Сравнительное исследование вязкоупругого поведения сеток для грыжи

RUSSIAN JOURNAL OF BIOMECHANICS

Сетки для пластики грыж широко используются для хирургического лечения данной патологии [1–4]. Механические свойства сеток сильно влияют на выполнение их основной функции: обеспечение механической поддержки брюшной стенки [5–8]. Механические свойства сеток должны точно соответствовать свойствам брюшной стенки для восстановления нормальной функции тканей [9–13].

Одним из важных механических параметров для сеток является высокая прочность на разрыв [14, 15].

Отсутствие нормативных стандартов и единого протокола испытаний приводит к разнообразию различных методов для исследования механических свойств. В большинстве опубликованных работ в качестве экспериментов проводятся лишь одноосные испытания на растяжение [16–18]. С другой стороны, брюшная стенка состоит из слоев мягких тканей, которые проявляют вязкоупругое поведение, поэтому хирургические сетки также должны обладать вязкоупругими свойствами при приложении постоянных напряжений [19, 20]. Вязкоупругое поведение материалов можно исследовать с помощью экспериментов на релаксацию напря-

0000-0002-4339-1414

Эта статья доступна в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International

License (CC BY-NC 4.0)

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0)

жений и ползучесть. Релаксацией напряжений называется процесс постепенного снижения напряжений при постоянном значении деформации [21]. При испытаниях на ползучесть к материалу прикладывается постоянная или циклическая нагрузка; при этом наблюдается медленная, зависящая от времени деформация.

При имплантации сеток в естественных условиях происходят процессы ползучести и релаксации, поэтому необходимо исследовать данные эффекты in vitro . Эксперименты по релаксации и ползучести сеток были проведены в работах [22-30]. Велаюдхан и соавт. [29], Ист и соавт. [25], Ванг и соавт. [30], Лю и соавт. [28] опубликовали результаты экспериментов по ползучести, а Асаеш и соавт. [22, 23], Гил и соавт. [26], Кирилова и соавт. [27], Донева и соавт. [24] - эксперименты по релаксации напряжений.

Велаудхан и соавт. [29], Ист и соавт. [25] оценили динамические свойства ползучести хирургических сетчатых протезов. Ванг и соавт. [30] сравнили поведение при ползучести поливинилиденфторида и полипропиленовых сеток, а Лю и соавт. [28] исследовали механические свойства заплаток для грыжи с полипропиленовой сеткой .

Гил и сооавт. [26] исследовали релаксацию напряжений в полипропиленовых хирургических сетках и обнаружили, что с увеличением уровня деформации релаксация напряжений происходит быстрее. Асаеш и соавт. [22, 23] рассмотрели влияние структуры ткани и уровня деформации на релаксацию напряжения полипропиленовой хирургической сетки. Был введен новый индекс для оценки релаксации напряжений. Результаты показали, что структура сетки оказывает значительное влияние на релаксацию напряжений. Более того, было замечено, что во всех структурах сеток увеличение уровня деформации при растяжении, время релаксации напряжений возрастает.

Кирилова и соавт. [27] представили вязкоупругие свойства некоторых сеток, используя эксперименты по релаксации напряжения, а Донева и соавт. [24] сравнили вязкоупругие свойства легких и тяжелых сеток.

Релаксация напряжений в сетках влияет на их долговечность и прочностные характеристики, исследование которых важно для усовершенствования и разработки новых конструкций сеток .

В литературе имеется мало сведений о вязкопластичном поведении коммерческих сеток для грыжи. Выбор сеток чаще всего основывается на эмпирическом опыте врачей, хотя выбор наилучшего вида сетки для конкретного пациента, основанный на результатах научных исследования будет иметь большую эффективность.

Основная идея данного исследования заключается в сравнении результатов экспериментов на релаксацию напряжений девяти видов коммерческих сеток, изготовленных из различных материалов разной плотности. Данные сетки используются в хирургической практике в Болгарии [31]. Они имеют различный хи- мический состав и структурные свойства. Полученные результаты могут быть использованы для усовершенствования конструкционных характеристик существующих хирургических сеток для пластики грыж.

Материалы и методы

Для исследования релаксации напряжений были выбраны девять трикотажных сеток. Выбранные образцы представляют собой наиболее часто имплантируемые в Болгарии сетки; кроме того, были исследованы сетки из различных полимерных материалов [31]. Основные физико-механические свойства этих сеток представлены в табл. 1.

Отношение массы к единице площади (г/м²) измерялось с помощью высокоточных электронных весов ( AJ 150, Mettler Instrument Corporation , Швейцария). Морфометрический анализ для измерения размера пор был проведен с помощью оптической микроскопии. Образец каждого сетчатого материала был сфотографирован с помощью цифровой камеры микроскопа. Толщина сетки измерялась в пяти различных точках с помощью электронного микрометра.

Существует множество классификаций сеток в зависимости: от размера пор, веса, типа материала, структуры волокон. В данной работе использовалась классификация Coda , по весу [7]. Были исследованы пять стандартных ( Mi-croVal 2 DMesh ( MV) , Parietex Composite Mesh ( PTC) , Surgimesh ( SM) , Surgipro ( SP ), TecnoMesh ( TM )) и четыре облегченных сетки ( Optilene ( OL ), Parietex Light-weight Mesh ( PTL ), Ultrapro ( UP ), Vypro II ( VP )). Поверхностная плотность стандартных сеток с небольшим размером пор составляет 71-140 г/м² (см. табл. 1). Поверхностная плотность облегченных сеток, изготовляемых из более тонких нитей с более крупными порами, составляет 35-70 г/м² (см. табл. 1).

Образцы сетки были вырезаны шириной 10 мм и длиной 70 мм в двух ортогональных направлениях -продольном (направление L ) и поперечном (направление T ). Для каждой марки было исследовано по пять образцов в каждом направлении, что позволило получить представление об анизотропии сетки.

Сетки были испытаны на модернизированной универсальной испытательной машине ( Fu 1000 e , Германия) с датчиком нагрузки 500 Н (разрешение 0,2 Н). Методика испытаний на релаксацию напряжений основывалась на результатах предыдущих испытаний на растяжение тех же сеток [32]. Каждый образец помещался в зажимы, которые располагались на расстоянии 40 мм друг от друга. Деформация образцов сеток составила 5 %; скорость удлинения 1,26 мм/с; комнатная температура. После этого расстояние между зажимами поддерживалось постоянным в течение 1800 с, поскольку предварительные испытания показали, что все сетки релаксируют примерно через 1800 с.

Регистрировались сила, смещение и время.

Таблица 1

Характеристики материала и волокна исследованных коммерческих сеток

Торговая марка (Производитель)	Тип волокна	Диаметр нити, мм	Толщина, мм	Максимальный размер пор, мм	Поверхностная плотность, г/м2
MicroVal 2D Mesh ( MICROVAL , Франция)	PP моноволокно	0,15	0,56	1,3	90
Parietex Composite Mesh ( Covidien , США)	PET /коллаген многослойное двухслойное волокно	0,002	1,90	2,4	78
Surgimesh ( Aspide Medical , Форанция)	PP моноволокно	0,14	0,60	0,8	85
Surgipro ( USSC , США)	PP моноволокно	0,15	0,57	0,9	87
TecnoMesh ( TecnoMedic GmbH , Германия)	PP моноволокно	0,20	0,60	0,9	90
Optilene ( B-Braun , Германия)	PP моноволокно	0,15	0,25	1,0	36
Parietex Lightweight Mesh ( Covidien , США)	PET моноволокно	0,08	0,35	1,5	46
Ultrapro ( Ethicon , Johnson&Johnson , США)	PP / PGC -25 моноволокно	0,09	0,50	3,5	54
Vypro II ( Ethicon , Johson&Johnson , США)	PP / PG 910 многослойное волокно	0,04	0,50	3,0	50

PP – полипропилен, PET – полиэтелентерефталат, PGC -25 – полиглекапрон 25, PG 910 – полиглактин 910.

Рис. 1. Релаксационная кривая

Значения силы и времени использовались для построения кривых «напряжение – время». Под «напряжением» здесь понимается отношение нагрузки к площади поперечного сечения образца в исходном ненагружен-ном состоянии. Из кривых были определены следующие механические параметры для каждой сетки: напряжение T 0 в 0 с, равновесное напряжение T eq в 1800 с (рис. 1), модуль упругости Е 0 при начальной

(       T            ^

деформации 5 % I £ ₀ = 0 , е = 5 % I и модуль упругости Is            )

„ Г   Tea К в равновесном состоянии Eeq I Eeq = — I. Также был введен параметр «уровень ортотропии» (LO), опреде ляемый как отношение напряжений в продольном и поперечном направлениях при t = 0 с LO = — . На

I      ^т ь )

рис. 1 представлена типичная релаксационная кривая.

Процесс релаксации характеризовался уменьшением напряжения во время релаксации, обозначаемым Δ T

T - T„ и определяемым как ЛT =----- -100 % . Параметр ЛT

T при деформации 5 % рассчитывался для каждых 200 с, и проводилось сравнение полученных кривых для каждой исследуемой сетки.

Релаксационные кривые всех сеток были аппроксимированы с помощью уравнения (1), представляющего собой экспоненциальную зависимость:

Рис. 2. Кривые релаксации напряжений хирургических сеток: a - в направлении L ; б - в направлении T

y ( x ) = у о + 4exp ( - x/t i ) , (1)

Среднее значение и стандартное отклонение для всех параметров у о , A 1 и 1 1 были определены и сгруппированы в соответствии с плотностью сеток в две подгруппы - стандартные сетки и облегченные сетки.

Статистический анализ был проведен для изучения возможных вариаций параметров, используемых при аппроксимации стандартных и облегченных сеток, а также для изучения возможных значительных вариаций механического поведения между продольным и поперечным направлениями в тестируемых группах. Сравнивались средние значения начального напряжения T 0 , равновесного напряжения T eq , модуля Е ₀, модуля E eq и уменьшения напряжения при релаксации Л T для обоих направлений в стандартных и облегченных сетках. Эта же процедура применялась для определения уровня ортотропии для двух сравниваемых групп. Все сравнения проводились с помощью онлайн-калькулятора Med Calc . Статистическая значимость определялась при p <  0,05.

Результаты

Процесс релаксации напряжений в сетке состоит из трех участков: быстрая область, переходная область и медленная область (см. рис. 1). Область быстрой релаксации напряжений была выделена для всех сеток, чтобы описать и понять среднюю разницу в процессе релаксации стандартных и облегченных сеток. Область быстрой релаксации напряжений для стандартных сеток длится 19,09 ± 9,28 с, в то время как для облегченных сеток эта же область длится 15,83 ± 8,11 с. Не существует статистически значимой разницы между двумя группами сеток (р = 0,638).

Результаты зависимости напряжения от времени для испытаний на релаксацию напряжения показаны на рис. 2 для всех сеток. Вначале релаксация очень быстро спадает, а затем выравнивается в устойчиво уменьшающийся отклик. В большинстве случаев к концу испытаний достигается практически стабильное значение.

Процесс релаксации напряжений в обеих группах различается. Среднее значение снижения напряжения в процессе релаксации Л T для стандартных сеток составляет 66,84 ± 23,98 %, а Л T для облегченных сеток - 51,48 ± 34,55 %. Разница не является статистически значимой (р = 0,46).

Было обнаружено снижение напряжения на 19100 % через полчаса (см. табл. 2). Есть четыре сетки, для которых напряжение падает до 0 МПа. Такое поведение наблюдалось для сеток MV (через 1400 с для направления L и 250 с для направления T) , PTC (через 150 с для направления T) , OL (через 180 с для направления L ) и UP (через 300 с для направления L ). Сетка MV показала наибольший процент релаксации напряжений в обоих направлениях для стандартных сеток -100 %. Сетка UP показала наибольший процент релаксации напряжений в обоих направлениях для облегченных сеток (100 % в направлении L против 71,4 % в направлении T ).

Результаты для легких сеток показали, что их начальные и равновесные напряжения выше, чем соответствующие напряжения стандартных сеток. Начальное напряжение T ₀ составляет 0,349 ± 0,31 МПа против 0,196 ± 0,137 МПа. Разница не является статистически значимой ( р = 0,35). Равновесное напряжение T eq облегченных сеток составляет 0,196 ± 0,204 МПа, в то время как напряжение стандартных сеток - 0,067 ± 0,067 МПа. Разница не является статистически значимой ( р = 0,22).

Начальный модуль упругости для облегченных сеток выше, чем начальный модуль упругости для стандартных сеток в обоих направлениях. E 0 для стандартных сеток в направлении L составляет 2,98 ± 1,34 МПа, а E ₀ для облегченных сеток в направлении L составляет 6,34 ± 3,61 МПа. E ₀ для стандартных сеток в направлении T составляет 4,88 ± 3,58 МПа, а E 0 для облегченных сеток в том же направлении - 7,63 ±

Таблица 2

Значения механических параметров исследуемых сеток

Сетка	T 0 , MПa	T eq , MПa	Δ T , %	E 0 , MПa	E eq , MПa
MV ( L направление)	0,238 ± 0,042	0 ( t = 1400 с)	100	4,76	0
MV ( T направление)	0,182 ± 0,028	0 ( t = 250 с)	100	3,64	0
PTC ( L направление)	0,064 ± 0,008	0,041	35,93	1,28	0,82
PTC ( T направление)	0,039 ± 0,013	0 ( t = 151 с)	100	0,78	0
SM ( L направление)	0,111 ± 0,050	0,059	46,85	2,22	1,18
SM ( T направление)	0,168 ± 0,040	0,082	51,19	3,36	1,64
SP ( L направление)	0,144 ± 0,029	0,058	59,72	2,88	1,16
SP ( T направление)	0,321 ± 0,120	0,128	60,12	6,42	2,56
TM ( L направление)	0,187 ± 0,060	0,080	57,22	3,74	1,6
TM ( T направление)	0,511 ± 0,040	0,218	57,33	10,22	4,36
OL ( L направление)	0,187 ± 0,149	0 ( t = 180 с)	100	3,74	0
OL ( T направление)	1,028 ± 1,270	0,542	47,28	20,56	10,84
PTL ( L направление)	0,429 ± 0,040	0,306	28,67	8,58	6,12
PTL ( T направление)	0,245 ± 0,020	0,184	24,90	4,9	3,68
UP ( L направление)	0,141 ± 0,016	0 ( t = 300 с)	100	2,82	0
UP ( T направление)	0,154 ± 0,003	0,044	71,43	3,08	0,88
VP ( L направление)	0,510 ± 0,240	0,412	19,22	10,2	8,24
VP ( T направление)	0,098 ± 0,030	0,078	20,41	1,96	1,56

а

Рис. 3. Уменьшение напряжения при релаксации при 5 % деформации: а – в направлении L ; б – в направлении T

б

8,71 МПа. Разница в подгруппах по направлениям не является статистически значимой (для направления L – p = 0,0927 и для направления T – p = 0,53).

Аналогичная тенденция наблюдается и для модуля упругости при равновесном состоянии E eq . Среднее значение E eq для стандартных сеток в направлении L составляет 0,952 ± 0,59 МПа, а среднее значение модуля E eq для легких сеток в направлении L составляет 3,59 ± 4,23 МПа. Среднее значение E eq для стандартных сеток в направлении T составляет 1,71 ± 1,84 МПа, а E eq для облегченных сеток в направлении T – 4,24 ± 4,56 МПа. Статистический анализ показал, что различия в подгруппах по направлениям не являются статистически значимыми (для направления L – p = 0,204 и для направления T – p = 0,28).

Все исследованные сетки продемонстрировали ортотропные механические свойства. Рассчитанный средний уровень ортотропии для стандартных сеток составляет 1,57 ± 0,92, а для облегченных сеток среднее значение LO составляет 1,84 ± 2,46. Эти значения статистически значимо не различаются (p = 0,83).

Применяя аппроксимацию экспоненциальной зависимостью первого порядка (1), были определены и сгруппированы средние значения и стандартное отклонение для параметров y 0 , A 1 и t 1 для двух типов сеток стандартной и облегченной. Выявлено, что нет статистически значимой разницы между значениями y 0 (0,065 ± 0,067 в сравнении с 0,218 ± 0,23, p = 0,064) и A 1 (0,094 ± 0,065 в сравнении с 0,181 ± 0,126, p = 0,087). Имеется статистически значимая разница между значениями и t 1 (226,01 ± 105,47 в сравнении с 88,01 ± 33,82, p = 0,0083).

Кривые релаксации для образцов, вырезанных в продольном и поперечном направлениях, приведены на рис. 3. Форма некоторых кривых, таких как OL и UP в направлении L и MV и PTC в направлении T, не соответствует типичной кривой релаксации напряжений.

Зависимость между Δ T и поверхностной плотностью сеток представлена на рис. 4. Редукция напряжений Δ T одинакова в обоих направлениях для MV , SM , SP , TM , VP и PTL , но слишком отличается для OL , PTC и UP (см. табл. 2).

Обсуждение

Исследование механических свойств сеток для герниопластики – шаг к улучшению результатов хирургических вмешательств, что послужило основной причиной проведения данного исследования. Насколько известно авторам, это первое исследование, в котором сравниваются параметры релаксации сеток в зависимости от типа материала.

Оценка релаксации напряжений в сетках основывалась на сравнении основных механических параметров – начального напряжения T 0 в начале процесса, равновесного напряжения T eq через 1800 с, модуля при начальной деформации 5 % Е 0 , модуля в равновесном состоянии E eq , уровня ортотропии сеток и параметра снижения напряжения Δ T . Произведено сравнение выбранных механических параметров в зависимости от плотности сетки и типа полимера, используемого для изготовления сеток.

Параметры облегченных сеток изменяются в более широких интервалах, чем у стандартных сеток, и имеют более высокие значения. Начальное напряжение для стандартных сеток изменяется в интервале 0,039– 0,511 МПа, а для облегченных сеток – в интервале 0,098–1,028 МПа. Равновесное напряжение T eq находится в диапазоне от 0 до 0,218 МПа для стандартных сеток, в то время как для облегченных сеток T eq находится в диапазоне от 0 до 0,542 МПа. Аналогичная тенденция наблюдается для модулей E 0 и E eq . E 0 для стандартных сеток находится в интервале 0,78–10,22 МПа, а для облегченных сеток – в интервале 1,96– 20,56 МПа. E eq для стандартных сеток находится в интервале 0–4,36 МПа, а для облегченных сеток – в интервале 0–10,84 МПа.

Уровень ортотропии стандартных сеток находится в интервале 0,61–2,74, а уровень ортотропии облегченных сеток – в интервале 0,19–5,49.

Исследуя гипотезу о наличии связи между Δ T и плотностью сеток, мы пришли к выводу, что для легких сеток Δ T уменьшается при увеличении плотности, в то время как для стандартных сеток наблюдается обратная тенденция (см. рис. 4). Разница между значениями Δ T для обоих направлений составляет около 0– 76 %. Асаеш и соавт. [25] в своем исследовании релаксационного поведения хирургических сеток отметили, что структура сетки оказывает значительное влияние на механические свойства. Наши результаты подтверждают этот вывод, так как параметр Δ T выше у сеток с более крупными порами.

• ■ L направление

• • Г направление

100-

------------'------------1------------'------------1------------'------------1------------1------------1------------>------------1------------'------------г

30     40     50     60     70     80     90

Поверхностная плотность, г/м 2

Рис. 4. Зависимость между Δ T и поверхностной плотностью хирургических сеток

Были исследованы пять полипропиленовых сеток ( MicroVal , Surgimesh , Surgipro , TechnoMesh и Optilene ), две PET -сетки ( Parietex Composite и Parietex Lightweight ) и две композитные сетки ( Ul-trapro и Vypro II). Сравнение подгрупп по материалу показало, что наибольшее значение начального напряжения T 0 и равновесного напряжения T eq имеет сетка OL в направлении T (из подгруппы PP ). Модуль упругости при начальной деформации 5 % Е 0 и модуль упругости при равновесном состоянии E eq также наиболее высоки для OL -сетки. Уровень ортотропии сеток составляет 5,49 для OL и 2,73 для TM . Параметры PP сеток изменяются в более широких интервалах, чем параметры композитных и PET -сеток. Параметр Δ T не зависит от направления нагружения для всех сеток подгрупп PP , кроме OL . Это наблюдение справедливо для PTL из подгруппы PET и Vypro II из композитной подгруппы.

Брюшная стенка в процессе жизнедеятельности испытывает различные нагрузки. Несоответствие между механическими свойствами сеток для герниопла-стики и слоев брюшной полости может привести к несовместимости деформаций в системе «ткань – сетка». В нашем предыдущем исследовании мы опубликовали данные о том, что Δ T для поперечной фасции ( FT ) составляет 38–40,5 %, а Δ T для пупочной фасции ( UF ) – 47–51,4 % [3]. Уровень ортотропии для FT составляет 2,11, для UF – 0,35 [3]. Можно сделать вывод, что Δ T для UF близко к значениям Surgimesh , Surgipro и TechnoMesh , а уровень ортотропии FT аналогичен значениям Surgipro и Vypro II. Если необходимо восстановить паховый канал, то нужна сетка, которая соответствует уровню LO и Δ T фасции, то выбор будет затруднен. Ни одна из исследованных сеток не отвечает вышеуказанным требованиям. Полученные результаты свидетельствуют, что необходимо работать над улучшением параметра Δ T для имплантируемых сеток.

Важно отметить, что данное исследование имеет некоторые ограничения. Одноосные испытания сеток были проведены для ограниченного количества образцов. Для получения более полных результатов необходимо увеличить количество образцов в обеих группах (или по крайней мере в группе PET и группе композитов).

Заключение

Хирургические сетки при герниопластике испытывают постоянные растягивающие нагрузки. Для успешного проведения оперативных вмешательств важно учитывать их релаксационное и вязкоупругое поведение.

Все параметры облегченных сеток изменяются в более широких интервалах, чем у стандартных сеток, и имеют более высокие значения. Среднее значение Δ T при релаксации для стандартных и облегченных сеток находится в интервале 51,48 ± 34,55 – 66,84 ± 23,98 %.