CC BY
37
биология
и экспериментальная медицина
УДК 539.3
АТОМНО-СИЛОВАЯ И РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОпИЯ
современных биополимерных шовных материалов
В. А. Самарцев ', А. Г. Кучумов *2, В. Н. Солодько3, В. А. Гаврилов1, Е. С. Чайкина2
1 Пермская государственная медицинская академия им. ак. Е. А Вагнера, г. Пермь,
2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь,
3 Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Россия
ATOMIC-POWER AND FOCUSED-BEAM ELECTRONIC MICROSCOPY OF MODERN BIOPOLYMERIC SUTURE MATERIALS
V. A. Samartsev1, A. G. Kuchumov2, V. N. Solodko3, V. A. Gavrilov1, E. S. Chaikina 2
1 Perm State Academy of Medicine named after Academician E. A. Wagner, Perm
2 Perm National Research Polytechnical University, Perm
3 Perm State National Research University, Perm, Russia
Цель. Изучение на микроуровне поверхности и оценка прочностных свойств современных шовных биополимерных материалов для оптимизации применения в абдоминальной хирургии. Материалы и методы. Представлены результаты экспериментального сравнения микрорельефа, а также оценка модуля Юнга монофиламентного и полифиламентного шовных материалов Prolene и Vicryl (n=40), полученные при атомно-силовой микроскопии и растровой электронной микроскопии. Результаты. В работе представлены картины микрорельефа поверхностей нитей, полученные при растровой электронной микроскопии, а также топология поверхностей нитей на площадках размерами 5х 5 и 10х 10 мкм, полученная при атомно-силовой микроскопии. Количественная оценка микрорельефа производилась на основании анализа показателя Хёрста. Построены зависимости сила — глубина проникновения для определения значения модуля упругости нити на микроуровне. Выводы. Представленные методики позволяют проводить скрининг и дифференциацию рассасывающихся и нерассасывающихся монофиламентных и полифиламентных современных хирургических шовных материалов для точной оценки их структуры и свойств.
© Коллектив авторов, 2012 e-mail: [email protected] тел. 8 (342) 239 17 02
[Самарцев В. А. — доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой терапевтической стоматологии; Кучумов А. Г. (* контактное лицо) — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической механики; Солодько В. Н. — аспирант кафедры механики сплошных сред и вычислительных технологий; Гаври-лов В. А. — ассистент кафедры общей хирургии лечебного факультета; Чайкина Е. С. — магистрант кафедры теоретической механики].
Ключевые слова. Атомно-силовая микроскопия, растровая электронная микроскопия, биополимер, шовный материал, наноиндентирование, показатель Хёрста.
Aim. To study the surface and to assess strength properties of modern suture biopolymeric materials at the microlevel for optimization of their application in abdominal surgery.
Materials and methods. The results of experimental comparison of microrelief and assessment of elasticity modulus of monofilament and polyfilament suture materials Prolene and Vicryl (n=40) obtained as a result of atomic-power microscopy and focused-beam electronic microscopy are presented. Results. The paper presents microrelief pictures of suture surfaces obtained as a result of focused-beam electronic microscopy and topology of suture surfaces on the areas sized 5X 5 and 10x10 mcm received as a result of atomic-power microscopy. Quantitative estimation of microrelief was performed on the basis of analysis of Hurst index. Force-penetration depth dependences were built to determine suture elasticity module values at the microlevel.
Conclusion. The presented techniques permit to conduct screening and differentiation of absorbable and non-absorbable monofilament and polyfilament modern surgical suture materials for precise assessment of their structure and properties.
Key words. Atomic-power microscopy, focused-beam electronic microscopy, biopolymer, suture material, nanoindentation, Hurst index.
Введение
Хирургический шовный материал — это инородная нить, применяемая для соединения тканей с целью образования рубца. Различают рассасывающиеся и нерассасываю-щиеся, а также синтетические и естественные шовные материалы [10].
При анализе взаимодействия шовного материала с мягкими тканями при ушивании операционной раны на микро- и наноуровне нужно учесть различные химические, биологические и механические процессы, связанные с ростом и заживлением биологической ткани, рассасыванием нити, адгезией и другими эффектами [6], что представляет большой интерес для разработки компьютерной биомеханической модели взаимодействия нити и мягких тканей при ушивании раны [2].
С другой стороны, существует необходимость точного выявления шовного материала с менее выраженными «пилящими» свойствами, что важно для наложения межорганных соустьев в хирургической гастроэнтерологии и гепатологии, что, в свою очередь, обусловливает экспериментальное исследование нитей на различных уровнях от нано-до макроуровня.
В публикациях представлены результаты квазистатических испытаний на разрыв и растяжение-сжатие нескольких типов нитей для исследования влияния биологических сред (в частности, желчи) на прочность шовных материалов и влияние на сроки рассасывания на макроуровне [3].
При исследовании полимерных нитей также применяются методы наномеханики, такие как атомно-силовая микроскопия (бесконтактный режим исследования поверхности) [5, 9], растровая электронная микроскопия [7], конфокальная лазерная сканирующая микроскопия и флуоресцентная микроскопия [11], рентгеноспектральный микроанализ [9], для изучения мельчайших деталей структуры при деградации, взаимодействии с живыми тканями [11] и бактериями [8] для профилактики инфекций при хирургическом вмешательстве [8, 9].
Цель исследования — сравнение структуры, механических свойств и оценка микрорельефа рассасывающихся полифила-ментных (Vicryl) и нерассасывающихся мо-нофиламентных (Prolene) шовных материалов на микро- и наноуровне с помощью методов атомно-силовой микроскопии (АСМ) и растровой электронной микроско-
Пермский медицинский журнал
2012 том XXIX № 5
пии (РЭМ) для оптимизации их применения в абдоминальной хирургии.
Материалы и методы
ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования являлись два типа нитей: монофиламентная нерассасыва-ющаяся нить Prolene (3/0) (диаметр 0,2— 0,249 мм) и синтетическая полифиламентная рассасывающаяся нить Vicryl (3/0) (диаметр 0,2—0,249 мм) (n=40). Исследования проводились на растровом электронном микроскопе S-3400N (Hitachi, Япония) и атомно-си-ловом микроскопе «Icon» (Bruker, США).
Для проведения исследований образцы фиксировались на алюминиевой подложке на проводящий углеродный скотч. Для получения более контрастных изображений предварительно было проведено снятие заряда с образца при введении в вакуумную камеру.
Исследование биополимерных шовных материалов проводилось в режиме детекции вторичных электронов для изучения микрорельефа поверхности образца.
При атомно-силовой микроскопии использовался конусный алмазный индентор (радиус закругления зонда 8 нм, жесткость кантилевера 57 Н/м). Образцы нитей длиной около 3 мм наклеивались на металлическую подложку во избежание проскальзывания при индентировании.
Далее подложка с образцом помещалась в прибор, и производилось позиционирование индентора для АСМ-сканирования (исследования шероховатости поверхности образца). Получение карты высот поверхности проводилось в полуконтактном режиме работы микроскопа. Размеры сканируемой площадки были взяты равными 5Х5 и 10^10 мкм.
Процедура наноиндентирования осуществлялась в контактном режиме (частота 0,5—0,7 Гц).
Результаты и их обсуждение
На рисунках 1, 2 показаны оригинальные изображения нитей Prolene и Vicryl при различной степени увеличения. Из рисунков видно, что поверхности нитей сильно различаются вследствие способа их изготовления: поверхность нити Vicryl более шероховатая, поскольку этот шовный материал является полифиламентным.
На рисунках 2, 3 представлены результаты АСМ-сканирований шовных материалов.
Дальнейшей задачей работы являются оценка и сравнение параметров поверхностей шовных материалов.
Качество поверхности традиционно характеризуется шероховатостью — среднеарифметическим отклонением, максимальной высотой неровностей, средним шагом неровностей профиля и т. д. [1] рассматриваемых типов нитей.
Для сравнения и оценки шероховатости поверхностей нитей использовался метод переменного интервала, на основании которого определялся фрактальный показатель Хёрста, который свидетельствует о том, как меняется рельеф поверхности при перемасштабировании, и отражает изменение наклона поверхности при переходе от одних масштабов к другим.
Метод переменного интервала для анализа трехмерных образов поверхности состоит в следующем. Поверхность разбивается сеткой с размером ячейки R, на каждой из которых определяется функция размаха высоты (разница между максимальным и минимальным значениями высоты рельефа). Зависимость данной функции, усредненной по всем ячейкам, от величины размера ячейки R носит степенной характер:
K(R) = = max(z(r'))-min(z(r '))\ да RH ,
\ r'ew r'ew
\ • 1 I wl
где z(r ') — матрица значений высот в теку-
Рис. 1. Шовный материал Prolene: изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа: а — увеличение x100, б — x300, в — x500, г — x5000
щей ячейке w размера R, усреднение (...) производится по всем ячейкам [5].
По наклону линейного участка зависимости, построенной в логарифмических координатах, можно определить показатель Хёрста (H). Известно, что в качестве альтернативы трехмерному анализу можно рассматривать одномерные профили в ортогональных направлениях [1].
Таким образом, показатель Хёрста для профилей нити Prolene в двух взаимно перпендикулярных направлениях равен 0,47 и 0,45. Показатель Хёрста для профилей нити Vicryl — 0,65 и 0,651 соответственно. Учиты-
вая, что чем меньше H, тем более шероховата поверхность, можно сказать о более шероховатом профиле нити Vicryl, что согласуется с визуальными данными, полученными в результате растровой электронной микроскопии (рис. 1, 2).
На рисунке 3 представлены зависимости сила — глубина проникновения для нитей Prolene и Vicryl. Модуль Юнга оценивался с помощью процедуры контактного деформирования [6]. Из анализа видно, что модуль Юнга шовного материала Prolene (1,19± ±0,03 ГПа) выше, чем у Vicryl (0,94± ±0,018 ГПа).
Пермский медицинский журнал
2012 том XXW № 5
Рис 2. Шовный материал Vicryl: изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа: а — увеличение у-100, б — *300, в — у-500, г — у-5000
Рис. 3. Диаграммы сила индентирования (F) — глубина проникновения (А) для шовных материалов Prolene (1) и Vicryl (2)
Выводы
При растровой электронной и атомно-силовой микроскопии возможно точно выявить шовный материал, обладающий менее выраженными «пилящими» свойствами, что важно для наложения межорганных соустьев в хирургической гастроэнтерологии и гепа-тологии.
Представленные методики определения механических свойств хирургических шовных материалов позволяют проводить скрининг и дифференциацию рассасывающихся и нерассасывающихся современных хирургических шовных материалов.
Благодарность
Авторы благодарят С. В. Смирнова и В. З. Пойлова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет, кафедра технологии неорганических веществ) за помощь при проведении исследований на растровом электронном микроскопе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ерофеева Е. С, Ляпунова Е. А, Оборин В. А, Гилева О. С, Наймарк О. Б. Структурно-функциональный анализ твердых тканей зубов в оценке качества технологий отбеливания. Российский журнал биомеханики 2010; 2 (14): 47—55.
2. Кучумов А. Г., Самарцев В. А., Чайкина Е. С, Гаврилов В. А. Биомеханика шовных материалов в абдоминальной хирургии. Современные проблемы науки и образования 2012; 2 (1): 1—13.
3. Федоров А. Е, Самарцев В. А, Гаврилов В. А, Вильдеман В. Э., Словиков С. В. Экспериментальное исследование механических свойств современных хирургических рассасывающихся шовных материалов. Российский журнал биомеханики 2009; 4 (13): 78—84.
4. Cheadle W. G. Risk factors for surgical site infection. Surg. Infect. 2006; 1 (7): 7—11.
5. Chen X, Yang X, Pan J., Wang L, Xu K. Degradation behaviors of bioabsorbable P3/4HB monofilament suture in vitro and in vivo. Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials 2010; 3 (92): 447—455.
6. Dao M, Chollacoop N, van Vliet K. J, Venka-tesh T. A, Suresh S. Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented sharp indentation. Acta Mater. 2001; 19 (49): 3899—3919.
7. Deng M, Chen G, Burkley D, Zhou J, Jamiolkowski D. A study on in vitro degradation behavior of a poly (glycolide-co-L-lactide) monofilament. Acta Biomater. 2008; 3 (4): 1382—1391.
8. Engelsman A. F, Mei H. C, Ploeg R. J. The phenomenon of infection with abdominal wall reconstruction. Biomaterials 2007; 7 (28): 2314—2327.
9. Nandula D, Chalivendra V., Calvert P. Submicron scale mechanical properties of polypropylene fibers exposed to ultra-violet and thermal degradation. Polymer Degradation and Stability 2006; 6 (12): 2—14.
10. Shishatskaya E. I., Volova T. G, Puzyr A P., Mogilnaya O. A, Efremov S. N. Tissue response to the implantation of biodegradable polyhydroxyalkanoate sutures. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2004; 11 (15): 719—728.
11. Wainstein M, Anderson J, Elder J. S. Comparison of effects of suture materials on wound healing in a rabbit pyeloplasty model. Urology 1997; 18 (49): 261—264.
Материал поступил в редакцию 03.09.2012
