Анализ видов стернорафии в эксперименте

• Шнейдер В.Э.
• Соколова В.В.
• Муратов К.Р.
• Мамедов Г.М.
• Янин Е.Л.

Резюме

Выбор наилучшего материала и метода восстановления целостности грудины позволит повысить качество лечения пациента и поможет предупредить инфекционные послеоперационные осложнения, связанные с доступом.

Материал и методы. В эксперименте на искусственной модели с имитацией срединной стернотомии изучены одиночный и 2 варианта 8-образного шва (перикостальный и перистернальный) и 2 вида шовного материала - стальная проволока (Ethicon steel, Johnson & Johnson, США) и полиамидная мононить "МедКапрон" (ЗАО НПП "МедИнж", Россия). Проведен сравнительный анализ прочности соединений и шовного материала, а также эластичность полиамидной нити при боковой нагрузке в 200 Н.

Результаты. Разрыв стальной проволоки происходит при 1270 Н, полиамидной нити - при 544 Н. При нагрузке в 200 Н диастаз между половинами грудины при перистернальном соединении в виде "восьмерки" составил 1,26±0,15 мм, при одиночном узловом шве - 1,62±0,11 мм, а при 8-образном перикостальном виде соединения - 2,77±0,18 мм. При формировании диастаза в 3 мм между краями модели, соединенной полиамидной нитью, после прекращения действия силы в течение 330 с происходит полное восстановление.

Заключение. Перистернальный 8-образный шов выдерживает наибольшую нагрузку при использовании стальной и полиамидной нитей. При воздействии боковой нагрузки в 200 Н статистически значимой разницы между простым одиночным и перистернальным 8-образным соединениями обнаружено не было. Перикостальный 8-образный способ соединения может быть применен, когда необходимо избежать нагрузку на костную ткань грудины и для укрепления поперечных переломов.

Эластичность полиамидной нити позволяет нивелировать деформацию в пределах 3 мм, возникающую при воздействии силы в 200 Н на шов, что позволит уменьшить риск осложнений со стороны доступа.

Ключевые слова:стернотомия; эксперимент; грудина; стальная проволока; мононить из полиамида; 8-образный перистернальный шов; 8-образный перикостальный шов

Основным доступом в кардиохирургии остается срединная стернотомия. Ежегодно в мире проводится более 2 млн операций на сердце [1, 2]. Симметричная стернотомия и адекватная фиксация половин грудины играют ключевую роль в профилактике послеоперационных осложнений, связанных с доступом, встречающихся в 0,5-8,4% случаев [3, 4]. До сих пор продолжается поиск новых методов и материалов для стернорафии, что подтверждает неудовлетворенность послеоперационными результатами [5].

Вопрос выбора шовного материала и способа соединения грудины до сих пор остается дискутабельным и чаще зависит от предпочтений самого хирурга. Самым распространенным материалом, используемым кардиохирургами для остеосинтеза, остается стальная проволока, наложенная в виде простого узлового или 8-образного шва, основными преимуществами которой являются ее высокая прочность, доступность, однако отсутствие эластичности обусловливает основные недостатки, связанные с этим шовным материалом. Как альтернатива проволоке предложены синтетические, полиэфирные материалы в различных модификациях. Наиболее часто в литературе упоминается PDS (полидиоксанон) [6, 7]. При сравнении результатов стернорафии стальной проволокой и "леской" в литературе единого мнения нет, одни авторы настоятельно рекомендуют PDS и его аналоги не только для профилактики осложнений, но и для лечения нестабильности грудины [6], другие, наоборот, отдают предпочтение традиционному шовному материалу [8], а часть авторов считают его неподходящим для стернорафии [7]. Кроме того, не все исследования можно сравнивать между собой, так как используются нити разных производителей, различной толщины. В настоящее время появились отечественные аналоги, в частности полиамидная нить "МедКапрон".

Следующий актуальный вопрос - это способ соединения грудины после стернотомии. В основном в клинической практике используются простой узловой и 8-образный швы. При изучении литературы мы встретили описание 2 способов 8-образного шва. Одни авторы называют 8-образным шов, который укрепляет грудину спереди, обхватывая межреберья (перикостальный), и "восьмерка" располагается поперек грудины [9, 10]. Но большинство кардиохирургов под 8-образным швом подразумевают расположение "восьмерки" вдоль грудины. При этом шов стягивает половинки грудины как с передней, так и с задней стороны, обхватывая грудину (перистернальный). Этот же способ используют при проведении шовного материала через ткань грудины (трансстернальный). Сравнения этих 2 способов формирования соединения грудины после стернотомии в литературе мы не встретили.

Обоснованный выбор наилучшего материала и метода восстановления целостности грудины позволит повысить качество лечения данной категории пациентов и поможет предупредить опасные осложнения, что, в свою очередь, сократит время нахождения в стационаре.

Цель исследования - на основании сравнительного анализа основных способов соединения грудины (простой узловой и два варианта 8-образных швов) и двух видов шовного материала (стальная проволока и полиамидная нить отечественного производства) выбрать оптимальные метод и материал для соединения грудины после срединной стернотомии в эксперименте.

Материал и методы

Экспериментальное исследование проведено в лаборатории кафедры физики, методов контроля и диагностики Тюменского индустриального университета. Для испытания нами была создана искусственная модель из текстолита с имитацией срединной стернотомии. Размеры модели соответствуют грудине взрослого человека с массой тела 75 кг. Для моделирования межреберных промежутков на обеих половинах искусственной грудины выполнены 8 отверстий.

Было проверено 3 основных способа соединения грудины: одиночный узловой шов, перистернальный (1-й вариант) и перикостальный (2-й вариант) 8-образные швы (рис. 1-3). Для стернорафии использованы стальная проволока USP 7 (Ethicon steel, Johnson & Johnson, США) и полиамидная нить "МедКапрон", USP 6 (ЗАО НПП "МедИнж", Россия).

Одиночный узловой шов имитирует соединение грудины через межреберные промежутки. Стальная проволока закручивалась до сопоставления краев грудины, нить из полиамида завязывалась на 5 узлов (рис. 1).

Формирование перистернального 8-образного шва (1-й вариант) проводилось через 2 "межреберных промежутка" в виде "восьмерки", при этом на задней поверхности модели образуется двойной шов, дополнительно фиксирующий обе половины (рис. 2).

Перикостальный 8-образный шов в виде поперечной "восьмерки" (2-й вариант) формируется через 2 "межреберных промежутка", с захватом "ребра", при этом на задней поверхности модели швы располагаются параллельно доступу (рис. 3).

Опыт проведен с помощью универсальной электромеханической машины ИР-5047-50-10, которая позволяет определить характеристики свойств материалов по ГОСТ 1497 и ГОСТ 10006 и выдает протокол результатов испытаний (сертификат Госстандарта России № 6726).

Нами было проведено 2 опыта. В первом опыте стальной проволокой или полиамидной нитью выполняли восстановление целостности "грудины" на модели с имитацией срединной стернотомии, которая затем помещалась в разрывную машину. Путем растяжения в поперечном направлении фиксировались результаты воздействия силы в 200 Н (20 кг) на модель грудины, что соответствует усилию, оказываемому на один шов при кашлевом толчке [3], и оценивалась максимальная нагрузка, при которой происходил разрыв соединения. Одновременно проводились замеры формирующегося диастаза "грудины". Проведено 3 серии опыта с каждым вариантом соединения и были получены кривые смещения.

Второй опыт заключался в определении свойств эластичности материалов для остеосинтеза грудины. На шов, сформированный между половинами модели, осуществлялась нагрузка в 20 кг путем подвешивания груза и формирование необходимого диастаза. После этого действие силы прекращали и проводили замер расстояния между краями модели сразу после нагрузки и каждую минуту в течение 15 мин.

Процедуры статистического анализа выполнялись с помощью статистического пакета SPSS Statistica 26. Критическое значение уровня статистической значимости при проверке нулевых гипотез принималось равным 0,05. Проверка нормальности распределения количественных признаков проводилась с использованием критерия Колмогорова-Смирнова. Данные представлены в виде среднего значения и стандартного отклонения (M±SD). Для сравнения средних величин в нормально распределенных совокупностях количественных данных рассчитывали t-критерий Стьюдента.

Результаты

Сравнительный анализ прочности способов соединения "грудины" выявил закономерность, одинаковую для обоих видов шовного материала (табл. 1). При формировании одиночного узлового шва (1-й способ) и перикостального 8-образного шов (3-й способ) максимальное усилие, необходимое для разрыва соединения, было сопоставимо (р>0,01), но статистически значимо меньше (р<0,05), чем при перистернальном 8-образном шве (2-й способ), как для стальной проволоки так и для полиамидной нити (см. табл. 1). Разрыв одиночного узлового шва, сформированного стальной проволокой, происходил при усилии в 675±32,5 Н, а перикостального 8-образного - 610,5±6,4 Н (р=0,15), соединения полиамидной нитью выдержали воздействие до 336,5±34,6 и 316,5±17,7 Н соответственно (р=0,6). Перистернальное 8-образное соединение стальной проволокой в среднем потребовало в 2 раза большую силу растяжения модели (от 1208 до 1334 Н) по сравнению с 8-образным перикостальным и одиночным швом, а сформированное нитью из полиамида - в 1,6-1,7 раза больше (см. табл. 1).

Полиамидная нить выдержала нагрузку от 305 до 593 Н при различных способах соединения, что статистически значимо меньше (р<0,05), чем у стальной проволоки - от 601 до 1334 Н, но, несмотря на это, прочность данного шовного материала больше в 1,5-3 раза, чем необходимо при воздействии внешних сил на стернотомический доступ (200 Н) в раннем послеоперационном периоде (Casha, 1999; McGregor, 1999).

Изучение расстояния между половинами модели при воздействии клинически значимой силы в 200 Н показало, что наибольший диастаз возник при формировании перикостального 8-образного шва, как при использовании стальной проволоки - 2,77±0,18 мм, так и при использовании полиамидной нити - 2,95±0,32 мм (рис. 4, 5). При фиксации одиночным узловым швом расстояние между краями модели составило для стального шва 1,62±0,11 и 1,98±0,16 мм для полиамидной нити, что статистически значимо меньше в сравнении с перикостальным швом в виде "восьмерки" - р=0,012 и р=0,05 соответственно (см. табл. 2). Наименьшей деформации подвержен перистернальный 8-образный шов, причем расстояние статистически значимо отличалось только от перикостального соединения и не имело существенной разницы от одиночного узлового соединения (см. рис. 4, 5). Изучение диастаза при действии силы в 200 Н не выявило значимых отличий (р>0,05) при сравнении шовных материалов во всех сериях опыта (см. табл. 2).

При проведении опытов нами было отмечено, что стальная проволока и полиамидная нить при увеличивающейся нагрузке ведут себя по-разному. Стальная проволока постепенно растягивается до 3-5 мм при действии силы до 400-600 Н, затем начинается раскручивание в месте скрутки узла и при максимальной нагрузке рвется возле узлового соединения.

При каждом раскручивании узла образуется скачок на графике. Наибольшее количество скачков, связанных с раскручиванием проволоки, наблюдалось при одиночном узловом соединении, наименьшее при 8-образном (рис. 6).

Края "грудины" при использовании стальной проволоки повреждаются, что в клинической практике может привести к прорезыванию швов с последующим формированием нестабильности или перелома грудины. Полиамидная нить под действием силы постепенно растягивается, без скачков, узлы не развязываются и рвется при нагрузке, в 1,5-2 раза превышающей 200 Н (см. рис. 6).

Второй опыт был проведен для оценки эластичности нити из полиамида и стальной проволоки. Фрагменты "грудины" были соединены с помощью одиночного узлового шва, и подвешен груз 20 кг до формирования диастаза в 3 мм. После этого натяжение прекращали и фиксировали по времени уменьшение диастаза на экспериментальной модели. Проводились видеофиксация эксперимента и фотофиксация каждые 15 с до полного соединения краев "грудины".

Сразу после прекращения нагрузки на соединение полиамидной нитью в течение 1 с произошло сокращение расстояния между половинами "грудины" в 2 раза. Затем постепенно в течение 330 с края экспериментальной модели полностью сблизились (рис. 7).

При формировании диастаза в 5-6 мм также происходит постепенное сокращение нити из полиамида, однако остается зазор между краями модели в 0,5 мм как через 6 мин, так и через 24 ч наблюдения, за счет перерастяжения нити и необратимой деформации материала.

По данным нашего исследования, максимальная деформация полиамидной нити при воздействии силы 200 Н составила 3,07 мм (в среднем от 1,51 до 2,95 мм) между краями модели (см. табл. 2). Иначе говоря, если у пациента сформируется при кашле диастаз до 3 мм, то восстановление стабильности "грудины" произойдет уже в первые секунды после прекращения воздействия благодаря с эластическим свойствам полиамида.

Стальная проволока в тех же условиях эксперимента (при воздействии силы в 200 Н) постепенно растягивается, приводя к необратимой деформации металла, при этом диастаз между половинами модели, образуемый под воздействием силы, приводит к нестабильности соединения.

Обсуждение

Наша задача состояла в сравнительном анализе прочности 2 материалов при поперечной нагрузке на стернотомию и проверке гипотезы о способности полиамидной нити за счет ее эластичности нивелировать нагрузку на доступ в раннем послеоперационном периоде. Выбор полиамидной нити для нашей экспериментальной работы обусловлен ее доступностью, экономичностью и необходимостью импортозамещения в современных условиях.

Мы использовали растяжение с силой в 200 Н на одно соединение, основываясь на биомеханических исследованиях, проведенных A.R. Casha и соавт. (1999), а также W.E. McGregor и соавт. (1999), определивших уровень действия силы на грудную клетку, вызывающей боковое смещение при кашле [5, 11]. Мы не проводили эксперименты по смещению в орокаудальном и переднезаднем направлении, так как силы, действующие на грудную клетку при кашле, по этим осям значительно меньше и приводят к смещению менее 1 мм. Для создания экспериментальной модели грудины применили прочный композитный материал (текстолит), отказавшись от биологических моделей по экономическим соображениям, для упрощения эксперимента и создания абсолютно одинаковых условий эксперимента. У нас не было задачи создать условия как можно ближе к реальным, и мы исключили влияние на эксперимент свойств самой "грудины", изучали непосредственно свойства шовного материала и способов соединения в одинаковых условиях.

Наши результаты по прочности стальной проволоки (Ethicon) сопоставимы с данными других исследований [5, 9, 11]. Для эксперимента мы использовали полиамидную нить толщиной 0,8 мм, которая оказалась более прочной, чем PDS UPS 2 (полидиоксанон) с расчетной нагрузкой 230 Н на узел и 350 Н на нить. K. Schade, H. Greve (1989) при формировании одиночных и матрацных швов на трупной грудине определили максимальную нагрузку от 385 до 780 Н на грудину, фиксированную 4 швами PDS, что составило усилие на 1 шов в 96,3-195 Н. Этого уровня прочности недостаточно в клинических условиях для предотвращения нестабильности грудины. Но они обратили внимание, что видимое расхождение швов начинается при силе воздействия на грудину в 200-240 Н в зависимости от способа стернорафии и отметили обратимость этого растяжения [6].

Большинство клинических или биомеханических исследований не продемонстрировало какого-либо превосходства метода "восьмерки" над простым одиночным швом стальной проволокой [7]. Наш эксперимент показал, что 8-образный перистернальный шов выдерживает наибольшую нагрузку при использовании обоих видов шовного материала, но при воздействии боковой нагрузки в 200 Н статистически значимой разницы между простым одиночным и перистернальным 8-образным соединениями мы не обнаружили (см. табл. 2). Перикостальный 8-образный способ соединения имеет ограниченное применение, когда необходимо избежать нагрузку на костную ткань грудины и для укрепления поперечных переломов.

Заключение

Наиболее ценным выводом нашей работы мы считем, что эластичность полиамидной нити позволяет нивелировать деформацию в пределах 3 мм, возникающую при воздействии силы в 200 Н на шов, которая может возникнуть в раннем послеоперационном периоде. Использование этого материала в клинической практике позволит предотвратить риск осложнений со стороны доступа.

Таким образом, мы считаем обоснованным использование для стернорафии полиамидной нити, особенно у пациентов с высоким риском нестабильности грудины.

Литература

1.     Слесаренко С.С., Агапов В.В., Прелатов В.А. Медиастинит. Москва : Медпрактика-М, 2005.

2.     Da Costa M.A., Trentini C.A., Schafranski M.D., Pipino O., Gomes R.Z., dos Santos Reis E.S. Factors associated with the development of chronic post-sternotomy pain: A case-control study // Braz. J. Cardiovasc. Surg. 2015. Vol. 30, N 5. P. 552-556.

3.     Casha A.R., Yang L., Kay P.H., Saleh M., Cooper G.J. A biomechanical study of median sternotomy closure techniques // Eur. J. Cardiothorac. Surg. 1999. Vol. 15. P. 365-369.

4.     Jolly S., Flom B., Dyke C. Cabled butterfly closure: A novel technique for sternal closure // Ann. Thorac. Surg. 2012. Vol. 94. P. 1359-1361.

5.     Bennett-Guerrero E., Phillips-Bute B., Waweru P.M., Gaca J.G., Spann J.C., Milano C.A. Pilot study of sternal plating for primary closure of the sternum in cardiac surgical patients // Innovations. 2011. Vol. 6. P. 382-388.

6.     Schade K., Greve H. Experimentelle Untersuchungen zur Stabilisierung der Refixation nach medianer Sternotomie // Langenbecks Arch. Chir. 1989. Vol. 374. P. 20-24.

7.     van Sterkenburg S.M., Brutel de la Riviere A., Vermeulen F.E. Sternal fixation with resorbable suture material // Eur. J. Cardiothorac. Surg. 1990. Vol. 4. P. 345.

8.     Khasati N., Sivaprakasam R., Dunning J. Is the figure-of-eight superior to the simple wire technique for closure of the sternum? // Interact. Cardiovasc. Thorac. Surg. 2004. Vol. 3. P. 191-194.

9.     Losanoff J.E., Foerst J.R., Huff H., Richman B.W. et al. Biomechanical porcine model of median sternotomy closure // J. Surg. Res. 2002. Vol. 107. P. 108-112.

10. Wilkinson G.A., Clarke D.B. Median sternotomy dehiscence: A modified wire suture closure technique // Eur. J. Cardiothorac. Surg. 1988. Vol. 2, N 4. P. 287-290.

11. McGregor W.E., Trumble D.R., Magovern J.A. Mechanical analysis of midline sternotomy wound closure // J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 1999. Vol. 117. P. 1144-1150.