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Abstract

Objectivo: Para compreender o potencial mecanismo de fratura dos fios esternais, coletamos fios de aço inoxidável extraídos de pacientes com deiscência esternal após operações com o coração aberto. Alterações superficiais e extremidades fraturadas dos fios esternais foram inspecionadas e analisadas. Métodos: Oito fios fraturados e 12 não fraturados extraídos de cinco pacientes (método de fechamento: figura de oito ou reto torcido; dois sem e três com mediastinite) com intervalo médio de implante de 13,2±4,2 dias (variação de 8-20 dias) foram estudados por diversas técnicas. Os fios extraídos foram limpos e os tecidos fibróticos foram removidos. Irregularidades e extremidades fraturadas foram testadas por microscopia eletrônica de varredura e análise radiográfica dispersiva de energia (EDXA). Resultados: Todos os fios fraturados examinados mostraram a presença de fissuras transversais graves e corrosão por fendas. O EDAX revelou inclusão de óxido de alumínio na superfície fraturada. Conclusões: O efeito sinérgico da tensão e da má qualidade do fio pode ser o precursor da falha do material para o fio esternal.

1 Introdução

A separação ou deiscência do esterno é uma complicação rara da esternotomia mediana, mas resulta em uma taxa de mortalidade entre 10 e 40%. A instabilidade esternal, infecção da ferida, osteomielite e deiscência estão relacionadas . O factor mais importante na prevenção de deiscência esternal e mediastinite é uma aproximação esternal estável .

Deiscência ocorre frequentemente nas primeiras 2 semanas de pós-operatório antes da cicatrização óssea significativa . O exame radiográfico do esterno após esternotomia mostra evidências de ruptura do fio de sutura, deiscência do esterno, mal posicionamento da ligadura do fio, corte do fio de fixação pela fratura óssea, pseudoartrose e inflamação.

A resistência aplicada no fio de esterno após o fechamento da ferida foi muito inferior à resistência à tração final (UTS) do fio, conforme estudado por Losanoff et al. em seu modelo biomecânico porcino. Apesar deste achado, o fio esternal ainda se fraturou após um procedimento cirúrgico de rotina. Portanto, o objetivo do nosso estudo é analisar o risco potencial de fratura do fio e garantir uma fixação segura e rígida do esterno, melhorando a propriedade dos materiais do fio esterno.

2 Materiais e métodos

316L O aço inoxidável é o material de fio de sutura mais comumente utilizado. O fio de sutura de aço inoxidável 316L tem estrutura austêntica com baixo teor de carbono (0,03% de peso) e é predominantemente de ferro (60-65%) ligado com cromo (17-18%) e níquel (12-14%).

Os fios extraídos foram limpos por ultra-som em água destilada por 15 min e os tecidos fibróticos adesivos foram suavemente removidos com os dedos. Oito fios fraturados e 12 não fraturados extraídos de cinco pacientes (método de fechamento: figura de oito ou reto torcido; dois sem e três com mediastinite) com intervalo médio de implantação de 13,2±4,2 dias (variação de 8-20 dias) foram estudados e documentados por estereomicroscopia. Irregularidades foram testadas por microscopia eletrônica de varredura. As extremidades de ruptura e alterações de superfície marcantes foram ainda examinadas através da análise de raios X dispersiva de energia (EDAX).

2,1 Análise por microscopia eletrônica de varredura

Morfologia de superfície das amostras de fios foi examinada com microscopia eletrônica de varredura (SEM, Hitachi modelo S-800, EUA). Micrográficos representativos foram obtidos em um segundo modo de imagem eletrônica. Para prevenir problemas de carga e melhorar a resolução, as amostras foram borrifadas com uma fina camada de ouro, usando um revestimento de borrifador Polaron G-5000.

3 Resultados

X-Ray exame do esterno após esternotomia provou a evidência de ruptura do fio de sutura, deiscência do esterno, mal posicionamento da ligadura do fio, corte do fio de fixação pelo osso, fratura, pseudoartrose e inflamação (Fig. 1).

Todos os fios examinados mostraram fissuras transversais graves (Fig. 2 , Tabela 1). Estas fissuras são perpendiculares ao sentido de tração do fio.

Fig. 3 mostra a extremidade da fratura de um fio recuperado, com superfície de fratura plana anormal e enormes inclusões. A fratura plana é uma indicação de baixa ductilidade do fio de sutura.

Partículas de óxido de aço inoxidável foram encontradas no fio de sutura, após a esterilização, como mostrado na Fig. 5 , em condições “as-received” dos fornecedores do fio esterno. Essas partículas de óxido poderiam ser os precursores da corrosão da fenda após a implantação do fio de aço esternal. Também foram encontradas partículas de óxido nas fissuras transversais e áreas de defeito superficial (Fig. 6).

Fig. 7 mostra a presença de corrosão com fenda nas cavidades superficiais dos fios de sutura recuperados. As áreas escuras em torno das cavidades superficiais dos fios recuperados são uma indicação de corrosão com fendas.

4 Discussão

Na nossa instituição, a figura de oito combinada com uma ou duas suturas de interrupção simples é o nosso método de fecho de rotina de esternotomia. A incidência de 0,8% de complicações esternais maiores foi relatada como média na literatura pela maioria dos centros .

Cinco de 1170 pacientes foram identificados como complicações de fratura do fio pela radiografia de tórax após operações de coração aberto em nossa instituição única, durante um estudo de 2 anos. A incidência de fratura do fio com deiscência do esterno que requer desbridamento e refixação é de cerca de 0,4% em nossa população de pacientes.

Foi relatado que deiscência do esterno poderia ocorrer sob cargas fisiológicas, por exemplo, tosse e respiração cíclica. Uma força/força de 150 kg (552 ksi) carregada no fechamento de uma esternotomia, na tosse máxima, foi relatada por Casha et al. Embora a força (kg) seja o parâmetro comum usado em pesquisas médicas, também é correto usar força (psi ou ksi) induzida pela carga aplicada (força/unidade da área da seção transversal). Para respeitar todos os artigos publicados em várias revistas, são adotadas unidades de força e força neste artigo para acomodar os leitores em todos os campos. Dado que os cirurgiões geralmente usam seis fios para fechar uma esternotomia mediana, cada fio seria necessário para sustentar 25 kg (92 ksi). Portanto, seria necessário um mínimo de três torções do fio de 0,7 mm ou duas torções do fio de 0,9 mm para resistir a uma tosse grave. Normalmente, o fio de aço esternal quebra com resistência máxima de 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) em um tórax fechado com uma técnica de arame torcido em forma de oito e a 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) para dois arames torcidos retos. Os cirurgiões geralmente utilizam 5-7 torções do fio em um fechamento por esternotomia e, com base nesses estudos, isso pareceria suficiente para obter a máxima resistência e evitar possíveis deiscências esternais.

Em circunstâncias normais, a resistência induzida pela carga ou força aplicada no fio esterno após o fechamento está muito abaixo da UTS do fio, conforme estudado por Losanoff et al. em seu modelo biomecânico suíno. Entretanto, a fratura do fio esternal ainda poderia ocorrer após o procedimento cirúrgico de rotina.

Para um fio com perfeito estado superficial, não ocorreria fratura do fio durante o fechamento da esternotomia. Entretanto, a resistência induzida ou derivada poderia ter excedido a UTS do fio de sutura quando defeitos superficiais graves, como fissuras transversais e inclusões, fossem encontrados nos fios esternotomizados recuperados. A fissura transversal e a inclusão poderiam servir como uma área concentrada de tensão e levar à quebra do fio, pois a fratura plana do fio de sutura recuperado sugeria falta de ductilidade.

Um processo de fabricação imperfeito e um processo de esterilização inadequado poderiam enfraquecer ou destruir a estrutura interna ou externa do fio de sutura. Fissuras transversais têm sido amplamente documentadas; este defeito deve-se à lubrificação e arrefecimento insuficientes durante o processo de trefilação do fio . O calor gerado pela força de fricção dentro de uma trefilação e o resfriamento pelo lubrificante subsequente após a saída do fio da trefilação pode gerar uma estrutura de martensite na superfície do fio. O arame é suscetível à fratura sob pressão ou força devido à enorme diferença de dureza entre o martensita superficial e a estrutura austenítica interna, bem como o fator de concentração de tensão.

Uma descontinuidade heterogênea na superfície do arame, como inclusões ou uma fenda, poderia resultar em uma distribuição não uniforme de tensão nas proximidades da descontinuidade . A concentração de tensão ocorre na descontinuidade e pode atingir um valor superior à tensão média a uma distância dos defeitos ou tensão média livre de qualquer defeito.

Dependente dos tipos de defeitos na superfície do fio, por exemplo, inclusões (Fig. 4) e fissuras transversais (Fig. 2), as formas dos defeitos podem ser circulares ou elípticas.

A tensão máxima nas extremidades das inclusões ou fissuras transversais pode ser expressa como:

onde a e b são a meia dimensão da inclusão ou rachadura em cada direção, e σ é a tensão normal longe dos defeitos ou livre de defeitos.

A tensão aumenta com a relação a/b. A razão média de a/b baseada nas fissuras transversais é de 28,6, e 4,8 para as inclusões.

A tensão de ruptura média de um fio esternal recozido 0,7 mm é de 132 ksi (36 kg) . A resistência aplicada durante o fechamento é assumida como 60% da resistência à tração do fio, ou 80 ksi (21,6 kg). Assim, σmax pode atingir até 4678 ksi (1257 kg) nas proximidades de uma área de fenda transversal para um único fio esterno de 0,7 mm e como 845 ksi (229 kg) nas proximidades para uma inclusão. Estes valores de σmax estão muito acima do UTS do fio estéreo. Por este motivo, uma fenda muito estreita como a fenda transversal ou a inclusão não metálica normal na direcção de tracção e de tracção resultaria numa concentração de tensão muito elevada e danificaria o fio de esterno após o fecho com uma superfície de fractura plana.

Não somente defeitos, como fissuras transversais e inclusão, podem criar um risco potencial de fratura do fio após o fechamento, mas também contribuir significativamente para várias falhas do implante, como rachaduras por corrosão sob tensão, desgaste corrosivo e corrosão por atrito ou fadiga por corrosão, devido ao efeito sinérgico de parâmetros químicos e mecânicos.

Além disso, uma alta concentração de íon cloreto no fluido fisiológico torna o corpo humano um ambiente hostil para o fio de sutura. Embora problemas como corrosão eletroquímica, ataque químico sobre a sutura e inflamação produzida em reação à sutura tenham sido minimizados pela aplicação de fios de aço inoxidável, ainda ocorrem complicações e falhas nos fios.

O ambiente favorável à corrosão devido à alta concentração de íon cloreto no fluido fisiológico e a resistência mecânica aplicada ao fio esterno durante o fechamento poderia levar a rachaduras por corrosão por tensão e, por fim, causar sérios danos ao fio .

Para um paciente com mediastinite, bactérias aderentes poderiam criar uma reação eletroquímica com um fluxo de corrente de íons metálicos e acelerar drasticamente o processo corrosivo . Além disso, a presença de fendas ao longo das inclusões de óxido de alumínio e as cavidades na superfície do fio poderiam servir como precursor para a corrosão. A corrosão com fendas não acontece apenas nas áreas de inclusão e cavidades, mas também nas áreas pesadas de agregação do óxido de superfície. Pode ocorrer acúmulo localizado de oxigênio, devido a fibroblastos aderentes, glóbulos brancos ou osteoclasto ativado, após o fio de sutura ser implantado no corpo humano. A diferença na concentração de oxigênio na superfície do fio e no interior da fenda pode criar uma célula de concentração e gerar uma célula de corrosão galvânica .

Além do risco de perda mecânica de integridade, produtos de degradação como íons metálicos durante o processo de corrosão são uma preocupação real, devido aos seus potenciais efeitos biológicos adversos, nomeadamente alergia, citotoxicidade e carcinogenicidade. Os produtos de degradação são bem conhecidos pelos seus efeitos pró-inflamatórios e podem contribuir subtilmente para as reacções inflamatórias normalmente associadas à dor persistente na ferida e à formação de cicatrizes. A libertação de iões de níquel, crómio e molibdénio pode desencadear reacções inflamatórias crónicas através de um mecanismo imunológico, o que por sua vez potenciaria a actividade fibroblástica e a formação de cicatrizes.

Estudos histológicos também mostraram que os elementos constituintes das ligas implantadas podiam ser detectados nos tecidos locais e a reação tecidual em torno de uma liga estava relacionada com a concentração de íons metálicos liberados nos tecidos . Os tecidos locais no local de um fio fixado são expostos continuamente a concentrações gradualmente acumuladas dos íons metálicos que compõem a liga . Os íons de níquel, particularmente, têm sido relatados in vitro para induzir inflamação dos tecidos moles em concentrações subtóxicas através da ativação direta de monócitos e da estimulação direta de células endoteliais de citocina . Essas condições inflamatórias podem acelerar a corrosão dos dispositivos, o que aumenta ainda mais a liberação dessas substâncias pró-inflamatórias.

5 Conclusões

Para prevenir a ocorrência de falha do fio esternal após o fechamento, a melhoria da qualidade do fio esternal é obrigatória. A corrosão eletroquímica induzida por células, a destruição celular ativa das superfícies e o método de esterilização são mecanismos bem conhecidos que devem ser investigados por seus possíveis papéis na falha do fio esternal.

Este trabalho foi apoiado por subsídios do Conselho Nacional de Ciência, 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.

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