Полный текст

Введение Применение при хирургических операциях на грыжах методов ненатяжной герниопластики (пластика грыжевых дефектов) [1,2] и факт того, что результаты подобных вмешательств напрямую зависят от правильного подбора вида, размера и формы новейших сетчатых имплантатов, обусловливают необходимость совершенствования методов анализа механического поведения медицинских материалов данного типа. В хирургической практике широко используются сетчатые эндопротезы (имплантаты), выполненные на основе как мононитей, так и полинитей из полипропилена, полиэстера, политетрафторэтилена [3, 4, 5]. Использование при пластике грыжевых дефектов передней брюшной стенки сетчатых имплантатов требует от хирурга знания не только их биологических свойств, но и механических характеристик. Существует множество вариантов классификаций сетчатых эндопротезов [6,7,8,9]. Самая упрощенная классификация условно подразделяет их на «легкие» (вес до 70 г/м2) и «тяжелые» (вес более 70 г/м2). Использование «тяжелых» имплантатов с большим запасом прочности приводит к инкапсулированию, тогда как «легкие» с большой пористостью прорастают тканями, что, в свою очередь, приводит к уменьшению вероятности развития различных неблагоприятных процессов [10, 11, 12]. Однако повышенные деформации «легких» эндопротезов под нагрузкой и их меньшие по сравнению с «тяжелыми» имплантатами жесткость и прочность могут приводить к разрушению хирургического шва на апоневрозе [13, 14, 15]. Сложная геометрия сетчатого имплантата обусловливает и сложное поведение всей конструкции. Детальное моделирование с точным повторением всей геометрической формы требуется только на этапе проектирования энодпротеза. В последнее время предлагаются все новые методы испытаний для исследований механического поведения [16, 17, 18]. В то же время для оценки качества получаемой продукции и определения условий ее применения необходимо использовать иные, упрощенные, подходы, при этом создавать такие условия в испытаниях, которые максимально близко будут соответствовать эксплуатационным. В целом данная работа направлена на разработку методики упрощенной оценки механических свойств сетчатых эндопротезов для последующего применения в клинике. 1. Методика исследования Для разработки методики исследования были приняты некоторые упрощающие допущения. Предположим, что закрепленный по круглому контуру имплантат радиусом R изгибается, образуя шаровую поверхность, а внутрибрюшное давление (ВБД) распределено равномерно по всей изогнутой поверхности. Таким образом, механика процессов наиболее близка к поведению конструкции мембранного типа. Имплантат закрепленный invitro будем считать объектом механики сплошного твердого тела. Причем основные механические свойства присущи только имплантату, остальные элементы системы не несут механических параметров. Так как в эксперименте представляется наиболее простым определять относительное усилие, возникающее в сетчатом эндопротезе без учета его толщины, и учитывать только ширину, то единица измерения относительного (погонного) усилия - Н/м или Н/см. Сетчатый эндопротез из-за своей конструкции имеет анизотропию свойств, причем ее можно упростить до ортогональной, так как решающую роль играют перпендикулярные направления: вдоль узловых рядов и поперек узловых рядов. При моделировании предполагается, что имплантированные в брюшную полость на апоневроз сетчатые эндопротезы находятся под равномерно распределенным давлением, и несущую роль на себя берут нити вдоль узловых рядов и поперек узловых рядов. Поэтому ячейки сетчатых имплантов (ячейки периодичности) не меняют свою форму. В этом случае схема нагружения сетчатого имплантата аналогична условиям нагружения тонкостенной мембраны. Исследуемая конструкция работает в условиях гидростатического нагружения (давления). Это наиболее близко к испытаниям по нагружению полоски ткани при одноосном растяжении с условием, когда ширина образца больше длины. Чем меньше отношение базы деформирования к ширине образца, тем ближе к условиям гидростатического нагружения. В свою очередь, малая база измерения деформации ведет к увеличению погрешности измерений и ограничена размерами испытываемого образца и характеристиками системы измерения перемещений. Чтобы выполнить вышеперечисленные условия, соотношение базы деформирования и ширины образца, видимо, должно находиться в диапазоне от 0,1 до 0,5. В случае большего значения данного соотношения при растяжении происходит значимое сужение сетчатого имплантата (изменение формы ячеек) и искажение получаемых результатов (занижение жесткостных свойств конструкции), что зачастую встречается при проведении подобных механических испытаний сетчатых имплантатов [19, 20]. Таким образом, деформируемость сетчатого имплантата вдоль оси одноосного нагружения будет близка к деформируемости вдоль той же оси при нагружении внутрибрюшным давлением. Для случая применения сетчатого имплантата и его ортотропности представляется возможным использовать математические выкладки, выполненные по аналогии с методикой приближенного расчета прогиба для тонкостенных оболочек, представленной в работе [21]. Для единичного элемента размером l - в направлении действия давления сумма проекций относительных нагрузок N1, N2 и давления р (рис. 1) рассчитывается как где - центральный угол дуги кромки единичного элемента поверхности модели сетчатого имплантата. Ввиду малости угла имеем Если за r принять радиус кривизны поверхности сетчатого имплантата, то . Тогда при l = 1 Из геометрических построений, представленных на рис. 1, видно, что Рис. 1. Геометрическая схема эндопротеза под воздействием ВБД Fig. 1. Geometrical scheme of the endoprosthesis under the influence of abdominal pressure Сокращаем b2, так как это величина 2-го порядка малости: (1) В то же время Сокращаем DR2 ввиду второго порядка малости: (2) Будем считать, что под деформацией сетчатого имплантата подразумеваем соотношение тогда из (1) и (2) следует (3) Отсюда (4) Обычно внутрибрюшное давление находится в диапазонах от 2 кПа - низкое давление, до 20 кПа - высокое [22, 23, 24]. Для наиболее часто встречающихся случаев дефектов тканей диаметр рабочей зоны сетчатого имплантата может находиться в диапазоне от 6 до 12 см [25, 26, 27]. Зависимости значений предельных деформаций от величины внутрибрюшного давления описываются системой уравнений (5) где функция N1 = f1(e) определяется из испытания по деформированию имплантата в направление вдоль узловых рядов, а N2 = f2(e) - поперек узловых рядов. Решением системы (5) является значение деформации em при фиксированном внутрибрюшном давлении без учета сопротивления восстанавливаемых invivo тканей, что представляется обоснованным, так как применяется методика ненатяжной герниопластики. Для нашей системы уравнений граничными условиями будут значения R - от 3 см до 6 см и давления p - от 2 до 20 кПа. В представленной модели не учитываются вязкоупругое поведение сетчатых эндопротезов и влияние циклического нагружения, которые, возможно, будут играть значимую роль в эксплуатации. На практике, в процессе эксплуатации, на реологическое поведение будет оказывать влияние процесс наращивания тканей, который увеличивает жесткость всей конструкции. Приближенность приведенной выше оценки также оправданна из-за большого разброса диаграмм нагружения, восстанавливаемых с помощью сетки живых тканей [28], и незнания диаграмм хирургом в конкретной клинической ситуации. Необходимо отметить, что представленная расчетная модель является упрощенной и в ней не учитываются многие факторы. Напряженно-деформированное состояние сетчатого имплантата при испытаниях отличается от условий работы, но в то же время реальные условия работы известны весьма приблизительно. Учитывая это, можно считать использованную методику пригодной для сравнительных испытаний материалов имплантатов с разным строением или из разных материалов. 2. Объект исследования Объектом настоящего исследования явились сетчатые имплантаты четырех типов: ТСМ, «Реперен», TEC, SPMM. Внешний вид исследуемых имплантатов представлен на рис. 2. Рис. 2. Эндопрототезы. N1(N2) - направление действия нагрузки относительно структуры Fig. 2. Endoprosthesis. N1(N2) is the direction of N1(N2) load relative to the structure К сетчатым имплантатам «легкого» типа относятся: - ТСМ - выполнен из монофиламентного полиэстера; - «Реперен» - пластина толщиной 300 мкм, выполненная из полимера на основе производных метакриловой кислоты, армированная плетеной сеткой из полипропилена. К сетчатым имплантатам «тяжелого» типа относятся: - SPMM - выполнен из монофиламентной полипропиленовой нити; - ТЕС - выполнен из гидрофильного полифиламентного полиэстера. Для сетчатых имплантов ТСМ и «Реперен» диаметр нитей составляет 0,075 мм, для SPMM - 0,15 мм и для TEC 0,3 мм. Периодичность структуры эндопротезов близка друг к другу и колеблется в диапазоне от 1,5 до 2 мм. 3. Результаты исследования Механические испытания сетчатых имплантатов проведены в ЦКП «Центр экспериментальной механики» (ЦЭМ) Пермского национального исследовательского политехнического университета с использованием видеоэкстензометра AVE Instron и испытательной машины Instron 5965 с датчиком нагрузки до 500 Н (рис. 3). На оборудовании ЦЭМ уже в течение длительного времени проводятся комплексные исследования материалов медицинского назначения, таких как хирургический шовный материал [29, 30, 31, 32] и атравматические иглы [33]. Испытания проведены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России. Рис. 3. Проведение испытания по деформированию сетчатого имплантата Fig. 3. Conducting the mesh implant deformation test ТСМ «Реперен» SPMM ТЕС Рис. 4. Диаграммы деформирования. N1, N2 - направление деформирования относительно структуры Fig. 4. Deformation diagrams. N1, N2 is the direction of deformation relative to the structure ТСМ «Реперен» SPMM ТЕС Рис. 5. Деформации сетчатых имплантов с диаметрами 12, 9 и 6 см в зависимости от внутрибрюшного давления (штриховая линия показывает предельные значения деформации и внутрибрюшного давления) Fig. 5. Deformations of mesh implants with diameters of 12, 9 and 6 cm depending on the abdominal pressure (the dashed line shows the limiting values of the deformation and abdominal pressure) Диаграммы деформирования эндопротезов представлены на рис. 4, где N - усилие, отнесенное к ширине образца. При проведении испытаний скорость деформирования образцов имплантатов составила 0,0067 1/с. Ширина образцов 75 мм. Отношение базы деформирования к ширине образца 0,35. Предполагается, что превышение деформирования отдельных живых тканей более 20 % может приводить к их частичному разрушению и необратимым дефектам [34, 35]. Таким образом, граничными условиями модели, представленной в п. 2, явились значения предельно допустимых деформаций в 20 % и значения внутрибрюшного давления от 2 до 20 кПа. В результате расчетов по предложенной модели для эндопротезов, зафиксированных по окружности диметрами 6,9 и 12 см, получены зависимости деформаций эндопротеза (em) от внутрибрюшного давления (рис. 5) Анализируя полученные зависимости можно отметить, что исследованные «тяжелые» сетчатые имплантаты обладают чрезмерной жесткостью для большинства клинических ситуаций. В свою очередь, сетчатые имплантаты, относящиеся к категории «легкие» типа ТСМ и «Реперен», необходимо применять там, где нет опасности возникновения высоких внутрибрюшных давлений. Заключение В ходе выполнения научно-исследовательской работы разработана методика оценки механического поведения сетчатого имплантата, установленного в брюшную полость в условиях ненатяжной герниопластики и находящегося под воздействием внутрибрюшного давления. Выполнена оценка механического поведения четырех типов сетчатых имплантатов. Проведен анализ значений предельных деформации для различных размеров рабочих областей сетчатого имплантата в области возможных внутрибрюшных давлений от 2 до 20 кПа. Полученные результаты позволяют провести оценку механического поведения конкретного типа имплантатов и их применимость для клинического случая в зависимости от размеров дефекта живых тканей и ожидаемых внутрибрюшных давлений.

Об авторах

С В Словиков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

А В Ильиных

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 241

PDF (Russian) - 78