диссертации / 73

Помочь в решении комплексных проблем может системный подход, который занимается взаимодействием сложных объектов с окружением. При системном подходе цель и её достижение являются главной задачей, требующей решения. По-

этому при рассмотрении объекта как системы изучают только те его свойства, ко-

торые необходимы для выполнения им предназначенных функций [473, 474]. Если исходно представить любой протез как систему, которая взаимодействует с другой системой - протезируемой ПБС, находясь внутри надсистемы – пациент (рис. 59),

то можно определить основные взаимодействия, влияющие на эффективность пла-

стики с учетом самого высокого госпитального уровня. При этом становится оче-

видной необходимость выделения, оценки и сопоставления ресурсов каждой из взаимодействующих систем. На госпитальном уровне – это техническая оснащен-

ность, уровень квалификации хирургов, возможность выбора протеза [55, 56]. На уровне пациента – это пол, возраст, вредные привычки, сопутствующая патология

[56, 475]. Со стороны ПБС – размер дефекта, его локализация, техническая возмож-

ность восстановления ПБС [476]. Только оценив эти ресурсы, хирург может вы-

брать оптимальную процедуру и наиболее подходящий протез.

Госпитальный

уровень

Пациент

Рис. 59. Иерархия взаимодействующих систем.

211

При этом, если в классификацию протезов на базовом уровне заложить прин-

цип конструкции и рассматривать ее как специализированную систему, то при дальнейшем иерархическом делении внутри каждого класса можно использовать небольшое число системных параметров, наиболее полно отражающих ресурсы именно этого типа протеза. Для синтеза таких параметров в каждом классе опреде-

ляется набор специальных тестов, результаты которых максимально отражают свойства, необходимые для выполнения протезом предназначенных функций и тех-

нологические ресурсы, связанные с типом конструкции протеза. Эффективность такого подхода была продемонстрирована Deeken et al. [470] на примере биологи-

ческих протезов. Кроме того, было показано, что если исходить из особенностей конструкции, то можно создать математические [477-480] и экспериментальные

[295, 433] модели, максимально воспроизводящие условия специфического взаи-

модействия для каждого класса протезов.

Протезирование ПБС направлено на ее анатомическое и функциональное восстановление. При этом необходимо учитывать, что передняя брюшная стенка является сложной анатомической структурой, в которой с позиции протезирования можно выделить 3 слоя. Наружный слой, состоящий из кожи и подкожно-жировой клетчатки, выполняет защитную функцию и активно участвует в кровоснабжении,

лимфоттоке, иннервации и гуморальной регуляции. Внутренний слой, представ-

ленный брюшиной и предбрюшинным жиром, обеспечивает подвижность ПБС и органов ЖКТ относительно друг друга, регулируя секрецию и абсорбцию интрапе-

ритонеальной жидкости. Организующей основой ПБС является мышечно-фасци-

альный комплекс с ламинарным строением, объединяющий 4 широких парных мышцы и 11 основных сухожильных образований. Эффективная передача мышеч-

ного усилия достигается благодаря высокой прочности и жесткости сухожильных листков и белой линии в поперечном и косопоперечном направлении. Растяжение передней брюшной стенки происходит за счет высокой эластичности фасциальных листков и белой линии в вертикальном направлении [481]. Помимо разнообразных двигательных функций мышечно-фасциальный слой играет важную роль актив-

ного механического барьера между внешней средой и органами брюшной полости,

212

поддерживающего и регулирующего ВБД. В зависимости от способа пластики мы-

шечно-фасциального дефекта – sublay, onlay, IPOM, протез может быть помещен в разные слои, что, соответственно, меняет не только тканевое окружение и условия его интеграции, но и функциональную задачу. Так как протез это не просто микро-

пористый, макропористый, композитный или биологический материл, помещен-

ный и находящийся в том или ином слое, а сложная конструкция, которая функци-

онирует и взаимодействует с определенным тканевым окружением в соответствии

сзаложенными в нее ресурсами.

Внашем исследовании мы попытались систематизировать самый многочис-

ленный класс сетчатых протезов, представленный, в основном, трикотажными кон-

струкциями. Используя трикотажный способ производства, создано множества конструкций сетчатых протезов, которые отличаются по структурным параметрам и механическим свойствам. Но при этом все трикотажные конструкции состоят из нитей, соединенных петельной структурой, которая имеет открытые макропоры,

обладает разной степенью анизотропии и на приложение нагрузки отвечает вязко-

эластической деформацией растяжения [482]. Именно эти свойства определяют их биосовместимость, которая, согласно определению Williams, является способно-

стью протезирующих устройств «выполнять предназначенные функции с заданной степенью инкорпорации в организм хозяина, не вызывая каких-либо нежелатель-

ных местных или системных реакций в организме» [152]. После пластики макро-

пористая структура сетчатого протеза заполняется коллагеновыми волокнами,

клетками и плотно срастается с окружающими тканями. Происходит армирование тканей, которое создает механическую поддержку мышечно-фасциального слоя. В

то же время, благодаря вязкоэластическим свойствам и анизотропии, трикотажная сетка сохраняет эластичность и обеспечивает передачу мышечных сокращений. В

процессе реализации мышечного сокращения протез, как и фасциальный листок,

не только передает это усилие, но и меняет свою форму. При этом для эффективной работы его способность противостоять нагрузкам должна отличаться в разных направлениях, а деформационные изменения носить обратимый характер.

213

Ранее было показано, что биосовместимость сетчатых протезов зависит от диаметра нити, размера пор, пористости, контактной поверхности и удельного веса

[483]. К сожалению, ни один из существующих структурных параметров не отра-

жает комплекса основных свойств протеза, влияющих на его функцию и интегра-

цию. В тоже время привлечение всего набора структурных параметров, дополнен-

ного механическими характеристиками, создает громоздкую схему, которая разде-

ляет структуру и функцию и не позволяет моделировать поведение протеза. Для решения проблем, связанных с выявлением структурно-функциональных взаимо-

связей, мы представили сетчатый протез в виде системы, состоящей из определен-

ного количества полимерных нитей, соединенных петельным способом в плоско-

сти материала. Исходя из этой модели, мы предположили, что объем полимера

(объем нитей), его распределение (трикотажная структура) и тип полимера, являясь ресурсами трикотажной конструкции в отношении выполнения заданной функции,

могут быть выделены в качестве основных компонентов, которые определяют весь набор структурно-механических свойств и влияют на процесс интеграции протеза в окружающие ткани.

Для оценки количества полимера был введен показатель распределенного объема и определены его диапазоны. Взяв за основу градацию Early and Mark [390],

мы перевели поверхностную плотность в единицы распределенного объема и раз-

делили исследуемые протезы на 5 категорий. Сравнение средних значений струк-

турных и механических показателей, выявило зависимость от распределенного объема полимера, как большинства структурных параметров, так и ряда механиче-

ских характеристик сетчатых протезов, изготовленных из разных полимерных ни-

тей. Снижение распределенного объема от категории к категории сопровождалось не только увеличением объемной и поверхностной пористости, уменьшением диа-

метра нити и контактной поверхности, но и достоверным снижением прочности и жесткости. То есть, протезы в каждой из 5 групп обладали не только близким объ-

емом полимера, но и целым набором близких структурных и механических харак-

теристик, влияющих на биоинтеграцию. Поэтому в ответ на имплантацию протезов из одной группы можно ожидать и сходную воспалительную реакцию со стороны

214

тканей хозяина и предполагать развитие однотипных осложнений, с учетом ранее полученных данных. Так, например, для категории тяжелых сеток существует бо-

лее высокий риск развития осложнений, связанных с выраженной реакцией на ино-

родное тело. При этом характерный воспалительный ответ возникает не только вследствие большего объема полимера, но и большего диаметра нити и, соответ-

ственно, большего диаметра гранулем, образующихся вокруг нитей [484]. Кроме того, низкая пористость у большинства сеток из этой категории может приводить к развитию феномена, описанного как “bridging” [35], а высокая жесткость к разви-

тию фиброза [222], хронических болей [200] и ограничению подвижности ПБС

[238]. В группе ультра легких сеток, наоборот, недостаточный объем полимера по-

вышает риск повреждения структуры и развития рецидивов [48-50]. Малый диа-

метр нитей в этой категории вызывает образование более тонких прослоек соеди-

нительной ткани, слабо укрепляющих протез. С нашей точки зрения, это подтвер-

ждают своими данными Klinge and Klosterhalfen, которые на основании гистологи-

ческого исследования образцов эксплантированных протезов и анализа причин не-

удачных пластик, предложили модифицированную классификацию хирургических сеток [216]. Из 1000 эксплантатов, отправленных в институт патологии Дюрена с

2000 по 2010 годы, 785 составили трикотажные сетки, представленные всего 8

брендами, которые авторы разделили на 2 класса – крупнопористые (текстильная пористость >60%) и мелкопористые (текстильная пористость <60%). Если исполь-

зовать показатель распределенного объема, то все эксплантированные сетки могут быть отнесены к 2-м крайним категориям, одна часть к категории тяжелых (Marlex, Prolene Old, Atrium, Surgipro), а другая – к категории ультралегких (Vypro, Ultrapro, Ti-mesh, Mersilene). Гистологический анализ по интенсивности воспаления и выра-

женности фиброза вокруг волокон сеток показал достоверную разницу между груп-

пами. Более того, в категории тяжелых сеток достоверно более частой причиной для удаления были инфекция и боль, а в категории ультралегких – рецидив.

Следует обратить внимание на то, что использование показателя распреде-

ленного объема вместо поверхностной плотности делает более корректным срав-

215

нение как структурных, так и механических показателей протезов из разных поли-

мерных нитей. Пределы прочности 4-х основных полимеров перекрываются в об-

ласти 40 – 60 МПА. Это означает, что прочностные характеристики сеток из тяже-

лых полимеров (ПВДФ и ПТФЕ) могут быть значительно ниже, чем у ПП сеток с такой же поверхностной плотностью. Так, сетка Infinit, которая по удельному весу всеми исследователями относилась к категории средневесных, по распределенному объему попадает в категорию ультралегких, что объясняет ее малую толщину, тон-

кие нити, а также недостаточную прочность, выявленную в различных механиче-

ских тестах [296].

Однако показатель распределенного объема, связывающий между собой практически все структурные параметры и коррелирующий с показателями проч-

ности, не отражает целый ряд важных механических свойств. К этим свойствам можно отнести разную растяжимость протезов под нагрузкой, называемую меха-

нической анизотропией. В обзоре [53], посвященном замещению несущих нагрузку мягких тканей, авторы обратили особое внимание на то, что простое сопоставле-

ние, например, прочности или модуля материала и протезируемой ткани, без учета анизотропного ответа последней, может приводить к неэффективной работе им-

плантата. Определенный уровень прочности и жесткости в двух взаимно перпен-

дикулярных направлениях позволяет протезу противостоять асимметричным нагрузкам и обратимо деформироваться после их прекращения. Если деформаци-

онные свойства протеза и ткани не совпадают, то возникающий на границе имплан-

тата и тканей хозяина shear stress приводит к нарушению процессов интеграции,

что может проявиться в виде патологического фиброза или, наоборот, атрофиче-

ских изменений окружающих тканей [463]. Известно, что при формировании экстрацеллюлярного матрикса на клеточный биосинтез влияют как химические,

так и механические факторы [485-487]. В 9 серии нашего исследования при пла-

стике экспериментального грыжевого дефекта в межфасциальном пространстве мы располагали одну и ту же анизотропную сетку петельными столбиками вдоль и по-

перек средней линии. Это привело к различным механобиологическим взаимодей-

ствиям, определившим не только деформационные изменения самого протеза, но и

216

качество образовавшейся вокруг него соединительной ткани. Совмещение механи-

ческих свойств сетки и переднего листка обеспечило высокую прочность протези-

рованной передней брюшной стенки и одновременно сохранило ее эластичность.

Зрелая соединительная ткань, сформировавшаяся вокруг протеза, была плотно свя-

зана с наружным листком и практически не отличалась от него по составу и направ-

лению коллагеновых волокон. Инвертированное расположение сетки привело не только к нарушению биомеханики протезированной ПБС и деформационным из-

менения имплантатов, но и к отграничению переднего листка от протеза слоем жи-

ровой ткани и его гипотрофии.

Известно, что механическая анизотропия связана со структурой материала

[53]. Все исследуемые нами протезы были основовязаными. Этот тип трикотажа обладает целым рядом преимуществ по сравнению с поперечновязаным, так как в меньшей степени подвержен распусканию, осыпаемости и скручиванию, а по от-

ношению к тканям более эластичен и устойчив к сдвигу нитей при перпендикуляр-

ных или угловых нагрузках [482]. Большинство хирургических сеток создано с ис-

пользованием этой технологии. В отличие от других текстильных материалов у ос-

нововязаного трикотажа механические свойства являются сложной функцией структуры [426]. Было показано, что даже в рамках одного вида трикотажного пе-

реплетения образцы могут иметь разные механические характеристики. На ком-

плекс механических свойств влияет любое изменение ориентации элементов, раз-

мера петель, типа петель (закрытые, открытые или их комбинация) и расстояния между петельными столбиками [426]. В нашем исследовании, разделив протезы в соответствии с типом трикотажного переплетения, мы показали, что деформацион-

ные свойства протезов также зависят от термопластической обработки, специаль-

ных приемов обработки нити (Marlex), направления и характера прохождения уточ-

ной нити. И если для тканей и поперечновязаного трикотажа существует прямая зависимость между количеством структурных элементов и механическими свой-

ствами [435], то в отношении основовязаных трикотажных сеток нам, как и другим исследователям [488], такой зависимости установить не удалось. У полотен осно-

217

вовязаного трикотажа невозможно с помощью стандартных структурно-техноло-

гических параметров (количество столбиков, рядов, петель в столбиках и рядах)

прогнозировать деформационное поведение под нагрузкой.

В большинстве случаев трикотаж обладает меньшей растяжимостью вдоль петельных столбиков, но некоторые технологические приемы приводят к инверсии направлений наибольшей и наименьшей деформации. Так, в нашем исследовании было показано, что 8 из 21 протеза с выраженной анизотропией обладали более высокой растяжимостью вдоль петельных столбиков. В этих случаях анизотропия создает определенные проблемы при сопоставлении механических показателей униаксиальных тестов, если группирование и сравнение данных производится в со-

ответствии с технологическими направлениями [216]. Использование структурных ориентиров для объединения результатов механических тестов при статистической обработке приводит к большому разбросу значений, в связи с чем, их дальнейшая интерпретация является крайне затруднительной. Поэтому, проведя тесты на рас-

тяжение вдоль и поперек петельных столбиков, при сравнении механических пара-

метров мы ориентировалась на эти же два направления, но определяли их как направления максимального и минимального модуля эластичности. Это решение явилось ключом к объединению трикотажных конструкций в соответствии с их де-

формационными свойствами. Введение коэффициента анизотропии, как соотноше-

ния минимального и максимального модулей эластичности, предоставило возмож-

ность перевести структурную анизотропию в механическую и дать количествен-

ную оценку ее выраженности. В результате мы смогли выделить 3 степени анизо-

тропии, которые охарактеризовали возможные варианты деформационного пове-

дения протезов. При этом категория и тип полимера, соотнесенные со степенью анизотропии, позволили оценивать жесткость и прочность протезов в перпендику-

лярных направлениях.

Распределение протезов в зависимости от степени анизотропии не только объединило их в группы с близкими деформационными свойствами, но и выявило протезы, для которых, вне зависимости от принадлежности к категории, можно предположить развитие сходных осложнений. Так, для всех сильно анизотропных

218

протезов повышается риск повреждения структуры в случае их расположения без учета направления действующих нагрузок, поскольку у этих протезов существует выраженная неравномерность распределения полимера, что приводит к непропор-

циональному снижению жесткости и прочности в одном из направлений. При им-

плантации таких протезов наобум может возникать ситуация, когда с одной сто-

роны несовпадение механических свойств протеза и фасций препятствует образо-

ванию полноценной соединительной ткани и интеграции протеза, а с другой, по-

стоянно действующие в направлении меньшего объема полимера нагрузки, вызы-

вают повреждения полимерных волокон, вплоть до разрывов сетки. Эта ситуация описана для Ultrapro [50]. Не исключено, что таков же и механизм появления цен-

тральных разрывов, описанных для тяжелой и сильно анизотропной сетки Marlex [176].

Кроме того, разделение протезов по степени анизотропии на 3 группы может иметь и практическое значение для выбора протеза в процессе сопоставления с ме-

ханическими свойствами протезируемых структур. Так как было показано, что ме-

ханические свойства фасций зависят от локализации [42], возраста и пола [41]. Де-

ление на 3 степени анизотропии дает возможность для более точного математиче-

ского моделирования механического взаимодействия, что было продемонстриро-

вано Hernández-Gascón et al. [477].

В качестве третьего системного параметра мы рассматривали тип нерезорби-

руемого полимера. Объединение протезов в категориях с близкими деформацион-

ными характеристиками позволило выявить влияние полимера на эластические по-

казатели. К сожалению, не во всех группах мы имели сетки из 3-х исследуемых полимеров, но даже небольшого набора оказалось достаточно, чтобы показать, что

PVDF повышает эластичность сетки, а PET, наоборот, увеличивает ее жесткость при сравнении с PP аналогами. Отличия модулей эластичности у протезов можно объяснить разной упругостью нитей на изгиб [151]. Нити, изогнутые в петли, при начальном растяжении работают исключительно на распрямление и изгиб, опреде-

ляя жесткость конструкции. Мы также полагаем, что именно с эластическими свой-

ствами связана лучшая интеграция PVDF протезов в мышечно-фасциальные ткани

219

[432]. Используемые полимеры химически инертны, а биологические реакции, про-

исходящие виде адсорбции на их поверхности белков, однотипны [126], поэтому тип полимера может повлиять, преимущественно, на механические взаимоотноше-

ния протеза и тканей при малых и умеренных мышечных нагрузках.

В наших исследованиях сетчатые конструкции были представлены только монофиламентными протезами, но хирургические сетки могут быть изготовлены с использованием как моно-, так и мультифиламентных нитей. Сетки из монофила-

ментных нитей обладают заметной жесткостью при сравнении с мультифиламент-

ными. Однако мультифиламентные сетки имеют более высокую площадь контакт-

ной поверхности [483], которая, как было показано в исследованиях in vitro, спо-

собствует персистенции бактерий на поверхности имплантата, что может привести к развитию инфекционных осложнений [263]. В клинических и экспериментальных исследованиях был выявлен более выраженный острый воспалительный ответ на мультифиламентные протезы [266], но в отдаленные сроки больше лейкоцитов и более крупные гигантские клетки были обнаружены в группе монофиламентных сеток [267]. Сегодня становится понятно, что тканевой ответ частично управляется разницей в механической жёсткости между имплантатом и окружающими тканями

[423], но в настоящий момент нет исследований, в которых было бы изучено влия-

ние структуры нити на функциональные свойства сетчатых протезов. Выделить эффект нити из комплекса факторов, влияющих на общую реакцию и механические взаимодействия достаточно сложно. С нашей точки зрения, это можно сделать только при сравнении протезов, относящихся к одной категории, обладающих оди-

наковой степенью анизотропии и изготовленных из одного полимера.

Итогом наших исследований стала строго организованная классификацион-

ная схема, основанная на иерархии 3-х системных параметров, которая допускает внесение изменений внутри каждого уровня и введение дополнительных класси-

фицирующих признаков, характеризующих строение нити (рис. 60).

220