Alai

Abstract

Objectif : Pour comprendre le mécanisme potentiel de fracture des fils sternaux, nous avons collecté des fils sternaux en acier inoxydable extraits de patients présentant une déhiscence sternale après une opération à cœur ouvert. Les altérations de surface et les extrémités fracturées des fils sternaux ont été inspectées et analysées. Méthodes : Huit fils fracturés et 12 fils non fracturés extraits de cinq patients (méthode de fermeture : figure de huit ou torsion droite ; deux sans et trois avec médiastinite) avec un intervalle d’implantation moyen de 13,2±4,2 jours (intervalle de 8-20 jours) ont été étudiés par différentes techniques. Les fils extraits ont été nettoyés et les tissus fibrotiques ont été retirés. Les irrégularités et les extrémités fracturées ont été analysées par microscopie électronique à balayage et par analyse radiologique à dispersion d’énergie (EDXA). Résultats : Tous les fils fracturés examinés ont montré la présence de fissures transversales sévères et de corrosion par crevasses. L’EDAX a révélé la présence d’inclusion d’oxyde d’aluminium sur la surface fracturée. Conclusions : L’effet synergique du stress et la mauvaise qualité du fil pourraient être les précurseurs de la défaillance du matériau pour le fil sternal.

1 Introduction

Bien que la séparation sternale, ou déhiscence, soit une complication rare de la sternotomie médiane , elle entraîne un taux de mortalité entre 10 et 40% . L’instabilité sternale, l’infection de la plaie, l’ostéomyélite et la déhiscence sont liées . Le facteur le plus important pour prévenir la déhiscence sternale et la médiastinite est une approximation sternale stable .

La déhiscence se produit souvent dans les 2 premières semaines postopératoires avant une guérison osseuse significative . L’examen radiographique du sternum après une sternotomie montre des signes de rupture du fil de suture, de déhiscence du sternum, de mauvais positionnement de la ligature du fil, de coupure du fil de fixation par la fracture osseuse, de pseudarthrose et d’inflammation.

La force appliquée sur le fil sternal après la fermeture de la plaie était bien inférieure à la résistance à la traction ultime (UTS) du fil telle qu’étudiée par Losanoff et al. dans leur modèle biomécanique porcin. Malgré cette découverte, le fil sternal s’est quand même fracturé après une procédure chirurgicale de routine. Par conséquent, le but de notre étude est d’analyser le risque potentiel de fracture du fil et d’assurer une fixation sûre et rigide du sternum en améliorant la propriété des matériaux du fil sternal.

2 Matériaux et méthodes

L’acier inoxydable 316L est le matériau de fil de suture le plus couramment utilisé. Le fil de suture en acier inoxydable 316L a une structure austénitique avec une faible teneur en carbone (0,03% en poids), et est principalement composé de fer (60-65%) allié avec du chrome (17-18%) et du nickel (12-14%).

Les fils extraits ont été nettoyés par ultrasons dans de l’eau distillée pendant 15 min et les tissus fibrotiques adhésifs ont été délicatement retirés avec les doigts. Huit fils fracturés et 12 fils non fracturés extraits de cinq patients (méthode de fermeture : figure de huit ou torsion droite ; deux sans et trois avec médiastinite) avec un intervalle d’implantation moyen de 13,2±4,2 jours (plage de 8-20 jours) ont été étudiés et documentés par stéréomicroscopie. Les irrégularités ont été évaluées par microscopie électronique à balayage. Les extrémités de rupture et les altérations de la surface de frappe ont été examinées plus en détail à l’aide d’une analyse par rayons X à dispersion d’énergie (EDAX).

2.1 Analyse par microscopie électronique à balayage

La morphologie de la surface des échantillons de fils a été examinée à l’aide d’un microscope électronique à balayage (MEB, modèle Hitachi S-800, États-Unis). Des micrographies représentatives ont été prises dans un second mode d’imagerie électronique. Pour éviter un problème de charge et améliorer la résolution, les échantillons ont été pulvérisés avec une fine couche d’or à l’aide d’une coucheuse par pulvérisation Polaron G-5000.

3 Résultats

L’examen radiographique du sternum après sternotomie a prouvé la preuve de la rupture du fil de suture, de la déhiscence du sternum, du mauvais positionnement de la ligature du fil, de la découpe du fil de fixation par l’os, de la fracture, de la pseudarthrose et de l’inflammation (Fig. 1).

Tous les fils récupérés examinés présentaient de graves fissures transversales (Fig. 2 , Tableau 1). Ces fissures sont perpendiculaires à la direction d’étirage du fil.

Fig. 3 montre l’extrémité fracturée d’un fil récupéré, avec une surface de fracture plate anormale et d’énormes inclusions. La fracture plate est une indication de la faible ductilité du fil de suture.

Des inclusions d’oxyde d’aluminium ont été trouvées sur la surface des fils récupérés (Fig. 4) ; une crevasse a été trouvée avec les inclusions. Le pic d’or révélé par le spectre EDAX résulte du revêtement par pulvérisation.

De graves particules d’oxyde ont été trouvées sur le fil de suture en acier inoxydable, après stérilisation, comme le montre la figure 5 , dans un état tel que reçu des fournisseurs de fil sternal. Ces particules d’oxyde pourraient être les précurseurs de la corrosion en crevasse après l’implantation du fil sternal. Des particules d’oxyde ont également été trouvées sur les fissures transversales et les zones de défaut de surface (Fig. 6).

Fig. 7 montre la présence de corrosion en crevasse sur les cavités de surface des fils de suture récupérés. Les zones sombres entourant les cavités de surface sur les fils récupérés sont une indication de la corrosion par crevasses.

4 Discussion

Dans notre institution, la figure de huit combinée à une ou deux sutures d’interruption simples est notre méthode de fermeture de routine de la sternotomie. L’incidence de 0,8% de complications sternales majeures a été rapportée comme une moyenne dans la littérature par la plupart des centres.

Cinq des 1170 patients ont été identifiés comme des complications de fracture du fil métallique par radiographie thoracique après des opérations à cœur ouvert dans notre institution unique au cours d’une étude de 2 ans. L’incidence de la fracture du fil métallique avec déhiscence sternale nécessitant un débridement et une refixation supplémentaires est d’environ 0,4 % dans notre population de patients.

Il a été signalé que la déhiscence sternale pouvait se produire sous des charges physiologiques, par exemple la toux et la respiration cyclique. Une force/résistance de 150 kg (552 ksi) chargée sur une fermeture de sternotomie, lors d’une toux maximale, a été rapportée par Casha et al . Bien que la force (kg) soit le paramètre communément utilisé dans la recherche médicale, il est également correct d’utiliser la résistance (psi ou ksi) induite par la charge appliquée (force/unité de surface de section transversale). Afin de respecter tous les articles publiés dans diverses revues, les unités de force et de résistance sont adoptées dans cet article pour satisfaire les lecteurs de tous les domaines. Étant donné que les chirurgiens utilisent généralement six fils pour fermer une sternotomie médiane, chaque fil doit supporter une charge de 25 kg (92 ksi). Il faudrait donc au minimum trois torsions du fil de 0,7 mm ou deux torsions du fil de 0,9 mm pour résister à une toux sévère. Normalement, le fil d’acier sternal se rompt à une résistance maximale de 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) dans un thorax fermé avec une technique de fil torsadé en huit et à 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) pour deux fils torsadés droits. Les chirurgiens utilisent généralement 5 à 7 torsions du fil dans une fermeture de sternotomie et, sur la base de ces études, cela semblerait suffisant pour obtenir une résistance maximale et prévenir une éventuelle déhiscence sternale.

Dans des circonstances normales, la résistance induite par la charge ou la force appliquée sur le fil sternal après la fermeture est bien inférieure à l’UTS du fil, comme l’ont étudié Losanoff et al. dans leur modèle biomécanique porcin. Cependant, la fracture du fil sternal pourrait toujours se produire après une procédure chirurgicale de routine.

Pour un fil dont l’état de surface est parfait, aucune fracture du fil ne se produirait pendant la fermeture de la sternotomie. Cependant, la résistance induite ou dérivée aurait pu dépasser l’UTS du fil de suture lorsque de graves défauts de surface tels que les fissures transversales et les inclusions ont été trouvés sur les fils sternaux récupérés. La fissure transversale et l’inclusion pourraient servir de zone de concentration des contraintes et conduire à la rupture du fil, la fracture plate du fil de suture récupéré suggérant un manque de ductilité.

Un processus de fabrication imparfait et un processus de stérilisation inapproprié pourraient affaiblir ou détruire la structure interne ou externe du fil de suture . Les fissures transversales ont été largement documentées ; ce défaut est dû à l’insuffisance de la lubrification et du refroidissement pendant le processus de tréfilage du fil . La chaleur générée par la force de friction à l’intérieur d’une filière de tréfilage, et le refroidissement par le lubrifiant qui suit après que le fil a quitté la filière de tréfilage, peuvent générer une structure martensitique à la surface du fil. Le fil est susceptible de se fracturer sous l’effet de la pression ou de la force en raison de l’énorme différence de dureté entre la martensite de surface et la structure interne en austénite, ainsi que du facteur de concentration des contraintes.

Une discontinuité hétérogène sur la surface d’un fil, comme des inclusions ou une fissure, pourrait entraîner une distribution non uniforme des contraintes à proximité de la discontinuité . La concentration des contraintes se produit au niveau de la discontinuité et pourrait atteindre une valeur supérieure à la contrainte moyenne à une distance éloignée des défauts ou à la contrainte moyenne qui est exempte de tout défaut.

Selon les types de défauts sur la surface du fil, par exemple les inclusions (figure 4) et les fissures transversales (figure 2), les formes des défauts peuvent être circulaires ou elliptiques.

La contrainte maximale aux extrémités des inclusions ou des fissures transversales peut être exprimée comme suit :

où a et b sont la demi-dimension de l’inclusion ou de la fissure dans chaque direction, et σ est la contrainte normale loin des défauts ou libre de défauts.

La contrainte augmente avec le rapport a/b. Le rapport moyen de a/b basé sur les fissures transversales est de 28,6, et de 4,8 pour les inclusions.

La résistance moyenne à la traction d’un fil sternal de 0,7 mm entièrement recuit est de 132 ksi (36 kg) . La force appliquée pendant la fermeture est supposée être de 60% de la résistance à la traction du fil, soit 80 ksi (21,6 kg) . Ainsi, σmax peut atteindre jusqu’à 4678 ksi (1257 kg) au voisinage d’une zone de fissure transversale pour un seul fil sternal de 0,7 mm et jusqu’à 845 ksi (229 kg) au voisinage pour une inclusion. Ces valeurs σmax sont bien supérieures à la limite de résistance du fil sterno. Pour cette raison, une fissure très étroite telle qu’une fissure transversale ou une inclusion non métallique normale à la direction d’étirage et à la direction de traction entraînerait une concentration de contraintes très élevée et endommagerait le fil sterno après fermeture avec une surface de rupture plate.

Non seulement les défauts, tels que la fissure transversale et l’inclusion, peuvent créer un risque potentiel de fracture du fil après fermeture, mais ils contribuent également de manière significative à diverses défaillances de l’implant, telles que la fissuration par corrosion sous contrainte, l’usure corrosive et la corrosion de contact ou la fatigue par corrosion, en raison de l’effet synergique des paramètres chimiques et mécaniques.

En outre, une concentration élevée d’ions chlorure dans le fluide physiologique fait du corps humain un environnement hostile pour le fil de suture. Bien que les problèmes tels que la corrosion électrochimique, l’attaque chimique sur la suture et l’inflammation produite en réaction à la suture aient été minimisés par l’application de fils en acier inoxydable, la complication et la défaillance des fils se produisent toujours.

L’environnement favorable à la corrosion dû à la concentration élevée d’ion chlorure dans le fluide physiologique et la force mécanique appliquée au fil sternal pendant la fermeture pourraient conduire à la fissuration par corrosion sous contrainte et finalement, causer de graves dommages au fil .

Pour un patient atteint de médiastinite, les bactéries adhérentes pourraient créer une réaction électrochimique avec un flux de courant d’ions métalliques et accélérer considérablement le processus corrosif . De plus, la présence de crevasses le long des inclusions d’oxyde d’aluminium et des cavités sur la surface du fil pourrait servir de précurseur à la corrosion. La corrosion par crevasses ne se produit pas seulement dans les zones d’inclusion et les cavités, mais aussi dans les zones d’amas d’oxydes de surface lourds. Une accumulation d’oxygène localisée peut se produire, en raison des fibroblastes adhérents, des globules blancs ou des ostéoclastes activés, après l’implantation du fil de suture dans le corps humain. La différence de concentration d’oxygène sur la surface du fil et à l’intérieur de la crevasse peut créer une cellule de concentration et générer une cellule de corrosion galvanique .

En plus du risque de perte d’intégrité mécanique, les produits de dégradation tels que les ions métalliques pendant le processus de corrosion sont une réelle préoccupation en raison de leurs effets biologiques indésirables potentiels, à savoir l’allergie, la cytotoxicité et la cancérogénicité. Les produits de dégradation sont bien connus pour leurs effets pro-inflammatoires et peuvent contribuer subtilement aux réactions inflammatoires communément associées à la douleur persistante des plaies et à la formation de cicatrices. La libération d’ions de nickel, de chrome et de molybdène peut déclencher des réactions inflammatoires chroniques par un mécanisme immunologique, qui potentialiserait à son tour l’activité des fibroblastes et la formation de cicatrices.

Des études histologiques ont également montré que les éléments constitutifs des alliages implantés pouvaient être détectés dans les tissus locaux et que la réaction des tissus autour d’un alliage était liée à la concentration des ions métalliques libérés dans les tissus . Les tissus locaux au niveau du site d’un fil fixé sont exposés en permanence à des concentrations progressivement accumulées des ions métalliques composant l’alliage. Les ions de nickel, en particulier, ont été signalés in vitro pour induire une inflammation des tissus mous à des concentrations subtoxiques par l’activation directe des monocytes et la stimulation des cellules endothéliales par les cytokines. Ces conditions inflammatoires peuvent accélérer la corrosion des dispositifs, ce qui augmente encore la libération de ces substances pro-inflammatoires.

5 Conclusions

Pour prévenir l’apparition d’une défaillance du fil sternal après la fermeture, l’amélioration de la qualité du fil sternal est obligatoire. La corrosion électrochimique induite par les cellules, la destruction cellulaire active des surfaces et la méthode de stérilisation sont des mécanismes bien connus qui doivent être étudiés pour leurs rôles possibles dans la défaillance matérielle du fil sternal.

Ce travail a été soutenu par des subventions du Conseil national des sciences, Taiwan NSC-90-2314-B-075-062 et NSC-91-2314-B-075-062 ; Hôpital général des vétérans de Taipei, Taiwan VGH-90-109, VGH-91-300, VGH-91-275.