Alai

Abstract

Objectief: Om het potentiële breukmechanisme van sternale draden te begrijpen, verzamelden we geëxtraheerde roestvrijstalen sternale draden van patiënten met sternale dehiscentie na openhartoperaties. Oppervlakteveranderingen en gebroken uiteinden van sternale draden werden geïnspecteerd en geanalyseerd. Methoden: Acht gefractureerde en 12 niet gefractureerde draden van vijf patiënten (sluitingsmethode: achtpuntig of recht getordeerd; twee zonder en drie met mediastinitis) met een gemiddeld implantatie-interval van 13,2±4,2 dagen (range 8-20 dagen) werden met verschillende technieken bestudeerd. De geëxtraheerde draden werden schoongemaakt en het fibrotische weefsel werd verwijderd. Onregelmatigheden en gebroken uiteinden werden onderzocht met behulp van scanning-elektronenmicroscopie en energiedispersieve röntgenanalyse (EDXA). Resultaten: Alle onderzochte gebroken draden vertoonden de aanwezigheid van ernstige transversale scheuren en spleetcorrosie. EDAX onthulde aluminiumoxide insluiting op het gebroken oppervlak. Conclusies: Het synergetische effect van stress en slechte draadkwaliteit zouden de voorlopers kunnen zijn van materiaalfalen voor de sternale draad.

1 Inleiding

Hoewel sternale separatie, of dehiscentie een zeldzame complicatie is van mediane sternotomie, resulteert het in een sterftecijfer tussen 10 en 40%. Sternale instabiliteit, wondinfectie, osteomyelitis en dehiscentie zijn gerelateerd. De belangrijkste factor in het voorkomen van sternale dehiscentie en mediastinitis is een stabiele sternale benadering .

Dehiscentie treedt vaak op binnen de eerste 2 weken postoperatief vóór significante botgenezing . Röntgenonderzoek van het sternum na sternotomie toont bewijs van een gescheurde hechtdraad, dehiscentie van het sternum, malpositionering van de draadligatuur, doorsnijden van de fixatiedraad door de botbreuk, pseudoartrose en ontsteking.

De kracht toegepast op de sternale draad na wondsluiting was ver onder de ultieme treksterkte (UTS) van draad zoals bestudeerd door Losanoff et al. in hun biomechanische varkensmodel. Ondanks deze bevinding, brak de sternale draad nog steeds na een routine chirurgische ingreep. Daarom is het doel van onze studie het potentiële risico van draadbreuk te analyseren en een veilige en stijve fixatie van het sternum te verzekeren door de eigenschappen van sternale draadmaterialen te verbeteren.

2 Materialen en methoden

316L roestvrij staal is het meest gebruikte hechtdraadmateriaal. 316L roestvrijstalen hechtdraad heeft een austentische structuur met een laag koolstofgehalte (0,03% gewicht), en is overwegend ijzer (60-65%) gelegeerd met chroom (17-18%) en nikkel (12-14%).

De geëxtraheerde draden werden gedurende 15 min ultrasoon gereinigd in gedestilleerd water en het aanhechtende fibrotische weefsel werd voorzichtig met de vingers verwijderd. Acht gebroken en 12 niet-gefractureerde draden werden geëxtraheerd uit vijf patiënten (sluitingsmethode: achtpuntig of recht getordeerd; twee zonder en drie met mediastinitis) met een gemiddeld implantatie-interval van 13,2±4,2 dagen (interval 8-20 dagen) en werden bestudeerd en gedocumenteerd met stereomicroscopie. Onregelmatigheden werden geanalyseerd met behulp van scanningelektronenmicroscopie. Breukuiteinden en opvallende oppervlakteveranderingen werden verder onderzocht met behulp van energie-dispersieve röntgenanalyse (EDAX).

2.1 Scanning elektronenmicroscopie analyse

De morfologie van het oppervlak van draadmonsters werd onderzocht met scanning elektronenmicroscopie (SEM, Hitachi model S-800, USA). Representatieve microfoto’s werden genomen in een tweede elektron imaging mode. Om lading probleem te voorkomen en om de resolutie te verbeteren, werden monsters gesputterd met een dunne laag goud met behulp van een Polaron G-5000 sputter coater.

3 Resultaten

Röntgenonderzoek van het borstbeen na sternotomie bleek het bewijs van gescheurde hechtdraad, dehiscentie van het borstbeen, verkeerde positionering van de draad ligatuur, doorsnijden van de fixatie draad door het bot, fractuur, pseudoartrose en ontsteking (Fig. 1).

Alle onderzochte teruggehaalde draden vertoonden ernstige transversale scheuren (Fig. 2 , Tabel 1). Deze scheuren staan loodrecht op de draadtrekrichting.

Fig. 3 toont het breukuiteinde van een teruggehaalde draad, met abnormaal vlak breukvlak en enorme insluitsels. Vlakke breuk is een indicatie van lage ductiliteit van de hechtdraad.

Aluminiumoxide insluitsels werden gevonden op het oppervlak van teruggevonden draden (Fig. 4); spleetvorming werd samen met de insluitsels gevonden. De goudpiek die door het EDAX-spectrum werd onthuld, was het resultaat van de sputterlaag.

Er werden ernstige oxide deeltjes aangetroffen op de roestvrijstalen hechtdraad, na sterilisatie zoals getoond in Fig. 5 , in een zoals-ontvangen toestand van de leveranciers van sternale draden. Deze oxidedeeltjes zouden de voorlopers kunnen zijn van de spleetcorrosie nadat de sternale draad was geïmplanteerd. Oxidedeeltjes werden ook gevonden op de transversale scheuren en oppervlaktedefectgebieden (Fig. 6).

Fig. 7 toont de aanwezigheid van spleetcorrosie op de oppervlakteholten van de teruggehaalde hechtdraden. De donkere gebieden rond de oppervlakteholten op de opgehaalde draden zijn een indicatie van spleetcorrosie.

4 Discussie

In onze instelling is figure-of-eight gecombineerd met één of twee eenvoudige onderbroken hechtingen onze routinematige sluitingsmethode van de sternotomie. De 0,8% incidentie van grote sternale complicaties werd in de literatuur door de meeste centra als een gemiddelde gerapporteerd.

Vijf van 1170 patiënten werden geïdentificeerd als draadfractuurcomplicaties door röntgenfoto’s van de borstkas na openhartoperaties in onze enkele instelling gedurende een 2-jarig onderzoek. De incidentie van draadfractuur met sternale dehiscentie die verdere debridment en refixatie vereist, is ongeveer 0,4% in onze patiëntenpopulatie.

Er is gerapporteerd dat sternale dehiscentie kan optreden onder fysiologische belastingen, b.v. hoesten en cyclische respiratie. Een kracht/sterkte van 150 kg (552 ksi) belast op een sternotomiesluiting, bij maximaal hoesten, werd gerapporteerd door Casha et al. Hoewel kracht (kg) de gebruikelijke parameter is die in medisch onderzoek wordt gebruikt, is het ook correct om kracht (psi of ksi) te gebruiken die wordt geïnduceerd door de toegepaste belasting (kracht/eenheid doorsnede-oppervlak). Om respect te tonen voor alle gepubliceerde artikelen in verschillende tijdschriften, worden de eenheden van kracht en sterkte in dit artikel gebruikt om lezers op alle gebieden tegemoet te komen. Aangezien chirurgen over het algemeen zes draden gebruiken om een mediane sternotomie te sluiten, zou elke draad 25 kg (92 ksi) moeten kunnen dragen. Er zouden dus minimaal drie draaiingen van de 0,7 mm draad of twee draaiingen van de 0,9 mm draad nodig zijn om een zware hoest te weerstaan. Normaal gesproken breekt de sternale staaldraad bij een maximale sterkte van 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) in een borstkas die gesloten is met een techniek van één gedraaide achtdraadsdraad en bij 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) voor twee rechte gedraaide draden. Chirurgen gebruiken over het algemeen 5-7 draaiingen van de draad bij een sternotomiesluiting en op basis van deze studies lijkt dit voldoende om maximale sterkte te verkrijgen en mogelijke sternale dehiscentie te voorkomen.

Onder normale omstandigheden ligt de sterkte geïnduceerd door de belasting of kracht uitgeoefend op de sternale draad na sluiting ver onder de UTS van draad zoals bestudeerd door Losanoff et al. in hun biomechanische varkensmodel. Toch kan breuk van de sternale draad nog steeds optreden na een routine chirurgische ingreep.

Voor een draad met een perfecte oppervlaktegesteldheid zou geen draadbreuk optreden tijdens de sternotomie sluiting. Echter, de geïnduceerde of afgeleide sterkte zou de UTS van de hechtdraad kunnen hebben overschreden wanneer ernstige oppervlaktedefecten zoals de transversale scheuren en insluitsels werden gevonden op de teruggehaalde sternale draden. De transversale scheuren en de insluitsels konden dienen als een spanningsgeconcentreerd gebied en leiden tot de draadbreuk, aangezien vlakke breuk van opgehaalde hechtdraad een gebrek aan ductiliteit suggereerde.

Een onvolmaakt fabricageproces en een onjuist sterilisatieproces konden de interne of externe structuur van de hechtdraad verzwakken of vernietigen. Transversale scheuren zijn op grote schaal gedocumenteerd; dit defect is te wijten aan de ontoereikende smering en koeling tijdens het draadtrekproces . De hitte die door de wrijvingskracht binnen een trekmatrijs wordt opgewekt, en de koeling door het daaropvolgende smeermiddel nadat de draad de trekmatrijs heeft verlaten, kunnen een martensietstructuur op het draadoppervlak genereren. De draad is gevoelig voor breuk onder druk of sterkte toe te schrijven aan het enorme verschil van hardheid tussen de oppervlakte martensiet en de interne austensietstructuur, evenals de spanningsconcentratiefactor.

Een heterogene discontinuïteit op een draadoppervlakte, zoals insluitingen of een scheur, zou in een niet-uniforme distributie van spanning in de nabijheid van de discontinuïteit kunnen resulteren. Spanningsconcentratie treedt op bij de discontinuïteit en kan een waarde bereiken die hoger is dan de gemiddelde spanning op een afstand van de defecten of de gemiddelde spanning die vrij is van enig defect.

Afhankelijk van de soorten defecten op het draadoppervlak, b.v. insluitsels (Fig. 4) en dwarsscheuren (Fig. 2), kan de vorm van de defecten cirkelvormig of elliptisch zijn.

De maximale spanning aan de uiteinden van de insluitsels of dwarsscheuren kan worden uitgedrukt als:

waarbij a en b de halve afmeting van de insluiting of scheur in elke richting zijn, en σ de normaalspanning ver weg van de defecten of vrij van defecten is.

De spanning neemt toe met de verhouding a/b. De gemiddelde verhouding van a/b op basis van de transversale scheuren is 28,6, en 4,8 voor de insluitsels.

De gemiddelde treksterkte van een full-annealed 0,7 mm sternale draad is 132 ksi (36 kg) . De toegepaste sterkte tijdens sluiting wordt verondersteld 60% van de treksterkte van de draad te zijn, of 80 ksi (21,6 kg). Aldus kan σmax oplopen tot 4678 ksi (1257 kg) in de nabijheid van een transversaal scheurgebied voor een enkele 0,7 mm sternodraad en tot 845 ksi (229 kg) in de nabijheid voor een insluiting. Deze σmax-waarden liggen ver boven de UTS van de sternodraad. Om deze reden zou een zeer smalle scheur zoals transversale scheur of niet-metallische insluiting normaal aan de trekrichting en trekrichting resulteren in een zeer hoge spanningsconcentratie en de sternodraad beschadigen na sluiting met een vlak breukvlak.

Niet alleen kunnen defecten, zoals transversale scheur en insluiting, een potentieel risico van draadfractuur na sluiting creëren, maar ook aanzienlijk bijdragen tot verschillende implantaatfouten, zoals spanningscorrosiescheuren, corrosieve slijtage, en frettende corrosie of corrosiemoeheid, als gevolg van het synergetische effect van chemische en mechanische parameters.

Bovendien maakt een hoge concentratie van chloride-ionen in de fysiologische vloeistof het menselijk lichaam tot een vijandige omgeving voor hechtdraad. Hoewel problemen zoals elektrochemische corrosie, chemische aantasting van de hechtdraad en ontstekingen die als reactie op de hechtdraad ontstaan, tot een minimum zijn beperkt door de toepassing van roestvrijstalen draden, komen complicaties en falen van de draden nog steeds voor.

Het gunstige corrosiemilieu als gevolg van de hoge concentratie chloride-ionen in de fysiologische vloeistof en de mechanische kracht die tijdens de sluiting op de sternale draad wordt uitgeoefend, kan leiden tot spanningscorrosiescheuren en uiteindelijk ernstige schade aan de draad veroorzaken.

Bij een patiënt met mediastinitis kunnen aanhangende bacteriën een elektrochemische reactie veroorzaken met een stroom van metaalionen en het corrosieve proces drastisch versnellen. Ook zou de aanwezigheid van spleet langs de aluminiumoxide insluitsels en de holten op het draadoppervlak kunnen dienen als de voorloper voor de corrosie. De spleetcorrosie gebeurt niet alleen op de insluitingsgebieden en de holten maar ook op de zware oppervlakteoxyde clusterende gebieden. De gelokaliseerde zuurstofaccumulatie zou, wegens aanhangende fibroblasten, witte bloedcellen of geactiveerde osteoclast, kunnen voorkomen nadat de hechtdraad in menselijk lichaam wordt ingeplant. Het verschil in zuurstofconcentratie op het draadoppervlak en binnen de spleet kan een concentratiecel creëren en een galvanische corrosiecel genereren.

Naast het risico van mechanisch verlies van integriteit, zijn afbraakproducten zoals metaalionen tijdens het corrosieproces een echte zorg vanwege hun potentiële nadelige biologische effecten, namelijk allergie, cytotoxiciteit en carcinogeniciteit. Afbraakproducten staan bekend om hun ontstekingsbevorderende effecten en kunnen een subtiele bijdrage leveren tot de ontstekingsreacties die vaak gepaard gaan met aanhoudende wondpijn en littekenvorming. Het vrijkomen van nikkel-, chroom- en molybdeenionen kan via een immunologisch mechanisme chronische ontstekingsreacties opwekken, die op hun beurt de activiteit van fibroblasten en de vorming van littekens kunnen versterken.

Histologische studies hebben ook aangetoond dat de samenstellende elementen van geïmplanteerde legeringen konden worden gedetecteerd in de lokale weefsels en dat de weefselreactie rond een legering gerelateerd was aan de concentratie van metaalionen die in de weefsels vrijkwamen . Lokale weefsels op de plaats van een gefixeerde draad worden voortdurend blootgesteld aan geleidelijk geaccumuleerde concentraties van de metaalionen die de legering bevatten. Met name van nikkelionen is in vitro gemeld dat zij bij sub-toxische concentraties een ontsteking van weke delen induceren door directe activering van monocyten en cytokine-indirecte stimulering van endotheelcellen. Deze ontstekingsomstandigheden kunnen de corrosie van de hulpmiddelen versnellen, waardoor het vrijkomen van deze proinflammatoire stoffen verder toeneemt.

5 Conclusies

Om het optreden van sternale draadfalen na sluiting te voorkomen, is verbetering van de kwaliteit van sternale draden verplicht. Cel-geïnduceerde elektrochemische corrosie, actieve celvernietiging van oppervlakken, en sterilisatiemethode zijn bekende mechanismen die onderzocht moeten worden op hun mogelijke rol in het materiaalfalen van sternale draad.

Dit werk werd ondersteund door subsidies van de National Science Council, Taiwan NSC-90-2314-B-075-062 en NSC-91-2314-B-075-062; Taipei Veterans General Hospital, Taiwan VGH-90-109, VGH-91-300, VGH-91-275.

Campo

C.D.

,

Heimbecker

R.O.

.

Repair of refractory sternal dehiscence: a new technique

,

J Thorac Cardiovasc Surg

,

1982

, vol.

83

(pg.

937

–

939

)