Alai

Abstract

Zielsetzung: Um den potenziellen Bruchmechanismus von Sternum-Drähten zu verstehen, haben wir extrahierte Sternum-Drähte aus Edelstahl von Patienten mit Sternum-Dehiszenz nach Operationen am offenen Herzen gesammelt. Oberflächenveränderungen und gebrochene Enden von Sternum-Drähten wurden untersucht und analysiert. Methoden: Acht gebrochene und 12 nicht gebrochene Drähte von fünf Patienten (Verschlussmethode: Acht oder gerade gedreht; zwei ohne und drei mit Mediastinitis) mit einem mittleren Implantationsintervall von 13,2±4,2 Tagen (Bereich 8-20 Tage) wurden mit verschiedenen Techniken untersucht. Die extrahierten Drähte wurden gereinigt und das fibrotische Gewebe entfernt. Unregelmäßigkeiten und gebrochene Enden wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenanalyse (EDXA) untersucht. Ergebnisse: Alle untersuchten gebrochenen Drähte wiesen starke Querrisse und Spaltkorrosion auf. EDAX zeigte Aluminiumoxideinschlüsse auf der Bruchoberfläche. Schlussfolgerungen: Der Synergieeffekt von Stress und schlechter Drahtqualität könnte die Vorläufer des Materialversagens des Sternum-Drahtes sein.

1 Einleitung

Obwohl die Sternum-Separation oder Dehiszenz eine seltene Komplikation der medianen Sternotomie ist, führt sie zu einer Sterblichkeitsrate zwischen 10 und 40%. Sternum-Instabilität, Wundinfektion, Osteomyelitis und Dehiszenz stehen in Zusammenhang. Der wichtigste Faktor zur Vermeidung von Sternum-Dehiszenz und Mediastinitis ist eine stabile Sternum-Approximation.

Dehiszenz tritt häufig innerhalb der ersten 2 Wochen postoperativ auf, bevor eine signifikante Knochenheilung stattfindet. Die Röntgenuntersuchung des Sternums nach der Sternotomie zeigt Hinweise auf einen gerissenen Nahtdraht, eine Dehiszenz des Sternums, eine Fehlpositionierung der Drahtligatur, ein Durchschneiden des Fixierungsdrahtes durch den Knochenbruch, eine Pseudoarthrose und eine Entzündung.

Die auf den Sternumdraht nach dem Wundverschluss ausgeübte Kraft lag weit unter der ultimativen Zugfestigkeit (UTS) des Drahtes, wie sie von Losanoff et al. in ihrem biomechanischen Schweinemodell untersucht wurde. Trotz dieses Ergebnisses kam es nach einem chirurgischen Routineeingriff immer noch zu Brüchen des Sternum-Drahts. Ziel unserer Studie ist es daher, das potenzielle Risiko eines Drahtbruchs zu analysieren und eine sichere und starre Fixierung des Sternums zu gewährleisten, indem die Eigenschaften der Sternum-Drahtmaterialien verbessert werden.

2 Materialien und Methoden

316L Edelstahl ist das am häufigsten verwendete Nahtdrahtmaterial. Der Nahtmaterialdraht aus rostfreiem 316L-Stahl hat eine austenitische Struktur mit geringem Kohlenstoffgehalt (0,03 Gew.-%) und besteht überwiegend aus Eisen (60-65 %), das mit Chrom (17-18 %) und Nickel (12-14 %) legiert ist.

Die extrahierten Drähte wurden 15 Minuten lang mit Ultraschall in destilliertem Wasser gereinigt und das adhäsive fibrotische Gewebe vorsichtig mit den Fingern entfernt. Acht gebrochene und 12 nicht gebrochene Drähte, die von fünf Patienten extrahiert wurden (Verschlussmethode: Acht oder gerade gedreht; zwei ohne und drei mit Mediastinitis) mit einem mittleren Implantationsintervall von 13,2±4,2 Tagen (Bereich 8-20 Tage) wurden untersucht und stereomikroskopisch dokumentiert. Unregelmäßigkeiten wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Bruchenden und auffällige Oberflächenveränderungen wurden außerdem mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDAX) untersucht.

2.1 Rasterelektronenmikroskopische Analyse

Die Oberflächenmorphologie der Drahtproben wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM, Hitachi Modell S-800, USA) untersucht. Repräsentative Mikrofotografien wurden im zweiten Elektronenabbildungsmodus aufgenommen. Zur Vermeidung von Ladungsproblemen und zur Verbesserung der Auflösung wurden die Proben mit einem Polaron G-5000 Sputter Coater mit einer dünnen Goldschicht beschichtet.

3 Ergebnisse

Die Röntgenuntersuchung des Brustbeins nach der Sternotomie ergab den Nachweis eines gerissenen Nahtdrahts, einer Dehiszenz des Brustbeins, einer Fehlpositionierung der Drahtligatur, eines Durchschneidens des Fixierungsdrahts durch den Knochen, eines Bruchs, einer Pseudoarthrose und einer Entzündung (Abb. 1). 1).

Alle untersuchten geborgenen Drähte wiesen schwere transversale Risse auf (Abb. 2 , Tabelle 1). Diese Risse verlaufen senkrecht zur Drahtziehrichtung.

Abb. 3 zeigt das Bruchende eines geborgenen Drahtes mit abnormal flacher Bruchfläche und enormen Einschlüssen. Ein flacher Bruch ist ein Hinweis auf eine geringe Duktilität des Nahtdrahtes.

Aluminiumoxideinschlüsse wurden auf der Oberfläche der geborgenen Drähte gefunden (Abb. 4); zusammen mit den Einschlüssen wurde ein Spalt gefunden. Der im EDAX-Spektrum erkennbare Goldpeak stammt von der Sputtering-Beschichtung.

Nach der Sterilisation, wie in Abb. 5 dargestellt, wurden auf dem Nahtdraht aus rostfreiem Stahl, der von den Lieferanten des Sternum-Drahtes geliefert wurde, starke Oxidpartikel gefunden. Diese Oxidpartikel könnten die Vorläufer für die Spaltkorrosion nach der Implantation des Sternum-Drahtes sein. Oxidpartikel wurden auch an den transversalen Rissen und Oberflächenfehlern gefunden (Abb. 6).

Abb. 7 zeigt das Vorhandensein von Spaltkorrosion an den Oberflächenhohlräumen der geborgenen Nahtdrähte. Die dunklen Bereiche, die die Oberflächenhohlräume der geborgenen Drähte umgeben, sind ein Hinweis auf Spaltkorrosion.

4 Diskussion

In unserer Einrichtung ist die Achterfigur in Kombination mit ein oder zwei einfachen Unterbrechungsnähten unsere routinemäßige Verschlussmethode der Sternotomie. Die Inzidenz von 0,8 % für schwerwiegende Sternum-Komplikationen wurde in der Literatur von den meisten Zentren als Durchschnittswert angegeben.

Fünf von 1170 Patienten wurden in unserer Einrichtung während einer 2-Jahres-Studie durch Röntgenaufnahmen des Brustkorbs nach Operationen am offenen Herzen als Drahtbruch-Komplikationen identifiziert. Die Inzidenz von Drahtbrüchen mit Sternum-Dehiszenz, die ein weiteres Débridement und eine Refixierung erfordern, liegt in unserem Patientenkollektiv bei etwa 0,4 %.

Es wurde berichtet, dass Sternum-Dehiszenz unter physiologischen Belastungen, z. B. Husten und zyklische Atmung, auftreten kann. Casha et al. berichteten über eine Kraft/Festigkeit von 150 kg (552 ksi), die bei maximalem Husten auf einen Sternotomieverschluss einwirkte. Obwohl die Kraft (kg) der übliche Parameter in der medizinischen Forschung ist, ist es auch richtig, die durch die aufgebrachte Last (Kraft/Querschnittsfläche) induzierte Festigkeit (psi oder ksi) zu verwenden. Um allen in verschiedenen Fachzeitschriften veröffentlichten Arbeiten Rechnung zu tragen, werden in diesem Beitrag die Einheiten für Kraft und Stärke verwendet, um den Lesern aller Fachrichtungen entgegenzukommen. Da Chirurgen in der Regel sechs Drähte verwenden, um eine mediane Sternotomie zu schließen, müsste jeder Draht 25 kg (92 ksi) aushalten. Es wären also mindestens drei Windungen des 0,7-mm-Drahts oder zwei Windungen des 0,9-mm-Drahts erforderlich, um einem starken Husten standzuhalten. Normalerweise bricht der Sternum-Stahldraht bei einer maximalen Festigkeit von 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) in einem mit einer Achterdrahttechnik verschlossenen Brustkorb und bei 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) für zwei gerade gedrehte Drähte. Chirurgen verwenden bei einem Sternotomieverschluss in der Regel 5-7 Verdrehungen des Drahtes, und auf der Grundlage dieser Studien scheint dies ausreichend zu sein, um eine maximale Festigkeit zu erreichen und eine mögliche Sternum-Dehiszenz zu verhindern.

Unter normalen Umständen liegt die durch die auf den Sternum-Draht nach dem Verschluss ausgeübte Last oder Kraft induzierte Festigkeit weit unter der UTS des Drahtes, wie von Losanoff et al. in ihrem biomechanischen Schweinemodell untersucht. Dennoch kann es nach einem chirurgischen Routineeingriff zum Bruch des Sternum-Drahts kommen.

Bei einem Draht mit perfekter Oberflächenbeschaffenheit würde während des Sternotomieverschlusses kein Drahtbruch auftreten. Allerdings könnte die induzierte oder abgeleitete Festigkeit die UTS des Nahtdrahtes überschritten haben, wenn schwere Oberflächendefekte wie die transversalen Risse und Einschlüsse an den geborgenen Sternumdrähten gefunden wurden. Der transversale Riss und die Einschlüsse könnten als spannungskonzentrierter Bereich dienen und zum Bruch des Drahtes führen, da der flache Bruch des geborgenen Nahtdrahtes auf einen Mangel an Duktilität hindeutet.

Ein unvollkommener Herstellungsprozess und ein unsachgemäßer Sterilisationsprozess könnten die innere oder äußere Struktur des Nahtdrahtes schwächen oder zerstören. Querrisse sind weithin dokumentiert worden; dieser Fehler ist auf die unzureichende Schmierung und Kühlung während des Drahtziehens zurückzuführen. Die durch die Reibungskraft im Ziehwerkzeug erzeugte Wärme und die Abkühlung durch das nachfolgende Schmiermittel nach dem Verlassen des Ziehwerkzeugs können eine Martensitstruktur auf der Oberfläche des Drahtes erzeugen. Aufgrund des großen Härteunterschieds zwischen der Oberflächenmartensit- und der inneren Austensitstruktur sowie des Faktors der Spannungskonzentration ist der Draht anfällig für einen Bruch unter Druck oder Festigkeit.

Eine heterogene Diskontinuität auf einer Drahtoberfläche, wie z. B. Einschlüsse oder ein Riss, könnte zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung in der Nähe der Diskontinuität führen. Die Spannungskonzentration tritt an der Diskontinuität auf und könnte einen Wert erreichen, der höher ist als die durchschnittliche Spannung in einem Abstand von den Defekten oder die durchschnittliche Spannung, die frei von jedem Defekt ist.

Abhängig von der Art der Defekte auf der Drahtoberfläche, z. B. Einschlüsse (Abb. 4) und Querrisse (Abb. 2), können die Formen der Defekte entweder kreisförmig oder elliptisch sein.

Die maximale Spannung an den Enden der Einschlüsse oder Querrisse kann ausgedrückt werden als:

, wobei a und b die halbe Abmessung des Einschlusses oder Risses in jeder Richtung sind und σ die Normalspannung fern von den Defekten oder frei von Defekten ist.

Die Spannung steigt mit dem Verhältnis a/b. Das durchschnittliche Verhältnis von a/b auf der Grundlage der transversalen Risse beträgt 28,6 und 4,8 für die Einschlüsse.

Die durchschnittliche Zugfestigkeit eines vollständig geglühten 0,7-mm-Sternumdrahtes beträgt 132 ksi (36 kg). Die während des Verschlusses aufgebrachte Kraft wird mit 60 % der Zugfestigkeit des Drahtes, d. h. mit 80 ksi (21,6 kg) angenommen. Somit kann σmax in der Nähe eines transversalen Rissbereichs für einen einzelnen 0,7-mm-Sternodraht bis zu 4678 ksi (1257 kg) und für einen Einschluss bis zu 845 ksi (229 kg) betragen. Diese σmax-Werte liegen weit über der UTS des Sterno-Drahtes. Aus diesem Grund würde ein sehr schmaler Riss wie ein Querriss oder ein nichtmetallischer Einschluss senkrecht zur Ziehrichtung und zur Zugrichtung zu einer sehr hohen Spannungskonzentration führen und den Sternodraht nach dem Verschluss mit einer flachen Bruchfläche beschädigen.

Defekte wie Querrisse und Einschlüsse können nicht nur ein potenzielles Risiko für einen Drahtbruch nach dem Verschluss darstellen, sondern tragen aufgrund der synergistischen Wirkung chemischer und mechanischer Parameter auch erheblich zu verschiedenen Implantatausfällen bei, wie z. B. Spannungsrisskorrosion, korrosive Abnutzung und Passungsrost oder Korrosionsermüdung.

Darüber hinaus macht die hohe Konzentration von Chloridionen in der physiologischen Flüssigkeit den menschlichen Körper zu einer feindlichen Umgebung für Nahtmaterial. Obwohl Probleme wie elektrochemische Korrosion, chemischer Angriff auf das Nahtmaterial und Entzündungen, die als Reaktion auf das Nahtmaterial entstehen, durch die Verwendung von Edelstahldrähten minimiert werden konnten, treten Komplikationen und Ausfälle der Drähte immer noch auf.

Die günstige Korrosionsumgebung aufgrund der hohen Chloridionenkonzentration in der physiologischen Flüssigkeit und der mechanischen Kraft, die während des Verschlusses auf den Sternum-Draht einwirkt, könnte zu Spannungsrisskorrosion führen und letztlich den Draht ernsthaft beschädigen.

Bei einem Patienten mit Mediastinitis könnten anhaftende Bakterien eine elektrochemische Reaktion mit einem Stromfluss von Metallionen erzeugen und den Korrosionsprozess dramatisch beschleunigen. Auch das Vorhandensein von Spalten entlang der Aluminiumoxideinschlüsse und der Hohlräume auf der Drahtoberfläche könnte als Vorläufer für die Korrosion dienen. Spaltkorrosion findet nicht nur in den Bereichen der Einschlüsse und Hohlräume statt, sondern auch in den Bereichen, in denen sich schwere Oberflächenoxide anhäufen. Nach der Implantation des Nahtdrahtes in den menschlichen Körper kann es zu einer lokalen Sauerstoffanreicherung durch anhaftende Fibroblasten, weiße Blutkörperchen oder aktivierte Osteoklasten kommen. Der Unterschied in der Sauerstoffkonzentration auf der Drahtoberfläche und im Inneren des Spalts kann eine Konzentrationszelle bilden und eine galvanische Korrosionszelle erzeugen.

Neben dem Risiko eines mechanischen Integritätsverlusts sind Abbauprodukte wie Metallionen während des Korrosionsprozesses wegen ihrer potenziellen negativen biologischen Auswirkungen, nämlich Allergie, Zytotoxizität und Karzinogenität, ein echtes Problem. Abbauprodukte sind für ihre entzündungsfördernde Wirkung bekannt und können auf subtile Weise zu den Entzündungsreaktionen beitragen, die häufig mit anhaltenden Wundschmerzen und Narbenbildung einhergehen. Die Freisetzung von Nickel-, Chrom- und Molybdän-Ionen könnte über einen immunologischen Mechanismus chronische Entzündungsreaktionen auslösen, die wiederum die Fibroblastenaktivität und die Narbenbildung verstärken würden.

Histologische Studien haben auch gezeigt, dass die Bestandteile von implantierten Legierungen in den lokalen Geweben nachgewiesen werden konnten und dass die Gewebereaktion um eine Legierung mit der Konzentration der in das Gewebe freigesetzten Metallionen zusammenhing. Das lokale Gewebe an der Stelle eines fixierten Drahtes ist kontinuierlich den sich allmählich ansammelnden Konzentrationen der Metallionen ausgesetzt, aus denen die Legierung besteht. In vitro wurde berichtet, dass insbesondere Nickelionen bei subtoxischen Konzentrationen durch direkte Aktivierung von Monozyten und zytokinindirekte Stimulierung von Endothelzellen eine Weichteilentzündung auslösen können. Diese Entzündungsbedingungen können die Korrosion der Geräte beschleunigen, was die Freisetzung dieser entzündungsfördernden Substanzen weiter erhöht.

5 Schlussfolgerungen

Um das Versagen von Sternum-Drähten nach dem Verschluss zu verhindern, ist eine Verbesserung der Qualität der Sternum-Drähte unerlässlich. Zellinduzierte elektrochemische Korrosion, aktive zelluläre Zerstörung der Oberflächen und die Sterilisationsmethode sind bekannte Mechanismen, die auf ihre mögliche Rolle beim Materialversagen von Sternum-Draht untersucht werden müssen.

Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse des National Science Council, Taiwan NSC-90-2314-B-075-062 und NSC-91-2314-B-075-062; Taipei Veterans General Hospital, Taiwan VGH-90-109, VGH-91-300, VGH-91-275 unterstützt.