Alai

Abstract

Objetivo: Para entender el potencial mecanismo de fractura de los alambres esternales, recogimos alambres esternales de acero inoxidable extraídos de pacientes con dehiscencia esternal tras operaciones a corazón abierto. Se inspeccionaron y analizaron las alteraciones superficiales y los extremos fracturados de los alambres esternales. Métodos: Se estudiaron mediante diversas técnicas ocho alambres fracturados y 12 no fracturados extraídos de cinco pacientes (método de cierre: figura de ocho o torsión recta; dos sin y tres con mediastinitis) con un intervalo medio de implantación de 13,2±4,2 días (rango 8-20 días). Los alambres extraídos se limpiaron y se eliminaron los tejidos fibróticos. Las irregularidades y los extremos fracturados se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido y análisis de rayos X por dispersión de energía (EDXA). Resultados: Todos los alambres fracturados examinados mostraban la presencia de graves grietas transversales y corrosión en hendiduras. El EDAX reveló la inclusión de óxido de aluminio en la superficie fracturada. Conclusiones: El efecto sinérgico de la tensión y la mala calidad del alambre podrían ser los precursores del fracaso del material del alambre esternal.

1 Introducción

Aunque la separación del esternón, o dehiscencia, es una complicación poco frecuente de la esternotomía media , da lugar a una tasa de mortalidad entre el 10 y el 40% . La inestabilidad del esternón, la infección de la herida, la osteomielitis y la dehiscencia están relacionadas. El factor más importante para prevenir la dehiscencia esternal y la mediastinitis es una aproximación esternal estable. El examen radiográfico del esternón después de la esternotomía muestra indicios de rotura del alambre de sutura, dehiscencia del esternón, mala colocación de la ligadura del alambre, corte del alambre de fijación por la fractura ósea, pseudoartrosis e inflamación.

La fuerza aplicada en el alambre esternal después del cierre de la herida estaba muy por debajo de la resistencia a la tracción final (UTS) del alambre, según estudiaron Losanoff et al. en su modelo biomecánico porcino. A pesar de este hallazgo, el alambre esternal seguía fracturándose después de un procedimiento quirúrgico rutinario. Por lo tanto, el objetivo de nuestro estudio es analizar el riesgo potencial de fractura del alambre y garantizar una fijación segura y rígida del esternón mediante la mejora de las propiedades de los materiales del alambre esternal.

2 Materiales y métodos

El acero inoxidable 316L es el material de alambre de sutura más utilizado. El alambre de sutura de acero inoxidable 316L tiene una estructura austenítica con un bajo contenido de carbono (0,03% en peso), y es predominantemente hierro (60-65%) aleado con cromo (17-18%) y níquel (12-14%).

Los alambres extraídos se limpiaron con ultrasonidos en agua destilada durante 15 minutos y los tejidos fibróticos adhesivos se eliminaron suavemente con los dedos. Se estudiaron y documentaron mediante estereomicroscopía ocho alambres fracturados y 12 no fracturados extraídos de cinco pacientes (método de cierre: figura de ocho o torsión recta; dos sin y tres con mediastinitis) con un intervalo medio de implantación de 13,2±4,2 días (rango 8-20 días). Las irregularidades se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido. Los extremos de las roturas y las alteraciones superficiales llamativas se examinaron además mediante el análisis de rayos X de dispersión de energía (EDAX).

2.1 Análisis por microscopía electrónica de barrido

La morfología de la superficie de las muestras de alambre se examinó con microscopía electrónica de barrido (SEM, Hitachi modelo S-800, USA). Se tomaron micrografías representativas en un segundo modo de imagen electrónica. Para evitar el problema de la carga y mejorar la resolución, las muestras se recubrieron con una fina capa de oro utilizando un recubrimiento por pulverización catódica Polaron G-5000.

3 Resultados

El examen de rayos X del esternón después de la esternotomía demostró la evidencia de rotura del alambre de sutura, dehiscencia del esternón, mala posición de la ligadura del alambre, corte del alambre de fijación por el hueso, fractura, pseudoartrosis e inflamación (Fig. 1).

Todos los alambres recuperados examinados presentaban grietas transversales graves (Fig. 2 , Tabla 1). Estas grietas son perpendiculares a la dirección de trefilado del alambre.

Fig. 3 muestra el extremo de fractura de un alambre recuperado, con una superficie de fractura plana anormal y enormes inclusiones. La fractura plana es una indicación de la baja ductilidad del alambre de sutura.

Se encontraron inclusiones de óxido de aluminio en la superficie de los alambres recuperados (Fig. 4); se encontró una grieta junto con las inclusiones. El pico de oro revelado por el espectro EDAX resultó del recubrimiento por sputtering.

Se encontraron partículas de óxido en el alambre de sutura de acero inoxidable, después de la esterilización, como se muestra en la Fig. 5 , en una condición de recepción de los proveedores de alambre para esternón. Estas partículas de óxido podrían ser las precursoras de la corrosión por hendidura tras la implantación del alambre para esternón. También se encontraron partículas de óxido en las grietas transversales y en las zonas defectuosas de la superficie (Fig. 6).

La Fig. 7 muestra la presencia de corrosión en las cavidades superficiales de los alambres de sutura recuperados. Las zonas oscuras que rodean las cavidades superficiales de los alambres recuperados son una indicación de la corrosión por hendiduras.

4 Discusión

En nuestra institución, la figura de ocho combinada con una o dos suturas de interrupción simple es nuestro método rutinario de cierre de la esternotomía. La incidencia del 0,8% de complicaciones esternales importantes fue comunicada como media en la literatura por la mayoría de los centros.

Cinco de 1170 pacientes fueron identificados como complicaciones por fractura de alambre mediante radiografía de tórax tras operaciones a corazón abierto en nuestra única institución durante un estudio de 2 años. La incidencia de fractura de alambre con dehiscencia del esternón que requiere desbridamiento y refijación adicionales es de aproximadamente el 0,4% en nuestra población de pacientes.

Se ha informado de que la dehiscencia del esternón podría producirse bajo cargas fisiológicas, por ejemplo, tos y respiración cíclica. Casha et al. informaron de una fuerza/resistencia de 150 kg (552 ksi) cargada sobre el cierre de una esternotomía, con tos máxima. Aunque la fuerza (kg) es el parámetro común utilizado en la investigación médica, también es correcto utilizar la resistencia (psi o ksi) inducida por la carga aplicada (fuerza/unidad de área de la sección transversal). Para respetar todos los trabajos publicados en diversas revistas, en este documento se adoptan las unidades de fuerza y resistencia para dar cabida a los lectores de todos los campos. Dado que los cirujanos suelen utilizar seis alambres para cerrar una esternotomía media, cada alambre tendría que soportar 25 kg (92 ksi). Por lo tanto, se necesitaría un mínimo de tres torsiones del alambre de 0,7 mm o dos torsiones del alambre de 0,9 mm para soportar una tos fuerte. Normalmente, el alambre de acero para esternón se rompe a una fuerza máxima de 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) en un tórax cerrado con una técnica de alambre retorcido en forma de ocho y a 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) para dos alambres retorcidos rectos. Los cirujanos suelen utilizar entre 5 y 7 torsiones del alambre en un cierre de esternotomía y, según estos estudios, esto parece suficiente para obtener la máxima resistencia y evitar una posible dehiscencia del esternón.

En circunstancias normales, la resistencia inducida por la carga o la fuerza aplicada en el alambre del esternón tras el cierre está muy por debajo del UTS del alambre, como estudiaron Losanoff et al. en su modelo biomecánico porcino. Sin embargo, la fractura del alambre esternal podría seguir produciéndose después de un procedimiento quirúrgico rutinario.

Para un alambre con un estado superficial perfecto, no se produciría ninguna fractura del alambre durante el cierre de la esternotomía. Sin embargo, la resistencia inducida o derivada podría haber superado el UTS del alambre de sutura cuando se encontraron defectos superficiales graves, como las grietas transversales y las inclusiones, en los alambres esternales recuperados. La grieta transversal y la inclusión podrían servir como zona de concentración de tensiones y provocar la rotura del alambre, ya que la fractura plana del alambre de sutura recuperado sugiere una falta de ductilidad.

Un proceso de fabricación imperfecto y un proceso de esterilización inadecuado podrían debilitar o destruir la estructura interna o externa del alambre de sutura. Las grietas transversales han sido ampliamente documentadas; este defecto se debe a la insuficiente lubricación y refrigeración durante el proceso de trefilado del alambre . El calor generado por la fuerza de fricción en el interior de una matriz de trefilado, y el enfriamiento por el lubricante posterior tras la salida del alambre de la matriz de trefilado, podrían generar una estructura de martensita en la superficie del alambre . El alambre es susceptible de fracturarse bajo presión o fuerza debido a la enorme diferencia de dureza entre la martensita superficial y la estructura interna de austensita, así como al factor de concentración de tensiones.

Una discontinuidad heterogénea en la superficie del alambre, como inclusiones o una grieta, podría dar lugar a una distribución no uniforme de las tensiones en las proximidades de la discontinuidad . La concentración de tensiones se produce en la discontinuidad y podría alcanzar un valor superior a la tensión media a una distancia alejada de los defectos o a la tensión media libre de cualquier defecto.

Dependiendo de los tipos de defectos en la superficie del alambre, por ejemplo, inclusiones (Fig. 4) y grietas transversales (Fig. 2), las formas de los defectos pueden ser circulares o elípticas.

La tensión máxima en los extremos de las inclusiones o grietas transversales puede expresarse como:

donde a y b son la semidimensión de la inclusión o grieta en cada dirección, y σ es la tensión normal alejada de los defectos o libre de defectos.

La tensión aumenta con la relación a/b. La relación media de a/b basada en las grietas transversales es de 28,6, y de 4,8 para las inclusiones.

La resistencia media a la tracción de un alambre esternal de 0,7 mm completamente recocido es de 132 ksi (36 kg) . Se supone que la fuerza aplicada durante el cierre es el 60% de la resistencia a la tracción del alambre, es decir, 80 ksi (21,6 kg). Así pues, σmax puede alcanzar hasta 4678 ksi (1257 kg) en las proximidades de una zona de grieta transversal para un solo alambre esterno de 0,7 mm y hasta 845 ksi (229 kg) en las proximidades para una inclusión. Estos valores σmax están muy por encima del UTS del alambre Sterno. Por esta razón, una grieta muy estrecha, como una grieta transversal o una inclusión no metálica normal a la dirección de estirado y a la dirección de tracción, daría lugar a una concentración de esfuerzos muy elevada y dañaría el alambre esterno después del cierre con una superficie de fractura plana.

Los defectos, como la grieta transversal y la inclusión, no sólo pueden crear un riesgo potencial de fractura del alambre después del cierre, sino que también contribuyen significativamente a varios fallos del implante, como el agrietamiento por corrosión bajo tensión, el desgaste por corrosión y la corrosión por rozamiento o la fatiga por corrosión, debido al efecto sinérgico de los parámetros químicos y mecánicos.

Además, una alta concentración de iones de cloruro en el fluido fisiológico hace que el cuerpo humano sea un entorno hostil para el alambre de sutura. Aunque los problemas como la corrosión electroquímica, el ataque químico a la sutura y la inflamación producida como reacción a la sutura se han minimizado con la aplicación de alambres de acero inoxidable, todavía se producen complicaciones y fallos en los alambres.

El entorno favorable a la corrosión debido a la alta concentración de iones de cloruro en el fluido fisiológico y la fuerza mecánica aplicada al alambre esternal durante el cierre podría provocar el agrietamiento por corrosión bajo tensión y, en última instancia, causar graves daños al alambre.

Para un paciente con mediastinitis, las bacterias adheridas podrían crear una reacción electroquímica con un flujo de corriente de iones metálicos y acelerar drásticamente el proceso corrosivo . Además, la presencia de grietas a lo largo de las inclusiones de óxido de aluminio y las cavidades en la superficie del alambre podría servir como precursor de la corrosión. La corrosión por hendiduras no sólo se produce en las zonas de inclusión y las cavidades, sino también en las zonas de agrupación de óxido de la superficie pesada. La acumulación localizada de oxígeno podría producirse, debido a los fibroblastos adheridos, los glóbulos blancos o los osteoclastos activados, después de que el alambre de sutura se implante en el cuerpo humano. La diferencia de concentración de oxígeno en la superficie del alambre y en el interior de la hendidura puede crear una célula de concentración y generar una célula de corrosión galvánica.

Además del riesgo de pérdida mecánica de la integridad, los productos de degradación, como los iones metálicos durante el proceso de corrosión, son una verdadera preocupación debido a sus posibles efectos biológicos adversos, a saber, alergia, citotoxicidad y carcinogenicidad. Los productos de degradación son bien conocidos por sus efectos proinflamatorios y pueden contribuir sutilmente a las reacciones inflamatorias comúnmente asociadas con el dolor persistente de las heridas y la formación de cicatrices. La liberación de iones de níquel, cromo y molibdeno puede desencadenar reacciones inflamatorias crónicas a través de un mecanismo inmunológico, que a su vez potenciaría la actividad de los fibroblastos y la formación de cicatrices.

Los estudios histológicos también han demostrado que los elementos constitutivos de las aleaciones implantadas podían detectarse en los tejidos locales y la reacción tisular alrededor de una aleación estaba relacionada con la concentración de iones metálicos liberados en los tejidos . Los tejidos locales en el lugar de un alambre fijado están expuestos continuamente a concentraciones gradualmente acumuladas de los iones metálicos que componen la aleación . En particular, se ha informado de que los iones de níquel inducen la inflamación de los tejidos blandos en concentraciones subtóxicas a través de la activación directa de los monocitos y la estimulación indirecta de citoquinas de las células endoteliales. Estas condiciones inflamatorias pueden acelerar la corrosión de los dispositivos, lo que aumenta aún más la liberación de estas sustancias proinflamatorias.

5 Conclusiones

Para prevenir la aparición de fallos en el alambre esternal después del cierre, es obligatorio mejorar la calidad del mismo. La corrosión electroquímica inducida por las células, la destrucción celular activa de las superficies y el método de esterilización son mecanismos bien conocidos que deben investigarse por su posible papel en el fallo del material del alambre esternal.

Este trabajo fue apoyado por subvenciones del Consejo Nacional de Ciencias, Taiwán NSC-90-2314-B-075-062 y NSC-91-2314-B-075-062; Taipei Veterans General Hospital, Taiwán VGH-90-109, VGH-91-300, VGH-91-275.

,

,

,

,

,

,

,

.

,

,

, vol.

(pg.

–

)

.