрагмы и эксплантата.
- Оценить эффективность применения наноструктурной ткани на основе никелида титана в восстановительной хирургии диафрагмы в отношении функциональности и стабильности интеграции «ткань имплантата -- здоровая ткань диафрагмы».
- Сравнить пластику тканью из материала на основе никелида титана с пластикой выполненной с использованием полипропиленовой сетки.
Материалы и методы исследования. Экспериментальная модель способа замещения дефекта диафрагмы тканевым имплантатом на основе TiNi отработана на 18 беспородных собаках обоего пола с массой тела 10--16 кг. Исследование проводилось в отделе экспериментальной хирургии Центральной научно-исследовательской лаборатории ГОУ ВПО СибГМУ Росздрава согласно этическим принципам, изложенным в «Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей». Исследование одобрено локальным этическим комитетом ГОУ ВПО СибГМУ Росздрава (решение №926 от 22.12.208 г.).
Животные были разделены на 3 подопытные группы (по 6), все 3 группы были опытными. Всем животным выполнение дефекта в диафрагме и введение имплантата проводили однотипно, под общей анестезией с управляемым дыханием выполняли в VII--VIII межреберье торакотомию справа, осуществив доступ к диафрагме, смещали легкое кнутри и кверху. С помощью хирургических ножниц и диатермоэлектрокоагуляции иссекали фрагмент диафрагмы, формируя таким образом дефект диаметром до 10 см.
Группы животных отличались способом выполнения дефекта в диафрагме и эксплантатом, причем собаки 1-й и 2-й групп отличались способом создания дефекта в диафрагме, а 3-ю группу составили животные с пластикой дефекта диафрагмы полипропиленовой сеткой. Введение и фиксацию эксплантата проводили однотипно во всех группах.
Для решения поставленных задач использована сетка, изготовленная по текстильной технологии из проволоки сплава никелида титана, диаметром 50--60 мкм с расстоянием между соседними нитями 100--250 мкм.
Данный материал, благодаря своим эластичным свойствам и взаимной подвижности сплетенных нитей, сам является эластичным (резиноподобным) и легко принимает форму конгруэнтную той, которую может принимать исследуемая ткань при движениях. В качестве сравнения у 3 группы для замещения дефекта использована полипропиленовая сетка «Линтекс».
У животных 1-й опытной группы дефект диафрагмы создавали с сохранением мышечной и сухожильной частей по периметру и укрывали тканью из никелида титана.У животных 2-й опытной группы дефект формировали с отсечением реберной части диафрагмы протяженностью до 1/3 периметра с распространением на сухожильную ее часть. Использована ткань из никелида титана.
Фиксацию имплантатов выполняли с применением нитей из однородного материала, а именно никелидотитановой нитью на атравматичной игле.
У животных 3-й опытной группы дефект укрывали полипропиленовой сеткой путем наложения поверх дефекта и фиксацией в 6 точках полипропиленовой нитью (6/0). Дополнительно с целью герметизации сетчатого имплантата использован сальник.
Методика замещения дефектов диафрагмы тонкопрофильной тканью на основе сплавов из никелида титана заключалась в следующем (патент РФ на изобретение №2400153): сетчатый имплантат выкраивали таким образом, чтобы его размеры превышали размер дефекта диафрагмы не менее чем на 20 мм по всему периметру. Далее выкроенную ткань из никелида титана помещали на дефект и фиксировали без натяжения узловыми швами по краю дефекта диафрагмы, а в местах ее отсутствия – к грудной стенке сверхэластичной никелидотитановой нитью диаметром 50--60 мкм.
Из проведенного доступа имплантат размешали на нижней поверхности диафрагмы, проводя последний через диафрагмальный дефект на абдоминальную поверхность диафрагмы, и фиксировали по всему периметру П-образными узловыми швами сверхэластичной никелидотитановой нитью диаметром 50--60 мкм с формированием узлов на грудной поверхности диафрагмы.
Внутренний и наружный края имплантата формировали в виде дупликатуры. Данная методика является новаторской и обусловлена предотвращением роспуска нитей сетки после выполнения пластики. Дупликатуру прошивали у наружного края имплантата П-образными узловыми швами с длиной стежка 8--10 мм и расстоянием между швами 10--15 мм, отступив от свободного края имплантата на 8--10 мм, затем прошивали снизу вверх через всю толщу диафрагму, отступая от края дефекта не менее чем 10--12 мм. При отсутствии реберной части диафрагмы перикостально через все слои прошивали грудную стенку, лигатуры при этом не затягивали. Далее П-образными узловыми швами подтягивали наружный край имплантата на нижнюю поверхность диафрагмы или к внутренней поверхности грудной стенки, формируя узлы на грудной поверхности диафрагмы или на коже, в последнем случае узел шва погружали под кожу через кожный разрез длиной до 0,8 см. Подобным образом на нижней поверхности диафрагмы размещали и фиксировали без натяжения внутренний край имплантата. Затем подобно П-образными узловыми швами фиксировали передний и задний края имплантата, по необходимости имплантат дополнительно фиксировали отдельными узловыми швами к краю дефекта диафрагмы.
После завершения пластики диафрагмы плевральную полость и поддиафрагмальное пространство дренировали дренажами с активной аспирацией. Операционную рану послойно ушивали. Спустя сутки после операции дренажи на высоте отрицательного давления убирали, швы затягивали.
В ходе эксперимента проводили клиническое наблюдение, лучевой мониторинг. Животных выводили из эксперимента на 3, 7, 14, 21, 30 и 60 сутки, при этом оценивали макроскопические изменения в области оперативного вмешательства. Зона имплантации подвергалась гистологическому и гистотопографическому исследованию. Срезы окрашивали гематоксилин-эозином и по Ван-Гизону.
Микроскопирование осуществлялось на микроскопах «Биолам-70» и Micros LC30A с последующей цифровой съемкой. Подсчет клеточных элементов проводился в 10 полях зрения при увеличении 40х10х1,5 с перерасчетом на площадь в 1 мм2. Определение линейных размеров структур выполнялось на микрометре с ценой деления 0,01 мм. Расчет удельной площади волокнистого и сосудистого компонентов осуществлялся методом точечного счета с последующим определением соотношения в Freeware-программе для выполнения морфометрии (автор: Дорошенко Роман. Режим доступа: http://medsoft1.narod.ru). Объем эксперимента представлен в таблице 1, где центральные тенденции и рассеяние признаков выражались в виде M±m, где M – средняя арифметическая, m – стандартная ошибка средней.
Микроструктура соединительнотканного регенерата в области замещенного дефекта изучена на растровом электронном микроскопе Qoanta 200 3D. Результаты и обсуждение. Прежде всего, после эвтаназии животного на разные сутки экспериментального исследования проводили осмотр органов грудной клетки и брюшной полости с целью оценки степени воздействия имплантатов на окружающие органы в виде спаечного процесса.
Дальнейшим этапом было изучение свойств восстановленной зоны диафрагмы. Выкраивали лоскуты размерами 2,0х1,0 см. В процессе нагрузки определяли степень растяжения исследуемого материала до момента разрыва, путем изменения его длины (в мм).
У всех оперированных животных отторжения имплантатов из никелида титана не выявлено ни в одном наблюдении, тогда как отторжение имплантата из полипропиленовой сетки имело место у одного животного. Все имплантаты прочно фиксировались к диафрагме за счет прорастания соединительнотканных элементов, смещения имплантированных протезов не произошло.
Соединительнотканный каркас спустя месяц после имплантации образовался вокруг всех протезов, но толщина его была различной. Никелид-титановые имплантаты были окружены тонким и нежным слоем соединительной ткани, просвечивали через этот слой.
Вокруг полипропиленовой сетки имело место более интенсивное образование соединительной ткани. При осмотре сетка практически не была видна через слой соединительной ткани, а последняя имела вид грубой манжеты, окружающей имплантат.
При макроскопической оценке пластика была состоятельна в 17 случаях. Однако при определении прочности восстановленного участка брюшной стенки выявлено, что линия разрыва брюшной стенки проходит на границе края «имплантат -- ткань». Именно в этой зоне перехода возникает «слабое место» имплантационной зоны. Избыток соединительной ткани, а также малая эластичность полипропиленовой сетки нарушает подвижность и гибкость диафрагмы. Грудобрюшная преграда в данном участке не может равномерно растягиваться и изгибаться во время движения, дыхания и т.д. Из-за отсутствия способности растягиваться, гасить колебания движения диафрагмы в зоне фиксации возникают перегрузки. На границе ткани диафрагмы, прилежащей к имплантату, возникают фоновые перегрузки, которые приводят к ее перестройке и потере прочности.
В случае применения никелид-титановой сетки данных явлений не происходит, т.к., во-первых, не образуется грубой соединительнотканной манжеты, во-вторых, биомеханические свойства никелид-титановой сетки и ткани диафрагмы идеально совместимы. В случае применения никелид-титановой сетки прочность восстановленного участка диафрагмы была максимально приближенной к прочности нормальной ткани диафрагмы и достоверно от нее не отличалась.
Еще одно свойство, отличающее два варианта пластики, – это герметичность имплантационной зоны, которая в случаях с полипропиленовой сеткой достигалась подшиванием прядей сальника. В отношении никелид-титанового эксплантата дополнительных оперативных приемов не применялось, поскольку микроструктура проволоки, из которой выполнена имплантируемая ткань, представляет собой стохастически расположенные, неупорядоченно связанные, случайные по форме гранулы.
Пустотные зазоры между ними также имеют нерегулярную форму и в большинстве своем объединены в единую проницаемую систему – фактор, необходимо важный для пропитываемости материала жидкостями организма, т.е. явлениями смачиваемости и капиллярности. Поры нити и ячейки имплантата заполняются тканевой жидкостью, которая после пропитывания структуры имплантата удерживается в виде пленки в просвете ячеек под действием силы поверхностного натяжения, за счет чего создается герметичность и разграничение плевральной полости от брюшной. Со временем в области соприкосновения поверхностей сетчатого имплантата с диафрагмой, грудной стенкой идет активное развитие соединительной ткани с прорастанием сетчатой структуры имплантата капиллярами, фибробластами и новообразованными сосудами. Создание дупликатуры внутреннего и наружного края имплантата, размещение его на нижней поверхности диафрагмы и использование П-образных узловых швов позволяет оптимально разместить и надежно фиксировать его по краю дефекта диафрагмы. Вследствие биомеханической и биохимической совместимости имплантата с окружающими тканями происходит прорастание соединительной ткани сквозь сетчатую структуру имплантата с образованием единого с имплантационным материалом тканевого регенерата, что также гарантирует надежное удержание в тканях, предотвращает смещение имплантата относительно дефекта диафрагмы, исключает рецидивы. Эластичные свойства сетчатого никелида титана и диафрагмы сходны, поэтому при растяжении деформация образованного комплекса «ткань диафрагмы – эксплантат» получается согласованной. Это снижает риск послеоперационных осложнений, повышает прочность соединения и обеспечивает анатомо-физиологическое восстановление данной области.
При выполнении рентгенологического исследования данных за патологию органов грудной клетки не выявлено ни в одном случае.
Изучение морфологической картины полученных регенератов показало, что в зоне имплантации регенеративные процессы протекали в соответствии с закономерностями репаративного десмогенеза.
Спустя первые сутки внутри ячеистой структуры имплантата отмечалось заполнение кровяным сгустком и плазмоподобной отечной жидкостью. Выявлялись капиллярные щели, диапедез эритроцитов, фибробласты. В течение последующих 2 суток между ячейками имплантата выявлялись эритроциты в стадии распада, определялась рыхлая соединительная ткань с тонкими разнонаправленными волокнами. На третьи сутки появлялись макрофаги. К 3-м суткам усиливалась лейколимфоцитарная инфильтрация, толщина коллагеновых волокон увеличивалась. Нарастало количество клеток фибробластического ряда. На 7-е сутки в ткани возрастало содержание волокнистого компонента, третью часть которого занимали толстые волокна. Уровень лейкоцитарной инфильтрации снижался.
Среди клеточных элементов помимо фибробластов определялись клетки вытянутой формы с веретеновидным ядром, похожие на фиброциты. В течение последующих 10--21 суток отмечалась продолжающаяся тенденция нарастания в регенерате количества толстых пучков коллагеновых волокон с появлением некоторой направленности, что совпадало с характеристикой плотной неоформленной соединительной ткани. Среди клеток соединительной ткани постепенно увеличивалась доля фиброцитов. К 21-м суткам данную ткань можно было характеризовать как плотную полуоформленную соединительную, так как в ней появлялись участки с однонаправленным расположением коллагеновых пучков. Спустя 30 суток во вновь образованной ткани преобладал волокнистый компонент как за счет отдельных коллагеновых волокон, так и пучков, имеющих однонаправленность и извитость. Между последними локализовались фибробласты и единичные лейкоциты. На 60 сутки тканевый регенерат представлял собой плотную полуоформленную соединительную ткань, в которой большая часть коллагеновых пучков имела параллельность и однонаправленность. В последующие сроки регенерат заметных изменений не претерпевал.
Следует отметить, что репаративные процессы при пластике полипропиленовой сеткой протекали быстрее, нежели в группах с сеткой из никелида титана, образование соединительнотканного регенерата происходило быстрее.
Этим и объясняется выраженность грубой соединительнотканной манжеты по краю полипропиленового имплантата и высокая вероятность разрыва края «ткань диафрагмы -- эксплантат».
При анализе микроструктуры соединительнотканного регенерата методом сканирующей электронной микроскопии отмечено, что уже к 5 суткам в порах имплантата определяются клеточные элементы, заполняющие его структуру. К 20-25 суткам сетка из сплава никелида титана плотно упакована в соединительнотканный регенерат.
Участки проволочного элемента хорошо прослеживались через поверхностный рельеф новообразованной ткани. Остов соединительной ткани, образовавшейся вокруг имплантата, имел волоконно-фибриллярный ориентированный тип строения, что отражало соответствие микроархитектоники функциональным особенностям ткани регенерата. На 60 сутки сетка не видна, прослеживалась незначительная величина межволокнистых пространств, что характеризовало наличие плотной волокнистой соединительной ткани, при этом граница «здоровая ткань – эксплантат» не дифференцировалась.
При анализе морфометрических показателей на 60 сутки отмечалось развитие волокнистого компонента в 1,5 раза выше, нежели в пластике тканью из никелида титана.
Таким образом, применение тканевых имплантатов из никелида титана в восстановительной хирургии диафрагмы позволяет полноценно замещать обширные дефекты. Полученные данные гистогенеза и микроструктуры репаративных процессов зоны имплантации четко показали формирование плотной полуоформленной соединительной ткани на месте дефекта, способной восполнить потерянную функцию оперированного органа.
Выводы:
1. Разработан новый способ хирургической коррекции обширных дефектов диафрагмы с применением тонкопрофильной ткани на основе никелида титана. Анализ экспериментального исследования показал, что тканевые имплантаты после помещения в зону дефекта позволяют полноценно их замещать. Благодаря биохимической и биомеханической совместимости никелида титана с тканями организма, свойствам удержания жидкости, соединительная ткань со стороны реципиентных областей прорастала сквозь структуру имплантата с образованием в зоне бывшего дефекта единого с имплантационными материалами тканевого регенерата, обеспечивая стойкий удовлетворительный результат.
2. Доказана высокая эффективность применения ткани из никелида титана в восстановительной хирургии дефектов диафрагмы. Полученные данные гистогенеза и микроструктуры репаративных процессов зоны имплантации четко показали формирование плотной полуоформленной соединительной ткани на месте дефекта, способной восполнить потерянную функцию оперированного органа.
3. Экспериментальные исследования показали, что имплантаты нового поколения из инертного, сверхэластичного металла - никелида титана выгодно отличаются от традиционно используемых полимеров и должны находить более широкое применение в хирургии диафрагмы. Пластика полипропиленовой сеткой осложнена дополнительным оперативным приемом – фиксацией прядей сальника на поверхности, с целью создания герметичности, тогда как использование наноструктурной ткани из никелида титана не требует данного обстоятельства. А образованный соединительнотканный регенерат во время сгибания диафрагмы начинает фрагментироваться, что в свою очередь приводит к рецидивам и осложнениям.
Список литературы:
1. Бисенков Л.Н.// Торакальная хирургия. – М., 2002. С. 883--889.
2. Богуш И.М., Зизико Л.Л., Сосоновская Л.Г.// Пластика дефекта диафрагмы викриловым лоскутом.//Сб. трудов, посвящ. 75-летию кафедры общей хирургии МГМИ и 170-летию 3-й клинической больницы г. Минска им.Е.В. Клумова – Минск, 1998. – С. 168—169.
3. Материалы с памятью формы и новые технологии в медицине/Под ред. В.Э.Гюнтера. – Томск: Изд-во МИЦ, 2010. – С. 360.
4. Оперативная хирургия/Под ред. И.Литтманна. - Будапешт, 1985. С. 285--293.
5. Пат. 230506 МПК51 А 61 В 17/00, А61F 2/06, А61L 27/06 Способ пластики магистральных вен/Ивченко О.А и соавт. №2006103450/14; Заявлено 06.02.2006; Опубл. 10.09.2007.
6. Пат. 2063707 МПК6 А 61 В 17/00 Способ формирования левой грудобрюшной преграды по М.И. Давыдову/М.И.Давыдов. №93029424; Заявлено 06.10.1993; Опубл. 20.07.1996. Приоритет 06.10.1993 (Россия).
7. Пат. 2301642 МПК А 61 F 2/02 A 61 F 2/18 Имплантат для реконструктивной пластики обширных дефектов/В.А.Новиков, В.Э.Гюнтер и соавт. №2005137265/14; Заявлено 30.11.2005; Опубл. 27.06. 2007 Бюл. №18.
8. Петровский Б.В., Каншин Н.Н., Николаев Н.О.//Хирургия диафрагмы. – Ленинград: Медицина, 1966. С. 335.
9. Поддубный И.В., Толстов К.Н., Левин А.Б. Целомическая киста диафрагмы: редкое клиническое наблюдение//Эндоскопическая хирургия. – 2006. – Т.12. - №3. – С. 28--29.
10. Радкевич А.А., Горбунов Н.А., Ходоренко В.Н., Усольцев Д.М. Репаративный десмогенез в соединительнотканных дефектах после замещения тканевыми имплантатами из никелида титана.//Имплантаты с памятью формы. – 2008. - №1--2. – С. 21--25.
11. Bedini A., Andreani S., Muscolino G. Latissimus dorsi reverse flap to substitute the diaphragm after extrapleural pneumonectomy // Ann. Thorac. Surg. 2000; 69: P. 986--988.12Rocco G., Rendina E.A., Meroni A. et al. Prognostic factors after surgical treatment of lung cancer invading the diaphragm//Ann Thorac Surg 1999; 68(6): 2065-2068.
Таблицы, рисунки, диаграммы - в приложении