диссертации / 73
.pdfвитие изменений происходит как на микроуровне (молекулярном и надмолекуляр-
ном), так и на макроуровне (между структурными элементами) [427, 438]. Исполь-
зование для сложных материалов модуля эластичности и предела упругости дает ограниченное представление, так как отражает упругие свойства главным образом вещества в разных направлениях. Поэтому для определения упругих свойств струк-
туры у сложных материалов, более информативно было бы привлечение диа-
граммы с измерением нагрузки. Однако расчет модуля эластичности с использова-
нием усилия, нормализованного к ширине пробы, а не к поперечному сечению, мы встретили только в работе E. Sabersky и соавт. [294]. В своем исследовании авторы показали высокую информативность этого модуля при сравнительной оценке эла-
стических свойств 6 хирургических сеток, но не представили теоретических обос-
нований методики. Проблема модуля эластичности у хирургических сеток связана не столько с трудностью измерения поперечного сечения пробы, сколько со слож-
ным характером возникновения деформаций при растяжении петельной струк-
туры. В зоне эластической деформации его величина складывается из модулей эла-
стичности на растяжение и изгиб отдельных волокон, согнутых в петли, которые неравномерно и под разными углами расположены в структуре. При эластической деформации происходит обратимая перегруппировка структурных элементов (раз-
ворот петель, изменение угла наклона петель и протяжек, также их смещение отно-
сительно друг друга), которая во многом зависит от трикотажной конструкции и направления приложенной нагрузки [429]. При пластической деформации в резуль-
тате нарушения связей на обоих уровнях перегруппировка структурных элементов становится необратимой и начинается растяжение полимерных нитей с последую-
щим их разрушением при приближении нагрузки к максимальным значениям [439].
На наш взгляд в отношении трикотажных сеток наиболее важно определить нагрузку, которая вызывает деформацию перехода структуры из эластической зоны в пластическую. При этом измерение суммарного стресса, который при этой де-
формации испытывают волокна, имеет второстепенное значение. То же самое можно отнести и к фасциальным тканям. Их структуры представлены сетью колла-
геновых волокон, которые имеют разное направление, разный диаметр и сложное
161
распределение в ткани. Для изучения обратимых свойств хирургических сеток и фасциальных листков мы использовали эластический лимит и эластическую де-
формацию, которые определяли в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Эластическому лимиту соответствовала максимальная нагрузка, при которой воз-
никала обратимая деформация пробы (эластическая деформация). Дальнейший рост нагрузки приводил к пластическим изменениям. В стадии обратимых измене-
ний диаграмма растяжения отражала умеренное нарастание относительного удли-
нения при увеличении действующей нагрузки. Начальную часть кривой упро-
щенно представляли в виде плавного подъема, который переходил во второй кру-
той подъем. В области перехода устанавливали метку и определяли эластический лимит и эластическую деформацию. Условный модуль эластичности рассчиты-
вали, как соотношение эластической нагрузки и деформации. При этой методике мы пренебрегали небольшим сокращением ширины пробы и не всегда плавным ро-
стом нагрузки, считая их несущественными факторами, так как получали инте-
гральный показатель для оценки и сравнения обратимых структурных изменений при растяжении в двух направлениях. Многоцикловые испытания на растяжение подтвердили, что удлинение образцов, когда нагрузка соответствовала эластиче-
скому лимиту, носило обратимый характер, потому что после снятия нагрузки, про-
исходило восстановление исходной длины. Единственным минусом параметра нагрузки (нормализации усилия к ширине пробы) в области упругих деформаций,
является его зависимость от соотношения размеров образца. Для корректного срав-
нения абсолютных значений условного модуля эластичности, расчет его величины производили на диаграммах растяжения, полученных при проведении испытаний в стандартных условиях. В тестах соблюдали одинаковое соотношение длины и ши-
рины проб (3/2) и минимальное время растяжения до разрыва 20 секунд. Опреде-
ление «условный» было добавлено, чтобы указать на методику расчета и на его отличие от общепринятого модуля эластичности.
При анализе результатов механических тестов на растяжение, благодаря раз-
делению сеток на группы в соответствии с трикотажным переплетением и исполь-
162
зованию диаграмм «нагрузка – относительное удлинение» с адаптацией механиче-
ских показателей к этим диаграммам, удалось установить влияние структурных компонентов на деформационное поведение сеток вдоль и поперек петельных стол-
биков. Было выявлено, что разрывные и эластические деформации в обоих направ-
лениях определяются трикотажным переплетением и внесенными в него дополне-
ниями (изменением количества петель в рядах и столбиках, их расположением и формой). Разрывные нагрузки и эластические лимиты в технологических парах и группах зависели, преимущественно, от материалоемкости. На эластические ли-
миты также влиял полимер нитей, который, на примере ПВДФ протеза, в одинако-
вой степени снизил их величины. Модули эластичности характеризовали жест-
кость протезов в перпендикулярных направлениях. В каждой паре или группе про-
тезов, объединенных соответствующим трикотажным переплетением, их величина напрямую зависела от материалоемкости, кроме того на нее могли влиять тип по-
лимера нитей и интенсивность термопластической обработки материала.
В настоящее время существует экспертное мнение, что оценка результата протезирования нагружаемых тканей требует количественного измерения свойств как структуры и состава имплантата, так и структуры и состава протезируемых тка-
ней. Некоторые аспекты восстановления могут быть хуже, но другие механические факторы восстановления и замещения могут быть приемлемыми. Необходимо,
чтобы критерии оценки были связаны с функциональными свойствами тканей
[440]. Для того чтобы ответить на конкретные вопросы, касающиеся механических взаимодействий протеза с мышечно-фасциальным комплексом передней брюшной стенки, необходимо развитие моделей на животных с пониманием структурных и механических свойств протезируемых образований. Нормализация плоских проб к ширине и сохранение относительного удлинения на диаграммах растяжения – это необходимый вариант комбинации параметров, который предоставил возможность оценивать механические свойства с учетом особенностей структуры у плоских ма-
териалов и соотносить их с фасциальными тканями. Введение показателей эласти-
ческого лимита, эластической деформации и условного модуля эластичности поз-
163
волило раскрыть влияние различных элементов структуры на упругие свойства ма-
териалов, а использование разрывной нагрузки давать сравнительную оценку их прочности.
Общая морфология апоневрозов наружной косой, внутренней косой и попе-
речной мышц была описана в деталях еще в 1980 году Rizk [441], который отметил сходство между крысой и человеком. Позже, разные млекопитающие, такие как со-
баки, кролики и хомяки были использованы для изучения изолированных активных и комплексных пассивных механических свойств мышц брюшной стенки [442444]. Крысы-самцы породы Sprague-Dawley в разных работах были использованы для изучения формирования и восстановления атрофических дефектов абдоми-
нальных грыж [10, 369, 445]. Однако ни в одном из этих исследований не было проведено прямого сравнения передней брюшной стенки животных, выбранных для модели, с передней брюшной стенкой человека. Brown S.H. и соавт. в 2009
году впервые исследовали и подробно описали структурные и морфологические параметры мышц передней брюшной стенки крыс в сравнении с человеком и при-
шли к заключению, что взрослые крысы-самцы могут служить адекватной моде-
лью, воспроизводящей активные и пассивные взаимодействий между мышцами пе-
редней брюшной стенки [367]. К сожалению, это исследование не было дополнено морфологическим сравнением соединительнотканных образований передней брюшной стенки. Следует отметить, что никогда не проводилось и детального сравнительного изучения механических свойств различных соединительнотканных образований передней брюшной стенки животных и человека. Хотя Yucesoy CA et al. показали, что эти свойства способны повлиять на механические взаимодействия между мышечными слоями в плане передачи силы мышечных сокращений [446]. В
нашей работе методическую возможность оценки механических свойств на растя-
жение у плоских материалов с разной структурой, мы перенесли на фасциальные ткани и дополнили сравнительное анатомическое исследование листков у крысы,
кролика и человека механическими тестами на растяжение в двух направлениях относительно белой линии живота. Мы получили, что механические свойства фас-
164
циальных листков у человека и у лабораторных животных отличались вдоль и по-
перек белой линии. Максимальной прочностью и жесткостью листки обладали по-
перек белой линии, а наибольшей эластичностью вдоль. В корреспондирующих направлениях прочность и жесткость переднего листка была выше, чем у заднего.
Прочность и жесткость листков у мужчин в обоих направлениях была достоверно выше, чем у женщин, а прочность и жесткость мужских и женских листков выше,
чем у кролика и крысы. Между животными также были выявлены различия меха-
нических свойств, которые заключались в том, что фасции крысы имели более вы-
раженную анизотропию и были менее прочными и жесткими в соответствующих направлениях относительно белой линии живота. Основываясь на похожей архи-
тектуре мышц и механических свойствах фасциальных листков, мы сделали вывод,
что взрослые лабораторные крысы и кролики являются оптимальными кандида-
тами для моделирования грыжевых дефектов и протезирующей пластики в верхних и средних отделах живота.
Многие исследования биосовместимости протезов были выполнены на экс-
периментальной модели с полнослойным иссечением значительной части передней брюшной стенки и последующим замещением дефекта хирургической сеткой, ко-
торая после пластики оказывалась с одной стороны в непосредственном контакте с органами брюшной полости, а с другой – накрыта кожей. В этой модели иссечение целых групп мышц приводит к значительному снижению мышечных нагрузок, а
эффект повышения ВБД создается преимущественно в результате увеличения в объеме органов ЖКТ. Пластику дефекта можно произвести только по способу inlay. Поэтому практически невозможно оценить взаимодействия протеза с различ-
ными механическими характеристиками и анизотропных фасциальных структур.
Для прогнозирования деформационного поведения хирургических сеток необхо-
димо их испытание в условиях максимально приближенных к клинической ситуа-
ции, в которой присутствует асимметрия мышечных нагрузок, и воспроизводятся длительные и многократные воздействия на растяжение и изгиб. Такую возмож-
ность предоставила разработанная экспериментальная модель грыжевого дефекта у крыс с удалением белой линии и частичным иссечением прямых мышц. Протез,
165
уложенный на сохраненные задние листки и фиксированный по периметру к ос-
новным группам мышц, был закрыт мобилизованными передними листками. В
этой ситуации после пластики протез оказывался изолированным от брюшной по-
лости и подкожно жировой клетчатки окружающими его фасциями и испытывал нагрузки, подобные тем, какие воздействуют на него у пациентов после операций по способу sublay. Безусловно, абсолютные по величине нагрузки, которым под-
вергается сетчатый имплантат в ПБС человека, на модели грыжи у крысы воспро-
извести невозможно, но их направления и тип в значительной степени совпадали.
Это подтвердили наши сравнительные анатомические исследованиями ПБС крысы и человека. Кроме того, морфометрические исследования мышц, которые выпол-
нили S. Brown и соавт., показали, что направление действия волокон каждой мышцы и их способность сокращаться в длину были сходны у крысы с человеком почти во всех отделах. Исключением был нижний регион, где наружная косая мышца переходила в апоневроз у людей, а у крыс продолжалась в виде мышцы
[367]. Следует также отметить, что имплантированные взрослым крысам самцам сетки испытывали достаточно сильные воздействия, о чем свидетельствуют высо-
кие показатели прочности и жесткости переднего листка в поперечном направле-
нии.
Сравнительные испытания протезов проводились на модели послеопераци-
онной грыжи у крыс, когда имплантированные в межфасциальное пространство хи-
рургические сетки длительное время испытывали многократно повторяющиеся ме-
ханические нагрузки. Поэтому при использовании стандартных сеток стало оче-
видно, что их структура и механические свойства не соответствуют протезируемым фасциям. В рассматриваемых условиях стандартные сетки обладали избыточной материалоемкостью, поэтому в их структуры были заложены механические ре-
сурсы прочности и жесткости, которые значительно превосходили протезируемые фасциальные образования и возможности мышц для передачи усилий при сокра-
щении. Следствием несоответствия являлся биомеханический конфликт между сетками и листками влагалища прямых мышц живота, который был причиной по-
вреждения фасциальных листков. Кроме того, все структуры стандартных протезов
166
в условиях крысиной модели грыжи вызывали бурную воспалительную реакцию,
следствием которой были различные гнойные осложнения и неполноценная инте-
грация в ткани ПБС. В данной ситуации стандартные протезы можно рассматри-
вать как плохо совместимые с укрепляемым мышечно-фасциальным комплексом.
Результаты имплантации стандартных сеток подтвердили данные, полученные во многих других экспериментах, которые свидетельствовали о том, что интенсив-
ность реакции на инородное тело определялась количеством имплантированного материала [51, 447]. Об этом же свидетельствовала и разная интенсивность воспа-
ления в различных структурных зонах одного протеза. Наиболее показательно вы-
глядели данные гистологии в группе Prolene. В структуре протеза чередовались двойные петельные столбики и свободные межстолбиковые промежутки с одиноч-
ными протяжками. Гистологические срезы продемонстрировали выраженную кле-
точную инфильтрацию в области скопления сдвоенных петель и практически пол-
ное отсутствие клеток в области свободных промежутков, заполненных жировой и соединительной тканью. Однако появились и новые аспекты, связанные с механо-
биологическими факторами или подвижностью и взаимодействием элементарных звеньев структуры относительно друг друга. Самую выраженную реакцию на ино-
родное тело в группе Esfil S нельзя было объяснить только избыточной материало-
емкостью или высокой концентрацией структурных элементов. Сетка являлась са-
мой легкой среди 4 имплантированных протезов. Несмотря на похожий рисунок при сравнении с Prolene, ее структура содержала меньшее количество петельных столбиков и обладала более крупными порами. Вероятнее всего, нарушение про-
цессов ранозаживления происходило за счет травматизации грануляционной ткани подвижными структурными звеньями, смещаемыми относительно друг друга, и не-
совпадающей с тканями упругостью нитей. Это предположение было подтвер-
ждено в следующей серии, где исследования были сфокусированы на сравнитель-
ные биомеханические взаимодействия структуры и тканей. Сетка Uniflex с анало-
гичной структурой Esfil S, но изготовленная из ПВДФ нитей обладала меньшей жесткостью на растяжение и изгиб. После имплантации она показала лучшую тка-
невую интеграцию, о чем свидетельствовал целый ряд признаков: общее состояние
167
животных, меньшая тяжесть осложнений, макрофагальный тип воспаления и обра-
зование выраженных слоев зрелой соединительной ткани. Очевидно, что все пре-
имущества были связаны с упругими характеристиками структуры или точнее с меньшей жесткостью на растяжение и изгиб, поэтому обратимые деформации сетки и тканей возникали в области близких нагрузок. Чтобы убедиться в том, что это предположение, верно, мы имплантировали еще и более жесткую конструкцию по отношению к одной из тех, что обследовали в группе стандартных протезов. В
группе переплетений атлас сетка Surgimesh имела структуру аналогичную
Premilene. У обеих сеток практически совпадали и поверхностная плотность, и все структурные показатели. Отличие заключалось в том, что ее структура подверга-
лась термопластической обработке под натяжением и фактически потеряла вязко-
эластические свойства. После имплантации жесткая структура Surgimesh способ-
ствовала возникновению гнойных осложнений и являлась причиной ухудшения об-
щего состояния животных. В жесткой структуре малоподвижные элементы были окружены неоднородной соединительной тканью с тенденцией к инкапсуляции и образованию гиалинового хряща. Все эти данные показали огромное значение упругих свойств протезов в процессе их интеграции в мышечно-фасциальные слои ПБС.
Механические нагрузки являются фундаментом для поддержания и регуля-
ции структуры и функции тканей. Важность механических нагрузок для восстанов-
ления костной ткани осознана достаточно давно и широко используется в травма-
тологии и ортопедии. В последнее время приходит понимание значения механиче-
ской стимуляции и для других тканей, таких как связка, сухожилие, скелетная мышца, межпозвоночный диск и мениск [448]. Значение механотрансдукции в кле-
точной сигнальной системе до сих пор не до конца понятно. Тем не менее, при ис-
следовании воздействия механической стимуляции на фибробласты было установ-
лено, что она оказывает воздействие на клеточную пролиферацию [449, 450], отло-
жение коллагена [451, 452], распределение клеток [453] и их ориентацию [454]. В
сухожилиях и связках животных после иммобилизации суставов было обнаружено изменение соотношения коллагенов, снижение уровня кросслинкинга, небольшая
168
потеря массы, снижение количества протеогликанов и гиалуроновой кислоты и снижение содержания воды [455]. При биомеханическом тестировании результаты этих изменений проявляются в снижении касательного модуля, площади попереч-
ного сечения и предела прочности [455]. Hannafin et al. сравнили в эксперименте in vitro неподвижное и циклически нагруженное сухожилие собаки. Клетки в непо-
движных пробах имели нарушенную морфологию и сниженное количество, более того, изменялась ориентация клеток и коллагена, что приводило к снижению мо-
дуля эластичности через 8 недель [456]. Взаимодействия фибробластов и матрикса контролируют форму и ориентацию клеток и напрямую регулируют функции кле-
ток, главным образом через интегриновые рецепторы, которые клетки используют для прикрепления и получения механической энергии от экстрацеллюлярного кол-
лагенового матрикса [457].
Механическая стимуляция также играет роль в сокращении раны. Клеточная субпопуляция будет дифференцироваться в миофибробласты когда в ране увели-
чится число фибробластов. Миофибробласты вырабатывают различные виды ци-
тоскелетных белков, таких как гладкомышечный актин – α (α-SMA), который иг-
рает важную роль в сокращении. Миофибробласты стимулируются к дифференци-
ации комбинацией TGF-β1 и ED-A фибронектина (ED-A FN). Оба этих фактора необходимы для индукции α-SMA экспрессии, но не достаточны для поддержания дифференциации фибробластов, если отсутствует механическая стимуляция [458].
Было выдвинуто предположение, что для тканей, обычно испытывающих растяже-
ние, таких как сухожилия, сокращение раны призвано восстановить физиологиче-
ское состояние натяжения. Однако выраженное сокращение может нарушить структуру ткани и привести к нежелательным последствиям. Сокращение раны у крысы проходит в три стадии [458]. С 1 по 6 день после образования раны проис-
ходит медленное ее сокращение, которое характеризуется повышением выработки
ED-A FN и, считается, что эта стадия не зависит от влияния фибробластов [459].
На следующем этапе происходит увеличение сокращения, которое сопровождается повышением выработки α-SMA. Эта фаза продолжается от 3 до 10 дней, но ее про-
169
должительность может увеличиться, если на область раны воздействует механиче-
ская нагрузка. Через 10 дней снижается экспрессия α-SMA и, соответственно, со-
кращение. Сокращение коррелирует с уровнем экспрессии α-SMA, повышаясь, ко-
гда грануляционная ткань подвергается более высокой степени растяжения [458].
В то же время считается, что растяжение в области раны предотвращает апоптоз миофибробластов [460], но как только нагрузка исчезает, апоптоз миофибробла-
стов появляется даже при добавлении в рану факторов роста [461]. Суммируя,
можно сказать, что механическая стимуляция является ключевым фактором для биомеханического качества коллагена и дифференциации миофибробластов в про-
цессе сокращения раны.
Внастоящее время целью протезирующей пластики является анатомическое
ифункциональное восстановление мышечно-фасциального комплекса ПБС, а не просто замещение грыжевого дефекта. Сепарационная техника выделяет мышцы и фасции с укреплением последних с помощью протеза. Эффективность метода была продемонстрирована De Silva и соавт. при сравнении с лапароскопической пласти-
кой без восстановления дефекта, когда авторы сопоставили качество жизни у двух групп пациентов и показали, что качество жизни значительно выше в группе про-
оперированных методом сепарационной техники [462]. Преимущества представ-
ленной техники связаны тем, что воссоздается механическая поддержка прямых мышц и восстанавливается взаимодействие 3 парных боковых мышц. В итоге про-
исходит согласованная работа всех мышечных групп и повышение их физических возможностей. Однако для реализации подхода полноценного функционального восстановления ПБС помимо хирургической техники существенная роль принад-
лежит структурным и механическим свойствам имплантируемого протеза. Мето-
дика функционального восстановления требует применения протеза в качестве скаффолда для окружающих мышц и формирующегося слоя соединительной ткани, у которого механические свойства приближены к фасциальным листкам.
При экспериментальном моделировании протезирующей пластики у крыс необхо-
димо было снизить жесткость структуры имплантируемой сетки. Как было пока-
170