CC BY
108
УДК 531/534:57+612.7
БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИРУРГИЧЕСКИХ НИТЕЙ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ПОКРЫТИЕМ
С.В. Шилько, П.Н. Гракович, В.Ф. Хиженок, С.В. Паркалов
Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси, 246050, Беларусь, г. Гомель, ул. Кирова, д. 32а, e-mail: [email protected]
Аннотация. С целью получения хирургического шовного материала исследуются фрикционно-механические свойства промышленно выпускаемых нитей на основе природных и синтетических волокон до и после модификации биоинертным полимерным покрытием на основе полипараксилилена (ППК). Проведены испытания образцов нитей на основе шелка, полиамида и полиэтилентерефталата в условиях одноосного растяжения и при трении по имитатору биоткани в сухом и влажном состоянии. Установлено, что, помимо улучшения биосовместимости, нанесение ППК-покрытия позволяет оптимизировать фиксирующие и манипуляционные свойства нитей.
Ключевые слова: хирургические нити, функциональное покрытие,
полипараксилилен, прочность, сила трения, биосовместимость.
Введение
Хирургические нити являются наиболее распространенным средством соединения биотканей при проведении операций. Несмотря на существование широкой номенклатуры натуральных и синтетических волокон, последние далеко не всегда удовлетворяют комплексу требований, предъявляемых к шовному материалу в хирургической практике [1-3]. Мягкие плетеные и крученые нити, в особенности природного происхождения (кетгут, шелк, хлопок, лен), при отличных
манипуляционных свойствах не обладают достаточной бионейтральностью из-за пористости структуры и могут быть источником воспалительных реакций. В свою очередь, весьма популярные в настоящее время синтетические монофиламентные нити, имеющие благодаря гладкой поверхности высокую бионейтральность, являются гораздо более жесткими и для надежной фиксации требуют выполнения увеличенного числа узлов.
В связи с этим усилия разработчиков направлены на создание шовного материала композиционного строения путем нанесения на эластичную волокнистую основу функциональных, в первую очередь, полимерных, покрытий.
Целью настоящего исследования являлась оценка эффективности
модифицирования промышленно выпускаемых нитей на основе натуральных (шелк) и синтетических (полиэтилентерефталат, полиамид) волокон, осуществляемого
посредством газофазной полимеризации полипараксилилена.
© С.В. Шилько, П.Н. Гракович, В.Ф. Хиженок, С.В. Паркалов, 2003
а б в
Рис. 1. Схема испытания (а) и диаграммы растяжения модифицированных нитей на основе шелка (б) и лавсана (в) при наличии (штриховые линии) и отсутствии (сплошные линии) узлов
а б
Рис. 2. Влияние толщины покрытия на прочность при разрыве нитей из шелка (а) и капрона (б) в сухом (светлые прямоугольники и пунктирная линия) и влажном (темные прямоугольники и
сплошная линия) состоянии
Таблица
Связь показателей качества и физико-механических характеристик нитей
Показатель качества Управляющий параметр
Высокая исходная прочность Прочная бездефектная основа
Сохранение прочности при функционировании Отсутствие капиллярного транспорта и деструкции в биологически активной среде
Простота вязания и надежность узла Низкая контактная и изгибная жесткость, высокий коэффициент трения
Атравматичность при формировании шва Плавное сопряжение и близость коэффициента трения нити и иглы
Атравматичность сформированного шва Гладкая поверхность и низкий коэффициент трения нити
Формулировка критерия качества хирургических нитей
Помимо удовлетворения требований совместимости с живыми тканями, нити должны обладать особым комплексом физико-механических (прочностных, деформационных и фрикционных) характеристик. Эти характеристики являются управляющими параметрами по отношению к выработанным практикой показателям качества: манипуляционным свойствам (определяющим удобство работы хирурга), критериям атравматичности и т.д., приведенных в таблице.
В ряде случаев требования к значениям управляющих параметров оказываются противоречивыми. К примеру, высокий коэффициент трения, способствуя повышению надежности узла и шовного соединения в целом, увеличивает травмирование биотканей при выполнении шва. Таким образом, показатели качества хирургических нитей обеспечиваются при оптимальном сочетании упругопластических и фрикционных характеристик данного шовного материала.
Характеристика используемых материалов
Среди биосовместимых полимеров нами был выделен полипараксилилен (ППК) - уникальный полимер в технологии тонких пленок. Технология нанесения ППК позволяет формировать стерильные покрытия постоянной толщины на любой доступной для газовой фазы поверхности, в том числе в узких щелях, капиллярах и на острых кромках. При полимеризации в холодной плазме отсутствует заметное энергетическое воздействие на подложку и покрытие, что исключает деградацию их физико-механических свойств.
В качестве основы исследовалось 4 вида материала: шелк, полиамид (капрон) двух марок и полиэтилентерефталат (лавсан) с различной толщиной покрытия, соответствующей содержанию 1 и 4 % масс. ед. ППК.
Методы исследования
Покрытие полипараксилиленом с синтезом в газовой фазе производилось при помощи установки на базе вакуумного поста ВУП-4. Масса покрытия соответствовала покрытию со средней толщиной в десятки нанометров.
Биомеханическое исследование включало определение прочности нитей при растяжении, в том числе с узлами, и усилия протягивания нитей в сухом и влажном состоянии до и после модификации. Определение указанных характеристик проводились на автоматизированных испытательных стендах СотТеп 94С [4] и Ш8ТКОЫ 5567 [5], предназначенных для высокоточного определения механических характеристик полимерных материалов при статическом нагружении.
При испытании на разрыв образцы нитей закреплялись в верхнем и нижнем захватах стенда при помощи эластичных прокладок, чтобы исключить проскальзывание и обрыв нити вблизи кромок захватов (рис. 1а). Для оценки влияния на прочность узлов последние выполнялись в количестве десяти с интервалом 1 см. Устанавливалось начальное расстояние между захватами 6 см и скорость нагружения 1 см/мин.
Тест на растяжение
Тест на растяжение
Д
Д
Удлинение (мм) Шелк (режим 1) Тест на растяжение
Удлинение (мм) Капрон (режим 1) Тест на растяжение
Удлинение (мм)
Удлинение (мм) Шелк (режим 2) Тест на растяжение
Удлинение (мм) Капрон (режим 2) Тест на растяжение
Удлинение (мм)
Лавсан (режим 1) Лавсан (режим 2)
Рис. 3. Диаграммы растяжения модифицированных нитей для двух режимов полимеризации ППК
При проведении фрикционных испытаний регистрировалось усилие, необходимое для протягивания шовной нити по замшевой поверхности образца выделанной кожи, как имитатору живой биоткани (рис. 4а). Испытания проводились следующим образом: между захватами в горизонтальном положении крепилась цилиндрическая оправка диаметром 40 мм, обернутая лоскутом кожи длиной 18 см. После закрепления конца нити в подвижном захвате испытательной машины производился один оборот вокруг оправки, а ко второму концу нити подвешивался груз массой 50 г. Скорость нагружения составляла 10 мм/мин.
Standard Tensile test, water
lavsan s ppk 50 Hz trenie
Fop, kg 1,134 Fmax,kg 1,315
T est measured with a 907 KG Load Cell. Specimen 1 of 1 Test Speed = 100.64 MM.P.M. On 12-04-2001 at 12:54:00 The TEST TERMINATED T emperature = 72.0 F H umiditjj = 50.0 %
T ensile Peak Force = 1 Kg.
END"1 of 1
o.ooo Сила/перемещение 0 000
20.000 40.000 60.000 80.000 98.373
перемещение (мм)
COLE РАВМЕВ INSTBUMENT CO.
б
Рис. 4. Схема трибоиспытания (а) и кинетика силы трения (б)
а
Р/Ро, %
700 -
600 -
500
400 -
300 -
200 -
100 0 -
0 1 4
содержание 1111К, % масс. а
Р/Р0, %
600 -
500 -
400 -
300 -
200 -
100 0 -
0 1 4
содержание ППК, % масс, б
Рис. 5. Влияние толщины покрытия на усилие страгивания (а) и среднее усилие протягивания (б) нитей из лавсана в сухом (светлые прямоугольники) и влажном (темные прямоугольники)
состоянии
Результаты испытаний
Весьма малые количества ППК обеспечивают несмачиваемость нитей или изделий из них. При использовании гидрофобных нитей для наружных швов отсутствует капиллярный транспорт по нити биологических жидкостей, что отвечает антисептическим требованиям. Особенно заметен этот эффект для шелковых нитей, которые из-за плохой биоинертности в настоящее время выходят из употребления в практической хирургии.
Механические характеристики. Характерные диаграммы деформирования крученых нитей показаны на рис. 1б, в, а результаты сравнения прочности -иллюстрируются рис. 2, 3. В частности, можно заметить, что узлы способствуют консолидации волокон, линеаризации диаграммы и предотвращению обрывов отдельных волокон до исчерпания прочности нити. Если наличие узлов заметно повышает прочность шелковой нити, то прочность синтетической нити на основе лавсана несколько уменьшается (рис. 1б, в).
Сопоставление предельных нагрузок при растяжении до и после нанесения покрытия ППК различной толщины выполнено на рис. 2, где прочность сухой нити без
покрытия принимается за 100 %. Видно, что модификация приводит к заметному повышению прочности нитей в сухом состоянии и, что более важно для нерассасывающихся хирургических нитей, ее сохранению в условиях намокания. Более заметен данный эффект для крученых нитей из шелка, при котором потеря прочности при увлажнении составляет около 25 %. Это объясняется капсулирующим действием покрытия, препятствующего разупрочнению шелковых волокон под действием влаги, а также снижающего роль дефектов и вероятность повреждения периферийных волокон. Деформационные характеристики нитей показаны на рис. 3, где приведены результаты испытания нитей с покрытием, нанесенным при различной частоте генерации технологической установки.
Улучшение манипуляционных свойств нити подтверждается также на основании опыта выполнения швов модифицированными нитями на подопытных животных.
Фрикционные характеристики. При нанесении весьма тонкого покрытия ППК (массовая доля 1 %) имеет место уменьшение силы трения нитей в сухом и влажном (для лавсана в 1,5 раза) состоянии (рис. 4, 5).
Эффект страгивания проявляется в том, что трение покоя превышает трение скольжения нити по биоткани (рис. 4б).
Увеличение толщины покрытия до 4 % масс. оказывает более заметное влияние на усилие страгивания в сухом состоянии и в меньшей степени - на усилие страгивания во влажной среде (рис. 5а). Иной характер изменения усилия протягивания при увеличении толщины покрытия (рис. 5б) обусловлен, по-видимому, сохранением минимального количества ППК, как твердой смазки, при кинетическом трении сухих нитей и его удалением при трении во влажной среде.
Снижение трения отмечается также субъективно при наложении швов и вязке узлов. В результате повышается степень атравматичности шовного материала, в особенности шелка. При этом используются ценные манипуляционные свойства шелковой основы, которая практически не растягивается, надежно фиксируется всего двумя узлами и характеризуется стабильной прочностью. Однако для шелковых нитей, образованных скруткой волокон различной толщины, характерен выраженный капиллярный («фитильный») эффект, снижающий бионейтральность.
Синтетические волокна на основе полиамида и полиэтилентерефталата, помимо повышения бионейтральности, благодаря относительно мягкому покрытию ППК приобретают лучшие фрикционные свойства.
Заключение
Таким образом, показана эффективность модификации хирургических шовных нитей из природных и синтетических материалов путем нанесения полимерного покрытия, обеспечивающего повышение прочности и улучшение манипуляционных свойств.
Список литературы
1. Буянов В.М., Егиев В.Н., Удотов О.А. Хирургический шов. М.: Рапид-Принт, 1993.
2. Shadrin V. V., Teplikov A. V. Handling characteristics of surgical threads // Russian Journal of Biomechanics.
2001. V. 5. № 3. P. 41-50.
3. № 1709620. 5 А 61 L 17/00. Шовная хирургическая нить. № 16.
4. ComTen 94C (1998).
5. INSTRON 5567 (2002).
BIOMECHANICAL PROPERTIES OF SURGICAL THREADS COVERED WITH FUNCTIONAL COATINGS
S.V. Shilko, P.N. Grakovich, V.F. Khizhenok, S.V. Parkalov (Gomel, Belarus)
Frictional and mechanical characteristics of commercially produced threads from natural and synthetic fibers are studied prior and after modification by inert in biological respect polymer coatings based on polyparaxylylene (PPX) aimed at obtaining a surgical suture material. Samples from silk-based threads, along with polyamide and polyethylene terephthalate were studied under a uniaxial tension and friction over a biotissue simulator in dry and wet states. Along with improved biological compatibility the PPX coating optimizes fixation and handling parameters of threads.
Key words: surgical threads, functional coating, polyparaxylylene, strength, friction force, biocompatibility.
Получено 22 мая 2003
