Alai

Abstract

Objective: Aby zrozumieć potencjalny mechanizm złamań drutów mostkowych, zebraliśmy wyekstrahowane druty mostkowe ze stali nierdzewnej od pacjentów z dehiscencją mostka po operacjach na otwartym sercu. Zmiany powierzchni i złamane końce drutów mostkowych zostały zbadane i przeanalizowane. Metody: Osiem złamanych i 12 niezłamanych drutów pobranych od pięciu pacjentów (metoda zamknięcia: figura ósemki lub prosta skręcona; dwóch bez zapalenia śródpiersia i trzech z zapaleniem śródpiersia) ze średnim czasem implantacji 13,2±4,2 dnia (zakres 8-20 dni) zostało przebadanych różnymi technikami. Wyjęte druty oczyszczano i usuwano zwłókniałe tkanki. Nieregularności i złamane końce oceniano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej i analizy rentgenowskiej z dyspersją energii (EDXA). Wyniki: Wszystkie badane złamane druty wykazywały obecność silnych pęknięć poprzecznych i korozji szczelinowej. Analiza EDAX wykazała obecność wtrąceń tlenku glinu na pękniętej powierzchni. Wnioski: Synergiczny efekt naprężeń i słaba jakość drutu mogą być prekursorami uszkodzenia materiału drutu mostkowego.

1 Wstęp

Although sternal separation, or dehiscence is a rare complication of median sternotomy , it results in a mortality rate between 10 and 40% . Niestabilność mostka, zakażenie rany, zapalenie kości i odwarstwienie mostka są ze sobą powiązane. Najważniejszym czynnikiem w zapobieganiu dehiscencji mostka i zapaleniu śródpiersia jest stabilne zbliżenie mostka .

Dehiscencja często występuje w ciągu pierwszych 2 tygodni pooperacyjnych przed znaczącym gojeniem się kości . Badanie rentgenowskie mostka po sternotomii wykazuje dowody na pęknięty drut szewny, dehiscencję mostka, złe ułożenie podwiązki drutu, przecięcie drutu mocującego przez złamanie kości, pseudoartrozę i zapalenie.

Siła przyłożona do drutu mostkowego po zamknięciu rany była znacznie poniżej ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie (UTS) drutu, jak zbadali Losanoff i wsp. w swoim biomechanicznym modelu świńskim. Pomimo tego odkrycia, drut mostkowy nadal ulegał złamaniu po rutynowym zabiegu chirurgicznym. Dlatego celem naszego badania jest analiza potencjalnego ryzyka złamania drutu oraz zapewnienie bezpiecznego i sztywnego umocowania mostka poprzez poprawę właściwości materiałów, z których wykonany jest drut mostkowy.

2 Materiały i metody

316L stal nierdzewna jest najczęściej stosowanym materiałem na drut szewny. Drut szewny ze stali nierdzewnej 316L ma strukturę austeniczną z niską zawartością węgla (0,03% wag.), a w jego składzie przeważa żelazo (60-65%) stopione z chromem (17-18%) i niklem (12-14%).

Wyodrębnione druty czyszczono ultradźwiękami w wodzie destylowanej przez 15 min, a przylegające tkanki włókniste delikatnie usuwano palcami. Osiem złamanych i 12 niezłamanych drutów wyekstrahowanych od pięciu pacjentów (metoda zamknięcia: figura ósemki lub prosta skręcona; dwóch bez i trzech z zapaleniem śródpiersia) ze średnim odstępem czasu między implantacjami 13,2±4,2 dni (zakres 8-20 dni) zostało zbadanych i udokumentowanych za pomocą stereomikroskopii. Nieprawidłowości oceniano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Końce złamań i uderzające zmiany powierzchni były dalej badane przy użyciu analizy rentgenowskiej z dyspersją energii (EDAX).

2.1 Analiza skaningowej mikroskopii elektronowej

Morfologia powierzchni próbek drutu była badana przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM, Hitachi model S-800, USA). Reprezentatywne mikrografy zostały wykonane w drugim trybie obrazowania elektronowego. Aby zapobiec problemom z ładunkiem i zwiększyć rozdzielczość, próbki napylano cienką warstwą złota przy użyciu urządzenia do napylania Polaron G-5000.

3 Wyniki

Badanie rentgenowskie mostka po sternotomii wykazało obecność zerwanego drutu szewnego, dehiscencję mostka, złe ułożenie podwiązki drutu, przecięcie drutu mocującego przez kość, złamanie, pseudoartrozę i stan zapalny (ryc. 1). 1).

Wszystkie badane pobrane druty wykazywały poważne pęknięcia poprzeczne (Ryc. 2 , Tabela 1). Pęknięcia te są prostopadłe do kierunku ciągnienia drutu.

Fig. 3 przedstawia złamany koniec wyjętego drutu, z nieprawidłową płaską powierzchnią złamania i ogromnymi wtrąceniami. Płaskie złamanie wskazuje na niską plastyczność drutu szewnego.

Na powierzchni odzyskanych drutów (Rys. 4) znaleziono wtrącenia tlenku glinu; wraz z wtrąceniami stwierdzono szczelinę. Pik złota ujawniony w widmie EDAX wynikał z powłoki napylanej.

Cząstki tlenku znaleziono na drucie szewnym ze stali nierdzewnej, po sterylizacji, jak pokazano na Rys. 5 , w stanie, w jakim został otrzymany od dostawców drutu mostkowego. Te cząstki tlenku mogły być prekursorami korozji szczelinowej po wszczepieniu drutu mostkowego. Cząstki tlenku znaleziono również na pęknięciach poprzecznych i obszarach wad powierzchniowych (Ryc. 6).

Fig. 7 pokazuje obecność korozji szczelinowej na ubytkach powierzchniowych odzyskanych drutów szewnych. Ciemne obszary otaczające wgłębienia powierzchniowe na odzyskanych drutach wskazują na korozję szczelinową.

4 Dyskusja

W naszej instytucji, figura ósemki połączona z jednym lub dwoma prostymi szwami przerywanymi jest naszą rutynową metodą zamykania sternotomii. Częstość występowania poważnych powikłań mostkowych wynosząca 0,8% została podana jako średnia w literaturze przez większość ośrodków .

Pięciu z 1170 pacjentów zostało zidentyfikowanych jako powikłania złamania drutu przez RTG klatki piersiowej po operacjach na otwartym sercu w naszej pojedynczej instytucji podczas 2-letniego badania. Częstość występowania złamania drutu z dehiscencją mostka wymagającą dalszego oczyszczenia i refiksacji wynosi około 0,4% w naszej populacji pacjentów.

Donoszono, że dehiscencja mostka może wystąpić pod wpływem obciążeń fizjologicznych, np. kaszlu i cyklicznego oddychania. Casha i wsp. odnotowali siłę/obciążenie 150 kg (552 ksi) przy maksymalnym kaszlu na zamknięciu sternotomii. Chociaż siła (kg) jest powszechnym parametrem używanym w badaniach medycznych, poprawne jest również używanie siły (psi lub ksi) wywołanej przez przyłożone obciążenie (siła/jednostka powierzchni przekroju poprzecznego). Aby wyrazić szacunek dla wszystkich prac opublikowanych w różnych czasopismach, jednostki siły i wytrzymałości są przyjęte w tym artykule, aby dostosować się do czytelników ze wszystkich dziedzin. Biorąc pod uwagę, że chirurdzy zazwyczaj używają sześciu drutów do zamknięcia sternotomii pośrodkowej, każdy drut musiałby wytrzymać obciążenie 25 kg (92 ksi). Dlatego też, aby wytrzymać silny kaszel, należałoby wykonać co najmniej trzy skręty drutu 0,7 mm lub dwa skręty drutu 0,9 mm. Normalnie stalowy drut mostkowy pęka przy maksymalnej wytrzymałości 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) w klatce piersiowej zamkniętej techniką jednego skręconego drutu w kształcie ósemki i przy 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) w przypadku dwóch prostych skręconych drutów. Chirurdzy zazwyczaj używają 5-7 skrętów drutu podczas zamykania sternotomii i na podstawie tych badań wydaje się to wystarczające do uzyskania maksymalnej wytrzymałości i zapobieżenia możliwej dehiscencji mostka.

W normalnych warunkach wytrzymałość wywołana przez obciążenie lub siłę przyłożoną do drutu mostkowego po zamknięciu jest znacznie poniżej UTS drutu, jak zbadali Losanoff i wsp. w swoim biomechanicznym modelu świńskim. Jednak złamanie drutu mostkowego może nadal występować po rutynowej procedurze chirurgicznej.

W przypadku drutu o idealnym stanie powierzchni, podczas zamykania sternotomii nie wystąpiłoby złamanie drutu. Jednakże, indukowana lub pochodna wytrzymałość mogła przekroczyć UTS drutu szewnego, gdy na odzyskanych drutach mostkowych znaleziono poważne defekty powierzchni, takie jak pęknięcia poprzeczne i wtrącenia. Pęknięcie poprzeczne i wtrącenie mogły służyć jako obszar skoncentrowanego naprężenia i prowadzić do pęknięcia drutu, ponieważ płaskie pęknięcie odzyskanego drutu szewnego sugerowało brak plastyczności.

Niedoskonały proces wytwarzania i niewłaściwy proces sterylizacji mogły osłabić lub zniszczyć wewnętrzną lub zewnętrzną strukturę drutu szewnego. Pęknięcia poprzeczne zostały szeroko udokumentowane; wada ta jest spowodowana niewystarczającym smarowaniem i chłodzeniem podczas procesu ciągnienia drutu. Ciepło generowane przez siłę tarcia wewnątrz ciągadła i chłodzenie przez kolejny smar po opuszczeniu przez drut ciągadła, może generować strukturę martenzytu na powierzchni drutu. Drut jest podatny na złamania pod ciśnieniem lub siły ze względu na ogromną różnicę twardości między martenzytem powierzchni i wewnętrznej struktury austenzytu, jak również czynnik koncentracji stresu.

Niejednorodna nieciągłość na powierzchni drutu, takie jak wtrącenia lub pęknięcia, może spowodować niejednolity rozkład naprężeń w pobliżu nieciągłości. Koncentracja naprężeń występuje w miejscu nieciągłości i może osiągnąć wartość wyższą niż średnie naprężenie w odległości od wad lub średnie naprężenie, które jest wolne od jakiejkolwiek wady.

W zależności od rodzajów wad na powierzchni drutu, np. wtrąceń (rys. 4) i pęknięć poprzecznych (rys. 2), kształty wad mogą być kołowe lub eliptyczne.

Maksymalne naprężenia na końcach wtrąceń lub pęknięć poprzecznych można wyrazić jako:

gdzie a i b są wymiarami połówkowymi wtrącenia lub pęknięcia w każdym kierunku, a σ jest naprężeniem normalnym daleko od wad lub wolnym od wad.

Naprężenie wzrasta ze stosunkiem a/b. Średni stosunek a/b na podstawie pęknięć poprzecznych wynosi 28,6, a 4,8 dla wtrąceń.

Średnia wytrzymałość na rozciąganie w pełni wyżarzonego drutu mostkowego o średnicy 0,7 mm wynosi 132 ksi (36 kg) . Przyjmuje się, że siła przyłożona podczas zamykania wynosi 60% wytrzymałości na rozciąganie drutu, czyli 80 ksi (21,6 kg). Tak więc σmax może osiągnąć wartość 4678 ksi (1257 kg) w pobliżu obszaru pęknięcia poprzecznego dla pojedynczego drutu sterno 0,7 mm i 845 ksi (229 kg) w pobliżu wtrącenia. Te wartości σmax są znacznie powyżej UTS drutu sterno. Z tego powodu bardzo wąskie pęknięcie, takie jak pęknięcie poprzeczne lub wtrącenie niemetaliczne normalne do kierunku ciągnienia i kierunku rozciągania, spowodowałoby bardzo dużą koncentrację naprężeń i uszkodzenie drutu sterno po zamknięciu z płaską powierzchnią pęknięcia.

Nie tylko defekty, takie jak pęknięcie poprzeczne i wtrącenia, mogą stwarzać potencjalne ryzyko pęknięcia drutu po zamknięciu, ale także przyczyniać się znacząco do różnych awarii implantów, takich jak korozja naprężeniowa, zużycie korozyjne, korozja zanikowa lub zmęczenie korozyjne, ze względu na synergiczny efekt parametrów chemicznych i mechanicznych.

Dodatkowo, wysokie stężenie jonów chlorkowych w płynie fizjologicznym sprawia, że ciało ludzkie jest środowiskiem nieprzyjaznym dla drutu szewnego. Chociaż problemy takie jak korozja elektrochemiczna, atak chemiczny na szew i stan zapalny powstały w reakcji na szew zostały zminimalizowane przez zastosowanie drutów ze stali nierdzewnej, komplikacje i awarie drutów nadal występują.

Sprzyjające środowisko korozji ze względu na wysokie stężenie jonów chlorkowych w płynie fizjologicznym i siłę mechaniczną zastosowaną do drutu mostkowego podczas zamykania może prowadzić do pękania korozyjnego naprężeniowego i ostatecznie spowodować poważne uszkodzenie drutu .

Dla pacjenta z zapaleniem śródpiersia, przylegające bakterie mogą stworzyć reakcję elektrochemiczną z bieżącym przepływem jonów metalicznych i dramatycznie przyspieszyć proces korozyjny . Również obecność szczeliny wzdłuż wtrąceń tlenku glinu i wgłębień na powierzchni drutu może służyć jako prekursor korozji. Korozja szczelinowa nie tylko dzieje się na obszarach inkluzji i wnęk, ale także na ciężkich powierzchniowych obszarach klastrowania tlenku. Lokalne nagromadzenie tlenu może wystąpić z powodu przylegających fibroblastów, białych krwinek lub aktywowanych osteoklastów, po tym jak drut szewny zostanie wszczepiony do ludzkiego ciała. Różnica w stężeniu tlenu na powierzchni drutu i wewnątrz szczeliny może utworzyć komórkę koncentracyjną i wygenerować ogniwo korozji galwanicznej .

Oprócz ryzyka mechanicznej utraty integralności, produkty degradacji, takie jak jony metali podczas procesu korozji są prawdziwym problemem ze względu na ich potencjalne niekorzystne skutki biologiczne, a mianowicie alergię, cytotoksyczność i rakotwórczość. Produkty degradacji są dobrze znane ze swojego działania prozapalnego i mogą być subtelnymi czynnikami przyczyniającymi się do reakcji zapalnych powszechnie związanych z uporczywym bólem rany i tworzeniem się blizn. Uwalnianie jonów niklu, chromu i molibdenu może wywoływać przewlekłe reakcje zapalne poprzez mechanizm immunologiczny, co z kolei potęguje aktywność fibroblastów i tworzenie się blizn.

Badania histologiczne wykazały również, że elementy składowe wszczepionych stopów można wykryć w lokalnych tkankach, a reakcja tkanek wokół stopu była związana ze stężeniem jonów metali uwalnianych do tkanek . Miejscowe tkanki w miejscu zamocowanego drutu są stale narażone na stopniowo gromadzące się stężenia jonów metali wchodzących w skład stopu. W szczególności jony niklu zostały zgłoszone in vitro do wywoływania zapalenia tkanek miękkich w stężeniach sub-toksycznych poprzez bezpośrednią aktywację monocytów i cytokin pośredniej stymulacji komórek śródbłonka . Te warunki zapalne mogą przyspieszać korozję urządzeń, co jeszcze bardziej zwiększa uwalnianie tych substancji prozapalnych.

5 Wnioski

Aby zapobiec wystąpieniu uszkodzenia drutu mostkowego po zamknięciu, konieczna jest poprawa jakości drutu mostkowego. Korozja elektrochemiczna wywołana przez komórki, aktywne niszczenie powierzchni przez komórki oraz metoda sterylizacji są dobrze znanymi mechanizmami, które należy zbadać pod kątem ich możliwej roli w uszkodzeniu materiału drutu mostkowego.

Ta praca była wspierana przez granty od Narodowej Rady Nauki, Tajwan NSC-90-2314-B-075-062 i NSC-91-2314-B-075-062; Taipei Veterans General Hospital, Tajwan 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

)

Tavilla

G.

,

van Son

J.A.

,

Verhagen

A.F.

,

Lacquet

L.K.

.

Modified Robicsek technique for complicated sternal closure

,

Ann Thorac Surg

,

1991

, vol.

52

(pg.

1179

–

1180

)

.