Alai

Deiscenza sternale con filo fratturato (punta di freccia).

Deiscenza sternale con filo fratturato (punta di freccia).

Micrografie SEM di crepe trasversali sul filo sternale in acciaio inossidabile 316L recuperato.

Micrografie SEM di crepe trasversali sul filo sternale in acciaio inossidabile 316L recuperato.

Fili fratturati con deiscenza sternale

Fig. 3 mostra l’estremità fratturata di un filo recuperato, con una superficie di frattura piatta anormale ed enormi inclusioni. La frattura piatta è un’indicazione di bassa duttilità del filo di sutura.

Le inclusioni di ossido di alluminio sono state trovate sulla superficie dei fili recuperati (Fig. 4); la crepa è stata trovata insieme alle inclusioni. Il picco dell’oro rivelato dallo spettro EDAX è risultato dal rivestimento di sputtering.

Sono state trovate gravi particelle di ossido sul filo di sutura in acciaio inossidabile, dopo la sterilizzazione come mostrato in Fig. 5, in una condizione di ricezione dai fornitori di filo sternale. Queste particelle di ossido potrebbero essere i precursori della corrosione interstiziale dopo l’impianto del filo sternale. Le particelle di ossido sono state trovate anche sulle fessure trasversali e sulle aree con difetti di superficie (Fig. 6).

Fig. 7 mostra la presenza di corrosione interstiziale sulle cavità superficiali dei fili di sutura recuperati. Le aree scure che circondano le cavità superficiali sui fili recuperati sono un’indicazione della corrosione interstiziale.

4 Discussione

Nel nostro istituto, la figura a otto combinata con una o due semplici suture ad interruzione è il nostro metodo di chiusura di routine della sternotomia. L’incidenza dello 0,8% di complicazioni sternali maggiori è stata riportata come media in letteratura dalla maggior parte dei centri.

Cinque dei 1170 pazienti sono stati identificati come complicazioni da frattura del filo mediante radiografia del torace dopo operazioni a cuore aperto nella nostra singola istituzione durante uno studio di 2 anni. L’incidenza della frattura del filo con deiscenza sternale che richiede un ulteriore debridment e la refissazione è di circa 0,4% nella nostra popolazione di pazienti.

È stato riportato che la deiscenza sternale potrebbe verificarsi sotto carichi fisiologici, ad esempio tosse e respirazione ciclica. Una forza/forza di 150 kg (552 ksi) caricata su una chiusura sternotomica, con tosse massima, è stata riportata da Casha et al. Anche se la forza (kg) è il parametro comunemente usato nella ricerca medica, è anche corretto usare la forza (psi o ksi) indotta dal carico applicato (forza/unità di area della sezione trasversale). Per rispettare tutti gli articoli pubblicati in varie riviste, le unità di forza e resistenza sono adottate in questo articolo per soddisfare i lettori di tutti i campi. Dato che i chirurghi usano generalmente sei fili per chiudere una sternotomia mediana, ogni filo dovrebbe sostenere 25 kg (92 ksi). Ci vorrebbero quindi almeno tre torsioni del filo da 0,7 mm o due torsioni del filo da 0,9 mm per sopportare una tosse grave. Normalmente, il filo d’acciaio sternale si rompe alla forza massima di 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) in un torace chiuso con la tecnica del filo ritorto a figura di otto e a 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) per due fili ritorti diritti. I chirurghi generalmente usano 5-7 torsioni del filo in una chiusura sternotomica e, sulla base di questi studi, questo sembrerebbe sufficiente per ottenere la massima forza e prevenire una possibile deiscenza sternale.

In circostanze normali, la forza indotta dal carico o dalla forza applicata sul filo sternale dopo la chiusura è molto inferiore all’UTS del filo come studiato da Losanoff et al. nel loro modello biomeccanico suino. Tuttavia, la frattura del filo sternale potrebbe ancora verificarsi dopo la procedura chirurgica di routine.

Per un filo con condizioni di superficie perfette, non si verificherebbe alcuna frattura del filo durante la chiusura della sternotomia. Tuttavia, la forza indotta o derivata potrebbe aver superato l’UTS del filo di sutura quando sui fili sternali recuperati sono stati trovati gravi difetti superficiali come le crepe trasversali e le inclusioni. La cricca trasversale e l’inclusione potrebbero servire come area concentrata di stress e portare alla rottura del filo, poiché la frattura piatta del filo di sutura recuperato suggerisce una mancanza di duttilità.

Un processo di fabbricazione imperfetto e un processo di sterilizzazione improprio potrebbero indebolire o distruggere la struttura interna o esterna del filo di sutura. Le cricche trasversali sono state ampiamente documentate; questo difetto è dovuto all’insufficiente lubrificazione e raffreddamento durante il processo di trafilatura. Il calore generato dalla forza di attrito all’interno di una trafila e il raffreddamento da parte del lubrificante successivo dopo l’uscita del filo dalla trafila, potrebbero generare una struttura di martensite sulla superficie del filo. Il filo è suscettibile di frattura sotto pressione o forza a causa dell’enorme differenza di durezza tra la martensite superficiale e la struttura interna di austensite, così come il fattore di concentrazione dello stress.

Una discontinuità eterogenea su una superficie del filo, come inclusioni o una crepa, potrebbe provocare una distribuzione non uniforme dello stress in prossimità della discontinuità. La concentrazione delle sollecitazioni si verifica in corrispondenza della discontinuità e potrebbe raggiungere un valore superiore alla sollecitazione media ad una distanza dai difetti o alla sollecitazione media che è libera da qualsiasi difetto.

A seconda dei tipi di difetti sulla superficie del filo, ad esempio inclusioni (Fig. 4) e cricche trasversali (Fig. 2), le forme dei difetti possono essere circolari o ellittiche.

La sollecitazione massima alle estremità delle inclusioni o delle cricche trasversali può essere espressa come:

dove a e b sono le mezze dimensioni dell’inclusione o della cricca in ogni direzione, e σ è lo stress normale lontano dai difetti o libero dai difetti.

Lo stress aumenta con il rapporto a/b. Il rapporto medio di a/b basato sulle cricche trasversali è 28,6, e 4,8 per le inclusioni.

La resistenza media alla trazione di un filo sternale da 0,7 mm completamente ricotto è 132 ksi (36 kg). La forza applicata durante la chiusura si presume essere il 60% della resistenza alla trazione del filo, o 80 ksi (21,6 kg). Così σmax può raggiungere fino a 4678 ksi (1257 kg) in prossimità di una zona di frattura trasversale per un singolo filo sterno da 0,7 mm e fino a 845 ksi (229 kg) in prossimità di un’inclusione. Questi valori σmax sono molto al di sopra dell’UTS del filo di sterno. Per questo motivo, una cricca molto stretta come una cricca trasversale o un’inclusione non metallica normale alla direzione di trafilatura e alla direzione di trazione comporterebbe una concentrazione di stress molto alta e danneggerebbe il filo sterno dopo la chiusura con una superficie di frattura piatta.

Non solo i difetti, come la cricca trasversale e l’inclusione, possono creare un rischio potenziale di frattura del filo dopo la chiusura, ma anche contribuire significativamente a vari fallimenti dell’impianto, come la cricca da corrosione da stress, l’usura corrosiva e la corrosione da sfregamento o la fatica da corrosione, a causa dell’effetto sinergico dei parametri chimici e meccanici.

Inoltre, un’alta concentrazione di ione cloruro nel fluido fisiologico rende il corpo umano un ambiente ostile per il filo di sutura. Anche se problemi come la corrosione elettrochimica, l’attacco chimico alla sutura e l’infiammazione prodotta in reazione alla sutura sono stati minimizzati dall’applicazione di fili di acciaio inossidabile, si verificano ancora complicazioni e fallimenti dei fili.

L’ambiente di corrosione favorevole dovuto all’alta concentrazione di ione cloruro nel fluido fisiologico e la forza meccanica applicata al filo sternale durante la chiusura potrebbe portare alla rottura per corrosione da stress e, infine, causare gravi danni al filo.

Per un paziente con mediastinite, i batteri aderenti potrebbero creare una reazione elettrochimica con un flusso corrente di ioni metallici e accelerare drasticamente il processo corrosivo. Inoltre, la presenza di crepe lungo le inclusioni di ossido di alluminio e le cavità sulla superficie del filo potrebbe servire come precursore della corrosione. La corrosione interstiziale non avviene solo nelle aree di inclusione e nelle cavità, ma anche nelle aree di raggruppamento dell’ossido in superficie. L’accumulo localizzato di ossigeno potrebbe verificarsi, a causa di fibroblasti aderenti, globuli bianchi o osteoclasti attivati, dopo che il filo di sutura viene impiantato nel corpo umano. La differenza di concentrazione di ossigeno sulla superficie del filo e all’interno dell’interstizio può creare una cella di concentrazione e generare una cella di corrosione galvanica.

Oltre al rischio di perdita meccanica dell’integrità, i prodotti di degradazione come gli ioni metallici durante il processo di corrosione sono una preoccupazione reale a causa dei loro potenziali effetti biologici avversi, cioè allergia, citotossicità e carcinogenicità. I prodotti di degradazione sono ben noti per i loro effetti proinfiammatori e possono essere sottili contributori alle reazioni infiammatorie comunemente associate al dolore persistente della ferita e alla formazione di cicatrici. Il rilascio di ioni nichel, cromo e molibdeno può innescare reazioni infiammatorie croniche attraverso un meccanismo immunologico, che a sua volta potenzierebbe l’attività dei fibroblasti e la formazione di cicatrici.

Studi istologici hanno anche dimostrato che gli elementi costitutivi delle leghe impiantate potevano essere rilevati nei tessuti locali e la reazione dei tessuti intorno ad una lega era legata alla concentrazione di ioni metallici rilasciati nei tessuti. I tessuti locali nel sito di un filo fissato sono esposti continuamente a concentrazioni gradualmente accumulate degli ioni metallici che compongono la lega. Gli ioni di nichel in particolare sono stati segnalati in vitro per indurre l’infiammazione dei tessuti molli a concentrazioni sub-tossiche attraverso l’attivazione diretta dei monociti e la stimolazione indiretta delle citochine delle cellule endoteliali. Queste condizioni infiammatorie possono accelerare la corrosione dei dispositivi, che aumenta ulteriormente il rilascio di queste sostanze proinfiammatorie.

5 Conclusioni

Per prevenire l’insorgenza di cedimenti del filo sternale dopo la chiusura, è obbligatorio migliorare la qualità del filo sternale. La corrosione elettrochimica indotta dalle cellule, la distruzione cellulare attiva delle superfici e il metodo di sterilizzazione sono meccanismi ben noti che devono essere studiati per il loro possibile ruolo nel fallimento del materiale del filo sternale.

Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni del Consiglio Nazionale delle Scienze, Taiwan NSC-90-2314-B-075-062 e NSC-91-2314-B-075-062; Taipei Veterans General Hospital, Taiwan VGH-90-109, VGH-91-300, VGH-91-275.