Abstract
Syfte: För att förstå den potentiella frakturmekanismen hos sternaltrådar samlade vi in extraherade sternaltrådar av rostfritt stål från patienter med sternal dehiscens efter öppna hjärtoperationer. Ytförändringar och frakturerade ändar på sternala trådar inspekterades och analyserades. Metoder: Åtta frakturerade och 12 icke-frakturerade trådar som extraherats från fem patienter (stängningsmetod: åttafigurig eller rak tvinnad; två utan och tre med mediastinit) med ett genomsnittligt implantationsintervall på 13,2±4,2 dagar (intervall 8-20 dagar) undersöktes med hjälp av olika tekniker. De extraherade trådarna rengjordes och den fibrotiska vävnaden avlägsnades. Oregelbundenheter och frakturerade ändar undersöktes med hjälp av svepelektronmikroskopi och energidispersiv röntgenanalys (EDXA). Resultat: Alla undersökta frakturerade trådar visade förekomst av allvarliga tvärgående sprickor och sprickkorrosion. EDAX visade att det fanns aluminiumoxid på den brutna ytan. Slutsatser: Den synergiska effekten av stress och dålig trådkvalitet kan vara prekursorer till materialfel för sternaltråden.
1 Introduktion
Och även om sternal separation eller dehiscens är en sällsynt komplikation vid median sternotomi, resulterar den i en dödlighet på mellan 10 och 40 %. Sternal instabilitet, sårinfektion, osteomyelit och dehiscens är relaterade . Den viktigaste faktorn för att förhindra sternal dehiscens och mediastinit är en stabil sternal approximation .
Dehiscens inträffar ofta under de första 2 veckorna postoperativt före betydande benläkning . Röntgenundersökning av sternum efter sternotomi visar tecken på en trasig suturtråd, dehiskens i sternum, felplacering av trådligaturen, genomskärning av fixeringstråden av benbrottet, pseudoartros och inflammation.
Den styrka som applicerades på sternaltråden efter sårförslutning låg långt under den ultimata draghållfastheten (UTS) för tråden som studerades av Losanoff et al. i deras biomekaniska grismodell. Trots detta konstaterande bröts sternaltråden fortfarande efter ett rutinmässigt kirurgiskt ingrepp. Syftet med vår studie är därför att analysera den potentiella risken för trådfraktur och att säkerställa en säker och rigid fixering av sternum genom att förbättra egenskaperna hos sternala trådmaterial.
2 Material och metoder
316L rostfritt stål är det vanligaste suturtrådsmaterialet. Suturtråd av rostfritt stål 316L har austentisk struktur med låg kolhalt (0,03 viktprocent) och är huvudsakligen järn (60-65 %) legerat med krom (17-18 %) och nickel (12-14 %).
De extraherade trådarna rengjordes ultraljudsmässigt i destillerat vatten i 15 minuter och de vidhäftande fibrotiska vävnaderna avlägsnades försiktigt med fingrarna. Åtta frakturerade och 12 icke frakturerade trådar som extraherats från fem patienter (stängningsmetod: åttafigurig eller rak tvinnad; två utan och tre med mediastinit) med ett genomsnittligt implantationsintervall på 13,2±4,2 dagar (intervall 8-20 dagar) studerades och dokumenterades med stereomikroskopi. Oregelbundenheterna undersöktes med hjälp av svepelektronmikroskopi. Brytändar och slående ytförändringar undersöktes vidare med hjälp av energidispersiv röntgenanalys (EDAX).
2.1 Analys med svepelektronmikroskopi
Trådprovernas ytmorfologi undersöktes med svepelektronmikroskopi (SEM, Hitachi modell S-800, USA). Representativa mikrobilder togs i ett andra elektronavbildningsläge. För att förhindra laddningsproblem och öka upplösningen sprutades proverna med ett tunt lager guld med hjälp av en Polaron G-5000 sputtercoater.
3 Resultat
Röntgenundersökning av bröstbenet efter sternotomi visade att det fanns bevis för att suturtråden hade brutits, att bröstbenet hade dehiscerat, att tråden var felplacerad, att fixeringstråden hade skurits igenom av benet, att det hade uppstått en fraktur, pseudoartros och en inflammation (fig. 1).
Sternal dehiscens med frakturerad tråd (pilspets).
Sternal dehiscence with fractured wire (arrowhead).
Alla undersökta trådar uppvisade allvarliga tvärgående sprickor (fig. 2 , tabell 1). Dessa sprickor är vinkelräta mot trådens dragriktning.
SEM-mikrografer av tvärgående sprickor på den återfunna sternala tråden av rostfritt stål 316L.
SEM-mikrografer av tvärgående sprickor på den återfunna sternala tråden av rostfritt stål 316L.
Frakturerade trådar med sternal dehiscens
Frakturerade trådar med sternal dehiscens
Fig. 3 visar frakturändan på en hämtad tråd, med onormal platt frakturyta och enorma inneslutningar. Platt fraktur är en indikation på låg duktilitet hos suturtråden.
Ettoriska inneslutningar som hittats på den frakturerade ändytan. Det inringade området och pilarna indikerar förekomsten av inneslutningar.
Svåra inneslutningar som hittats på den brutna ändytan. Det inringade området och pilarna indikerar förekomsten av inneslutningar.
Inneslutningar av aluminiumoxid påträffades på ytan av de återfunna trådarna (fig. 4); spricka påträffades tillsammans med inneslutningarna. Den guldtopp som framkom i EDAX-spektrumet var ett resultat av sputtringsbeläggningen.
Aluminiumoxidinklusioner på en sterntråd.
Aluminainlutningar på en sternaltråd.
Svåra oxidpartiklar hittades på suturtråden av rostfritt stål, efter sterilisering som visas i fig. 5 , i ett skick som den mottagits från leverantörerna av sternaltrådar. Dessa oxidpartiklar kan vara föregångare till sprickkorrosionen efter det att sternaltråden implanterats. Oxidpartiklar hittades också på tvärgående sprickor och områden med ytdefekter (fig. 6).
Tung oxidation på sternaltråd efter sterilisering.
Svår oxidation på sternaltråd efter sterilisering.
Oxider som bildats på den tvärgående sprickan och det defekta området.
Oxider som bildats på den tvärgående sprickan och det defekta området.
Fig. 7 visar förekomsten av sprickkorrosion på ytans kaviteter på de återvunna suturtrådarna. De mörka områdena som omger ytans håligheter på de återfunna trådarna är en indikation på sprickkorrosion.
Sprickkorrosion som omger ytans håligheter.
Kristallkorrosion som omger ytans kaviteter.
4 Diskussion
I vår institution är åttondelsfigur i kombination med en eller två enkla avbrottssuturer vår rutinmässiga stängningsmetod för sternotomi. Incidensen 0,8 % av större sternala komplikationer rapporterades som ett genomsnitt i litteraturen av de flesta centra .
Fem av 1170 patienter identifierades som trådfrakturkomplikationer genom röntgen av bröstkorgen efter öppna hjärtoperationer i vår enda institution under en tvåårig studie. Incidensen av trådfraktur med sternal dehiscens som kräver ytterligare debridering och refixering är cirka 0,4 % i vår patientpopulation.
Det har rapporterats att sternal dehiscens kan inträffa under fysiologiska belastningar, t.ex. hosta och cyklisk andning. En kraft/styrka på 150 kg (552 ksi) som belastades på en sternotomiförslutning, vid maximal hosta, rapporterades av Casha et al. Även om kraft (kg) är den vanligaste parametern som används inom medicinsk forskning är det också korrekt att använda styrka (psi eller ksi) som induceras av den applicerade belastningen (kraft/enhet av tvärsnittsarea). För att visa respekt för alla publicerade artiklar i olika tidskrifter används enheterna kraft och hållfasthet i detta dokument för att underlätta för läsare inom alla områden. Med tanke på att kirurger i allmänhet använder sex trådar för att stänga en medial sternotomi krävs det att varje tråd klarar 25 kg (92 ksi). Det skulle därför krävas minst tre vridningar av en 0,7 mm vajer eller två vridningar av en 0,9 mm vajer för att motstå en allvarlig hosta. Normalt bryter sternal ståltråd vid maximal styrka på 345±4,8 ksi (92,8±1,3 kg) i en bröstkorg som är stängd med en åtta-tals tvinnad trådteknik och vid 365±17,9 ksi (98,0±4,8 kg) för två raka tvinnade trådar. Kirurger använder i allmänhet 5-7 vridningar av vajern vid sternotomiförslutning och baserat på dessa studier verkar detta vara tillräckligt för att uppnå maximal styrka och förhindra eventuell sternal dehiskens.
Under normala omständigheter är den styrka som induceras av den belastning eller kraft som appliceras på sternala vajern efter förslutning långt under vajerns UTS som studerades av Losanoff et al. i deras biomekaniska grismodell. Frakturer på sternaltråden kan dock fortfarande förekomma efter ett rutinmässigt kirurgiskt ingrepp.
För en tråd med perfekt ytskick skulle inga frakturer på trådarna förekomma under sternotomiförslutningen. Den inducerade eller härledda styrkan kan dock ha överskridit suturtrådens UTS när allvarliga ytdefekter såsom tvärgående sprickor och inneslutningar påträffades på de återvunna sternala trådarna. Den tvärgående sprickan och inneslutningen kan fungera som ett spänningskoncentrerat område och leda till att tråden går sönder, eftersom platta frakturer på den återvunna suturtråden tyder på bristande duktilitet.
En ofullständig tillverkningsprocess och en felaktig steriliseringsprocess kan försvaga eller förstöra suturtrådens inre eller yttre struktur. Tvärgående sprickor har dokumenterats i stor utsträckning; denna defekt beror på otillräcklig smörjning och kylning under tråddragningsprocessen . Den värme som alstras av friktionskraften i ett dragverktyg och kylningen genom det efterföljande smörjmedlet efter det att tråden lämnat dragverktyget kan skapa en martensitstruktur på trådens yta. Tråd är känslig för brott under tryck eller styrka på grund av den enorma skillnaden i hårdhet mellan ytmartensit och den inre austensitstrukturen, samt på grund av spänningskoncentrationsfaktorn.
En heterogen diskontinuitet på en trådyta, t.ex. inneslutningar eller en spricka, skulle kunna resultera i en ojämn fördelning av spänningen i diskontinuitetens närhet. Spänningskoncentrationen uppstår vid diskontinuiteten och kan nå ett värde som är högre än medelspänningen på ett avstånd från defekterna eller medelspänningen som är fri från alla defekter.
Avhängigt av defekttyperna på trådytan, t.ex. inneslutningar (bild 4) och tvärgående sprickor (bild 2), kan defekternas form vara antingen cirkulär eller elliptisk.
där a och b är den halva dimensionen av inneslutningen eller sprickan i vardera riktningen, och σ är normalspänningen långt borta från defekterna eller fri från defekter.
Spänningen ökar med förhållandet a/b. Det genomsnittliga förhållandet a/b baserat på tvärgående sprickor är 28,6 och 4,8 för inneslutningar.
Den genomsnittliga draghållfastheten för en helglödgad 0,7 mm sterntråd är 132 ksi (36 kg) . Den applicerade styrkan under stängningen antas vara 60 % av trådens draghållfasthet eller 80 ksi (21,6 kg). σmax kan således nå så högt som 4678 ksi (1257 kg) i närheten av ett tvärgående sprickområde för en enskild 0,7 mm sterntråd och så högt som 845 ksi (229 kg) i närheten för en inklusion. Dessa σmax-värden ligger långt över sternotrådens UTS-värde. Därför skulle en mycket smal spricka, t.ex. en tvärgående spricka eller en icke-metallisk inneslutning som är normal till dragriktningen och dragriktningen, resultera i en mycket hög spänningskoncentration och skada sternotråden efter stängning med en platt brottyta.
Det är inte bara defekter, såsom tvärsprickor och inneslutningar, som kan skapa en potentiell risk för trådbrott efter stängning, utan de kan också i hög grad bidra till olika implantatfel, såsom spänningskorrosionssprickor, korrosivt slitage och frettingkorrosion eller korrosionströtthet, på grund av den synergistiska effekten från kemiska och mekaniska parametrar.
Den höga koncentrationen av kloridjoner i den fysiologiska vätskan gör dessutom människokroppen till en fientlig miljö för suturtråd. Även om problem som elektrokemisk korrosion, kemisk angrepp på suturen och inflammation som uppstår som reaktion på suturen har minimerats genom användning av trådar av rostfritt stål, förekommer fortfarande komplikationer och fel på trådarna.
Den gynnsamma korrosionsmiljön på grund av den höga koncentrationen av kloridjoner i den fysiologiska vätskan och den mekaniska styrka som appliceras på sternaltråden under stängning kan leda till spänningskorrosionssprickor och i slutändan orsaka allvarlig skada på tråden .
För en patient med mediastinit kan vidhängande bakterier skapa en elektrokemisk reaktion med ett strömflöde av metallijoner och dramatiskt påskynda den korrosiva processen . Även närvaron av sprickor längs aluminiumoxidinklusionerna och hålrummen på trådytan skulle kunna fungera som prekursor för korrosionen. Sprickkorrosion sker inte bara på inklusionsområdena och hålrummen utan även på de tunga ytorna med oxidkluster på ytan. Lokaliserad syreackumulering kan uppstå på grund av vidhäftande fibroblaster, vita blodkroppar eller aktiverade osteoklaster efter det att suturtråden har implanterats i människokroppen. Skillnaden i syrekoncentration på trådytan och i sprickan kan skapa en koncentrationscell och generera en galvanisk korrosionscell .
Förutom risken för mekanisk integritetsförlust är nedbrytningsprodukter som metalljoner under korrosionsprocessen ett verkligt bekymmer på grund av deras potentiella negativa biologiska effekter, nämligen allergi, cytotoxicitet och karcinogenicitet. Nedbrytningsprodukter är välkända för sina proinflammatoriska effekter och kan vara subtila bidragande orsaker till de inflammatoriska reaktioner som vanligen förknippas med ihållande sårsmärta och ärrbildning. Frisättning av nickel-, krom- och molybdenjoner kan utlösa kroniska inflammatoriska reaktioner genom en immunologisk mekanism, vilket i sin tur skulle förstärka fibroblasternas aktivitet och ärrbildning .
Histologiska studier har också visat att beståndsdelarna i implanterade legeringar kunde upptäckas i de lokala vävnaderna och att vävnadsreaktionen runt en legering var relaterad till koncentrationen av metalljoner som släpptes ut i vävnaderna. Lokala vävnader på platsen för en fixerad tråd utsätts kontinuerligt för gradvis ackumulerade koncentrationer av de metalljoner som ingår i legeringen . Särskilt nickeljoner har in vitro rapporterats inducera inflammation i mjukvävnad vid subtoxiska koncentrationer genom direkt aktivering av monocyter och cytokinindirekt stimulering av endotelceller . Dessa inflammatoriska förhållanden kan påskynda korrosionen av anordningarna, vilket ytterligare ökar frisättningen av dessa proinflammatoriska ämnen.
5 Slutsatser
För att förhindra att sternaltrådarna går sönder efter stängning är det obligatoriskt att förbättra kvaliteten på sternaltrådarna. Cellinducerad elektrokemisk korrosion, aktiv celldestruktion av ytor och steriliseringsmetod är välkända mekanismer som måste undersökas för deras möjliga roll vid materialfel på sternaltrådar.
Detta arbete stöddes av bidrag från National Science Council, Taiwan NSC-90-2314-B-075-062 och NSC-91-2314-B-075-062; Taipei Veterans General Hospital, Taiwan VGH-90-109, VGH-91-300, VGH-91-275.
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
Jr.
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
.
,
3rd ed.
.
,
,
, vol.
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
.
,
,
,
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
.
,
,
,
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
,
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
,
.
,
,
, vol.
(pg.
–
)
.