Abstract
Obiectiv: Pentru a înțelege mecanismul potențial de fractură al sârmelor sternale, am colectat sârme sternale din oțel inoxidabil extrase de la pacienți cu dehiscență sternală în urma operațiilor pe cord deschis. Modificările de suprafață și capetele fracturate ale sârmelor sternale au fost inspectate și analizate. Metode: Opt sârme fracturate și 12 sârme nefracturate extrase de la cinci pacienți (metoda de închidere: figura de opt sau răsucită dreaptă; doi fără și trei cu mediastinită) cu un interval mediu de implantare de 13,2±4,2 zile (interval 8-20 de zile) au fost studiate prin diferite tehnici. Firele extrase au fost curățate și țesuturile fibrotice au fost îndepărtate. Neregularitățile și capetele fracturate au fost analizate prin microscopie electronică de scanare și analiză cu raze X cu dispersie de energie (EDXA). Rezultate: Toate firele fracturate examinate au arătat prezența unor fisuri transversale severe și a coroziunii în crăpături. EDAX a relevat incluziuni de oxid de aluminiu pe suprafața fracturată. Concluzii: Efectul sinergic al stresului și calitatea slabă a sârmei ar putea fi precursorii eșecului materialului pentru sârma sternală.
1 Introducere
Deși separarea sternală, sau dehiscența este o complicație rară a sternotomiei mediane , aceasta duce la o rată de mortalitate între 10 și 40% . Instabilitatea sternală, infecția plăgii, osteomielita și dehiscența sunt legate între ele . Cel mai important factor de prevenire a dehiscenței sternale și a mediastinitei este o aproximare sternală stabilă .
Dehiscența apare adesea în primele 2 săptămâni postoperatorii înainte de o vindecare osoasă semnificativă . Examinarea cu raze X a sternului după sternotomie evidențiază semne de ruptură a firului de sutură, dehiscență a sternului, poziționarea greșită a ligaturii firului, tăierea firului de fixare de către fractura osoasă, pseudoartroză și inflamație.
Rezistența aplicată pe firul sternal după închiderea plăgii a fost cu mult sub rezistența ultimă la tracțiune (UTS) a firului, așa cum a fost studiată de Losanoff și colab. în modelul lor biomecanic porcin. În ciuda acestei constatări, sârma sternală s-a fracturat în continuare după o procedură chirurgicală de rutină. Prin urmare, scopul studiului nostru este de a analiza riscul potențial de fractură a sârmei și de a asigura o fixare sigură și rigidă a sternului prin îmbunătățirea proprietăților materialelor pentru sârma sternală.
2 Materiale și metode
Oțelul inoxidabil 316L este cel mai frecvent utilizat material pentru sârma de sutură. Sârma de sutură din oțel inoxidabil 316L are o structură austentică cu un conținut scăzut de carbon (0,03% în greutate) și este predominant fier (60-65%) aliat cu crom (17-18%) și nichel (12-14%).
Sârmele extrase au fost curățate cu ultrasunete în apă distilată timp de 15 min și țesuturile fibrotice adezive au fost îndepărtate ușor cu degetele. Au fost studiate și documentate prin stereomicroscopie opt sârme fracturate și 12 sârme nefracturate extrase de la cinci pacienți (metoda de închidere: figura de opt sau răsucite drepte; doi fără și trei cu mediastinită) cu un interval mediu de implantare de 13,2±4,2 zile (interval 8-20 de zile). Neregularitățile au fost analizate prin microscopie electronică de scanare. Capetele de rupere și alterările suprafeței de lovire au fost examinate în continuare cu ajutorul analizei cu raze X cu dispersie de energie (EDAX).
2.1 Analiza prin microscopie electronică de baleiaj
Morfologia suprafeței probelor de sârmă a fost examinată cu microscopie electronică de baleiaj (SEM, Hitachi model S-800, SUA). Micrografiile reprezentative au fost realizate într-un al doilea mod de imagistică electronică. Pentru a preveni problema de încărcare și pentru a îmbunătăți rezoluția, probele au fost pulverizate cu un strat subțire de aur cu ajutorul unui pulverizator Polaron G-5000.
3 Rezultate
Examinarea cu raze X a sternului după sternotomie a dovedit evidența ruperii firului de sutură, dehiscența sternului, poziționarea greșită a ligaturii firului, tăierea firului de fixare de către os, fractură, pseudoartroză și inflamație (Fig. 1).
Dehiscență sternală cu firul de sternare fracturat (cap de săgeată).
Dehiscență sternală cu firul fracturat (cap de săgeată).
Toate firele recuperate examinate prezentau fisuri transversale severe (Fig. 2 , Tabelul 1). Aceste fisuri sunt perpendiculare pe direcția de tragere a sârmei.
Micrografiile SEM ale fisurilor transversale de pe sârma sternală din oțel inoxidabil 316L recuperată.
Micrografiile SEM ale fisurilor transversale de pe sârma sternală din oțel inoxidabil 316L recuperată.
Figură 1
Figură 1
Figură 1
Fig. 3 prezintă capătul de fractură al unei sârme recuperate, cu o suprafață de fractură plată anormală și incluziuni enorme. Fractura plană este un indiciu al ductilității scăzute a firului de sutură.
Incluziuni enorme găsite pe suprafața capătului fracturat. Zona încercuită și săgețile au indicat prezența incluziunilor.
Incluziuni severe găsite pe suprafața capătului fracturat. Zona încercuită și săgețile au indicat prezența incluziunilor.
Incluziuni de oxid de aluminiu au fost găsite pe suprafața firelor recuperate (Fig. 4); împreună cu incluziunile au fost găsite fisuri. Vârful de aur evidențiat de spectrul EDAX a rezultat din acoperirea prin pulverizare.
Incluziuni de oxid de aluminiu pe un fir sternal.
Incluziuni de alumină pe o sârmă sternală.
Părți severe de oxid au fost găsite pe sârma de sutură din oțel inoxidabil, după sterilizare, așa cum se arată în Fig. 5 , în starea în care a fost primită de la furnizorii de sârmă sternală. Aceste particule de oxid ar putea fi precursorii coroziunii în crăpătură după ce sârma sternală a fost implantată. Particule de oxid au fost găsite, de asemenea, pe fisurile transversale și pe zonele cu defecte de suprafață (Fig. 6).
Oxidare puternică pe sârma sternală după sterilizare.
Oxidare puternică pe sârma sternală după sterilizare.
Oxizi formați pe fisura transversală și pe zona defectă.
Oxizi formați pe fisura transversală și pe zona defectă.
Fig. 7 arată prezența coroziunii în crevase pe cavitățile de suprafață ale firelor de sutură recuperate. Zonele întunecate care înconjoară cavitățile de suprafață de pe firele recuperate sunt un indiciu al coroziunii în crevase.
Coroziunea în crevase care înconjoară cavitățile de suprafață.
Coroziunea de crăpătură care înconjoară cavitățile de suprafață.
4 Discuție
În instituția noastră, figura de opt combinată cu una sau două suturi simple de întrerupere este metoda noastră de închidere de rutină a sternotomiei. Incidența de 0,8% a complicațiilor sternale majore a fost raportată ca medie în literatura de specialitate de către majoritatea centrelor .
Cinci din 1170 de pacienți au fost identificați ca fiind complicații de fractură de sârmă prin radiografie toracică după operații pe cord deschis în instituția noastră unică în timpul unui studiu de 2 ani. Incidența fracturii de sârmă cu dehiscență sternală care necesită debridare și refixare suplimentară este de aproximativ 0,4% în populația noastră de pacienți.
A fost raportat că dehiscența sternală ar putea apărea sub sarcini fiziologice, de exemplu tuse și respirație ciclică. O forță/rezistență de 150 kg (552 ksi) încărcată pe o închidere de sternotomie, la tuse maximă, a fost raportată de Casha et al. Deși forța (kg) este parametrul comun utilizat în cercetarea medicală , este de asemenea corect să se utilizeze rezistența (psi sau ksi) indusă de sarcina aplicată (forță/unitate de suprafață a secțiunii transversale). Pentru a respecta toate lucrările publicate în diverse reviste, în această lucrare sunt adoptate unitățile de forță și de rezistență pentru a veni în întâmpinarea cititorilor din toate domeniile. Având în vedere că chirurgii folosesc în general șase fire pentru a închide o sternotomie mediană, fiecare fir ar trebui să susțină 25 kg (92 ksi). Prin urmare, ar fi nevoie de cel puțin trei răsuciri ale sârmei de 0,7 mm sau două răsuciri ale sârmei de 0,9 mm pentru a rezista la o tuse severă. În mod normal, sârma de oțel pentru stern se rupe la o rezistență maximă de 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) într-un torace închis cu o tehnică de sârmă răsucită în formă de opt și la 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) pentru două sârme răsucite drepte. Chirurgii folosesc în general 5-7 răsuciri ale sârmei într-o închidere de sternotomie și, pe baza acestor studii, acest lucru pare suficient pentru a obține rezistența maximă și a preveni o posibilă dehiscență sternală.
În condiții normale, rezistența indusă de sarcina sau forța aplicată pe sârma sternală după închidere este cu mult sub UTS a sârmei, așa cum a fost studiată de Losanoff et al. în modelul lor biomecanic porcin. Cu toate acestea, fractura sârmei sternale ar putea totuși să apară după o procedură chirurgicală de rutină.
Pentru o sârmă cu o stare perfectă a suprafeței, nu ar avea loc nicio fractură a sârmei în timpul închiderii sternotomiei. Cu toate acestea, rezistența indusă sau derivată ar fi putut depăși UTS a firului de sutură atunci când pe firele sternale recuperate au fost găsite defecte de suprafață severe, cum ar fi fisurile transversale și incluziunile. Fisura transversală și incluziunile ar putea servi ca o zonă de concentrare a tensiunilor și ar putea duce la ruperea firului, deoarece fractura plată a firului de sutură recuperat a sugerat o lipsă de ductilitate.
Un proces de fabricație imperfect și un proces de sterilizare necorespunzător ar putea slăbi sau distruge structura internă sau externă a firului de sutură . Fisurile transversale au fost documentate pe scară largă; acest defect se datorează lubrifierii și răcirii insuficiente în timpul procesului de tragere a sârmei . Căldura generată de forța de frecare din interiorul unei matrițe de tragere și răcirea prin lubrifiantul ulterior, după ce sârma părăsește matrița de tragere, ar putea genera o structură de martensită pe suprafața sârmei . Sârma este susceptibilă de a se rupe sub presiune sau rezistență din cauza diferenței uriașe de duritate dintre martensita de la suprafață și structura internă de austensită, precum și a factorului de concentrare a tensiunilor.
O discontinuitate eterogenă pe suprafața unei sârme, cum ar fi incluziuni sau o fisură, ar putea duce la o distribuție neuniformă a tensiunilor în vecinătatea discontinuității . Concentrarea tensiunilor are loc la nivelul discontinuității și ar putea atinge o valoare mai mare decât tensiunea medie la o distanță depărtată de defecte sau tensiunea medie care este liberă de orice defect.
În funcție de tipurile de defecte de pe suprafața sârmei, de exemplu incluziuni (Fig. 4) și fisuri transversale (Fig. 2), formele defectelor pot fi fie circulare, fie eliptice.
unde a și b sunt semidimensiunile incluziunilor sau fisurilor în fiecare direcție, iar σ este tensiunea normală departe de defecte sau liberă de defecte.
Solicitarea crește cu raportul a/b. Raportul mediu a/b bazat pe fisurile transversale este de 28,6, iar pentru incluziuni de 4,8.
Rezistența medie la tracțiune a unui fir de stern de 0,7 mm complet recopt este de 132 ksi (36 kg) . Se presupune că rezistența aplicată în timpul închiderii este de 60% din rezistența la tracțiune a sârmei, sau 80 ksi (21,6 kg). Astfel, σmax poate ajunge până la 4678 ksi (1257 kg) în apropierea unei zone de fisură transversală pentru o singură sârmă de stern de 0,7 mm și până la 845 ksi (229 kg) în apropiere pentru o incluziune. Aceste valori σmax sunt cu mult peste UTS a sârmei sterno. Din acest motiv, o fisură foarte îngustă, cum ar fi o fisură transversală sau o incluziune nemetalică normală la direcția de tragere și la direcția de tracțiune, ar avea ca rezultat o concentrare foarte mare de tensiuni și ar deteriora sârma sterno după închidere cu o suprafață de fractură plană.
Nu numai că defectele, cum ar fi fisura transversală și incluziunea, pot crea un risc potențial de fractură a sârmei după închidere, dar contribuie, de asemenea, în mod semnificativ la diverse defecțiuni ale implantului, cum ar fi fisurarea prin coroziune sub tensiune, uzura corozivă și coroziunea de frecare sau oboseala prin coroziune, datorită efectului sinergic al parametrilor chimici și mecanici.
În plus, o concentrație ridicată de ioni clorură în lichidul fiziologic face ca organismul uman să fie un mediu ostil pentru sârma de sutură. Deși probleme precum coroziunea electrochimică, atacul chimic asupra suturii și inflamația produsă ca reacție la sutură au fost reduse la minimum prin aplicarea firelor din oțel inoxidabil, complicațiile și eșecurile firelor continuă să apară.
Mediul favorabil de coroziune datorat concentrației ridicate de ioni clorură din lichidul fiziologic și forța mecanică aplicată sârmei sternale în timpul închiderii ar putea duce la fisurarea prin coroziune sub tensiune și, în cele din urmă, să provoace deteriorarea gravă a sârmei .
Pentru un pacient cu mediastinită, bacteriile aderente ar putea crea o reacție electrochimică cu un flux de curent de ioni metalici și să accelereze dramatic procesul coroziv . De asemenea, prezența crăpăturilor de-a lungul incluziunilor de oxid de aluminiu și a cavităților de pe suprafața sârmei ar putea servi drept precursor pentru coroziune. Coroziunea prin crevase nu se produce numai în zonele de incluziuni și cavități, ci și în zonele de aglomerare a oxizilor de suprafață grea. Acumularea localizată de oxigen ar putea apărea, datorită fibroblastelor aderente, celulelor albe din sânge sau osteoclastelor activate, după ce firul de sutură este implantat în corpul uman. Diferența de concentrație a oxigenului pe suprafața sârmei și în interiorul crăpăturii poate crea o celulă de concentrare și poate genera o celulă de coroziune galvanică .
În plus față de riscul de pierdere mecanică a integrității, produsele de degradare, cum ar fi ionii metalici în timpul procesului de coroziune, reprezintă o preocupare reală din cauza potențialelor lor efecte biologice adverse, și anume alergie, citotoxicitate și carcinogenitate. Produsele de degradare sunt bine cunoscute pentru efectele lor proinflamatorii și pot contribui subtil la reacțiile inflamatorii asociate în mod obișnuit cu durerea persistentă a rănilor și formarea cicatricilor. Eliberarea ionilor de nichel, crom și molibden poate declanșa reacții inflamatorii cronice printr-un mecanism imunologic, care, la rândul său, ar potența activitatea fibroblastelor și formarea cicatricilor .
Studiile histologice au arătat, de asemenea, că elementele constitutive ale aliajelor implantate pot fi detectate în țesuturile locale și că reacția țesuturilor din jurul unui aliaj a fost legată de concentrația de ioni metalici eliberați în țesuturi . Țesuturile locale de la locul de amplasare a unui fir fixat sunt expuse continuu la concentrații acumulate treptat ale ionilor metalici care compun aliajul . S-a raportat in vitro că ionii de nichel, în special, induc inflamația țesuturilor moi la concentrații subtoxice prin activarea directă a monocitelor și stimularea indirectă a celulelor endoteliale prin citokine. Aceste condiții inflamatorii pot accelera coroziunea dispozitivelor, ceea ce crește și mai mult eliberarea acestor substanțe proinflamatorii.
5 Concluzii
Pentru a preveni apariția eșecului firelor sternale după închidere, îmbunătățirea calității firelor sternale este obligatorie. Coroziunea electrochimică indusă de celule, distrugerea celulară activă a suprafețelor și metoda de sterilizare sunt mecanisme bine-cunoscute care trebuie investigate pentru posibilele lor roluri în eșecul material al sârmei sternale.
Această lucrare a fost susținută de granturi de la Consiliul Național de Știință, Taiwan NSC-90-2314-B-075-062 și NSC-91-2314-B-075-062; Taipei Veterans General Hospital, Taiwan VGH-90-109, VGH-91-300, VGH-91-275.
,
.
,
,
, vol. I, nr. 1, București.
(pg.
–
)
,
,
,
.
,
,
, vol. I, nr. 1, București, 1995.
(pg.
–
)
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
Jr.
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
,
,
.
,
,
, vol. 1, Ed.
(pg.
–
)
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
,
.
,
,
, vol. I, nr. 1, București.
(pg.
–
)
,
,
,
,
.
,
,
, vol. I, nr. 1, București, Ed.
(pg.
–
)
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol. I, nr. 1.
(pg.
–
)
.
,
Ed. a 3-a.
.
,
,
, vol.
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
,
,
.
,
,
,
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol. I, nr. 1, București.
(pg.
–
)
.
,
,
,
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol. I, nr. 1.
(pg.
–
)
,
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
,
,
.
,
,
, vol.
(pag.
–
)
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
.