Физико-механические исследования трансплантатов для склеропластики в эксперименте

Булатов Р.Т., Гареев Е.М., Галимова В.У., Родионов О.В.

ФГУ «Всероссийский центр глазной и пластической хирургии Росздрава», г. Уфа

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСПЛАНТАТОВ ДЛЯ СКЛЕРОПЛАСТИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Изучены биомеханические свойства различных тканей, применяемых для склеропластики по поводу прогрессирующей миопии в норме. Изучены прочностные характеристики трансплантатов в процессе структурной перестройки при экспериментальной склеропластике, изучены особенности и различия примененных трансплантатов.

Актуальность

В последние годы отводится большое внимание изучению биомеханических свойств различных тканей не только в аспекте изучения особенностей патогенеза некоторых заболеваний, но и выяснения механизмов возможных путей воздействия для восстановления патологически измененных прочностных характеристик различных структур и тканей.

При склеропластике трансплантат выполняет роль каркаса, препятствующего дальнейшему удлинению глазного яблока, в основном, в передне-заднем направлении. Поэтому применяемый для данной цели трансплантат должен обладать адекватными упруго-деформативными свойствами. Следует учитывать биомеханические свойства формирующего регенерата. Часто используемым материалом для склеропласти-ки при прогрессирующей миопии является склера, видимо, не из-за биомеханических характеристик, а в силу ее геометрических форм и возможностью адаптации склерального бокала при ее трансплантации. Однако, по данным Е.Н. Иомдиной (2000), склера обладает, по сравнению с другими трансплантатами, минимальными прочностными характеристиками.

Цель исследования

Изучение биомеханических свойств различных трансплантататов в норме и в процессе структурной перестройки в эксперименте.

Материалы и методы

Физико-механические исследования тканей проведены на секционном материале 65 трупов людей обоего пола, погибших от травм в возрасте 18-50 лет.

У 30 кроликов мужского иола весом 3,54,0кг забирали различные ткани и исследовали с целью выявления нормальных уиру-го-деформативных иараметров различных трансилантатов.

Исследования динамики биомеханических свойств различных трансилантатов в ироцессе «замещения-перестройки» иро-водили на 280 кроликах мужского иола весом 3,5-4,0 кг. Всем кроликам ироводили ио одной методике склероиластику различными трансилантатами. Животных выводили из оиыта через 7, 14, 21, 30, 90, 180, 360 суток внутривенным введением фенобарбитала в дозе 100 мг/кг, затем ироизво-дили забор материала.

Для исследований изготавливали стандартного образца трансилантаты: их вырезали иресс-ножом стандартной конструкции. В данном случае были одинаковы длина и ширина трансилантатов, а их толщину ои-ределяли доиолнительно в каждом случае.

Физико-механические свойства различных тканей исиытывали на разрывной машине ZM-40 (Carl Zeiss, Германия) ири одноосном растяжении. Регистрировали иредельные значения нагрузки и удлинения трансиланта-та, ироводили графическую заиись диаграммы растяжения с целью иолучения зависимости «наиряжение-деформация», оиределяли иредел ирочности, иредельную иродольную деформацию и модуль уиругости Юнга.

С целью выяснения особенностей и различий иримененных трансилантатов ирово-дили статистическую обработку данных однофакторным и двухфакторным дисиерсион-ным анализам.

Результаты и обсуждение

Изучены различные ткани, имеющие иластинчатое строение, которые могли бы

быть применимы в качестве трансплантата для склеропластики при прогрессирующей и осложненной миопии. К критериям подбора трансплантатов для этих целей мы также отнесли моделируемость, биомеханические свойства и фиброархитектонику коллагеновых волокон: прежде всего, обращали внимание на плотное однонаправленное расположение пучков коллагеновых волокон в основном слое. К таковым структурам относятся сухожилия, сухожильно-фасциальные образования, фасции. А также наше внимание привлекла белочная оболочка яичка, которая ввиду своей сферичности (эллипсоидно-сти) и была бы идеальным трансплантатом для склеропластики и адекватно плотно прилегала к ложу глазного яблока.

Такими тканями явились:

1. Сухожильно-фасциальный комплекс, образованный сухожилием широчайшей мышцы спины (tendo m. latissimus dorsi) и поверхностным листком грудо-поясничной фасции (lamina superficialis fascia thoracolumbalis) -ТЛД;

2. Сухожилие подвздошно-реберной мышцы (tendo m. ileocostalis) - СМИК;

3. Белочная оболочка яичка (tunica albuginea testis) - ТАТ.

Сухожильно-фасциальный комплекс имеет пластинчатое строение с двухслойным плотным расположением соединительнотканных структур друг к другу под углом, примерно, 50-70о с прочной связью между слоями. Такое строение предрасполагает к хорошей шовной фиксации, плотному облеганию глазного яблока при его трансплантации и формированию плотного, прочного регенерата на поверхности склеры, который может играть фиксирующую роль, например, при склеропластике по поводу прогрессирующей миопии. Данный трансплантат имеет оптимальную толщину - 0,8-1,0мм, его полезная площадь составляет 120-180см2 (с обеих сторон два раза больше).

Физико-механические свойства данного сухожильно-фасциального комплекса у человека по линии сухожилия широчайшей мышцы спины характеризуются высокой предельной прочностью, которая составляет 22,78±12,02 мПа, и небольшой величи-

ной абсолютной продольной деформации - 0,06±0,02. Отсюда и вытекает высокий для биологических тканей модуль упругости Юнга - Е= 379±49,68 мПа. Несколько меньше прочностные свойства по одноосному растяжению по направлению волокон поверхностного листка грудопоясничной фасции: предел прочности - 22,32±11,06 мПа, относительное удлинение - 0,21±0,02 и высокие показатели модуля упругости Юнга - 106±24 мПа. В практике идеально различить эти направления на трансплантате не всегда удается, поэтому за норму приняты последние значения.

Сухожилие подвздошно-реберной мышцы имеет толщину 1,0-2,0 мм, имеет маленькую полезную площадь в 20-25см2 (с обеих сторон 50см2), волокнистые структуры расположены однонаправлено с рыхлой поперечной связью между ними, что затрудняет шовную фиксацию. Но следует отметить, при пересадке образуется плотный, прочный регенерат. Обладает высокими биомеханическими свойствами.

Белочной оболочке яичка характерны двухслойное расположение волокнистых структур с их ориентированием в одном направлении в слоях, но не совпадающим с предыдущими слоями, более рыхлое их расположение. Поэтому она обладает меньшими прочностными свойствами, чем сухожилия и фасции.

Для сообразности сравнений приводим прочностные характеристики склеры человека в меридиональном направлении

Таким образом, прочностные параметры сухожильно-фасциального комплекса и сухожилия превышают таковые склеры, разница статистически достоверна (р<0,001). Вышеприведенные данные показывают, какой «запас прочности» имеют сухожилия и сухожильно-фасциальные образования по сравнению со склерой. Прочностные характеристики белочной оболочки яичка аналогичны таковым склеры.

Представляет определенный интерес изучение закономерностей перестройки биомеханических свойств «трансплантата-регенерата» в различные сроки после операции в эксперименте.

Таблица 1. Биомеханические характеристики различных тканей человека.

Трансплантат Предел прочности = а

Сухожильнофасциальный комплекс 22,32±11,06 0,21±0,02 106,39±24,22

Сухожилие подвздошнореберной мышцы 15,35±4,03 0,22±0,02 69,76±12,23

Белочная оболочка яичка 7,82±0,79 0,23±0,02 34,04±2,68

Склера 7,71±0,69 0,23±0,01 33,55±2,54

Таблица 2. Биомеханические характеристики различных тканей кролика.

Трансплантат Предел прочности а

Сухожильнофасциальный комплекс 4.47i0.05 0.06i0.009 72.48i11.38

Сухожилие подвздошнореберной мышцы 2.83i0.06 0.21i0.008 13.89i0.96

Белочная оболочка яичка 0.87i0.04 0.33i0.02 2.69i0.26

Склера 0.71i0.02 0.48i0.02 1.46i0.08

Прежде, чем приступить к рассмотрению данного вопроса, следует остановиться на стартовых прочностных характеристиках вышеперечисленных трансплантатов у кролика (таблица 2).

Нами были проведены исследования пределов прочности (ПП), абсолютной продольной деформации (АПД) 4-х трансплантатов (ТЛД, СМИК, ТАТ и склеры) и расчет на их основании модуля упругости Юнга (МУП) до операции, через 7, 14, 30, 90, 180 и 360 суток после склеропластики. На каждом «временном срезе» проверяли по 20 образцов каждого трансплантата. Полученные результаты были подвергнуты двухфакторному дисперсионному анализу. Контролируемыми факторами в данном случае являлись сроки измерения (фактор времени) и тип трансплантата.

Исследование динамических пределов прочности (ПП) различных трансплантатов показало, что влияние обоих факторов и их сочетания достаточно велико, высокозначимо, но неравнозначно (рис. 1).

Так наибольшее влияние на ПП оказывал сам тип трансплантата ( п2=65%, F=166156, p<<0,00001). Как видно из рисунка, это проявлялось в резком различии уровней ПП ТЛД и СМИК, в сравнении с ТАТ и склерой, имеющем место даже на фоне резких колебаний ПП во времени.

В этом смысле трансплантаты образуют как бы две достаточно отчетливо различающиеся группы. Первую образуют ТЛД и СМИК, у которых, в целом, по всему периоду наблюдений ПП, в среднем, составляет о =2,87±1,33 мПа и о =2,23±0,59 мПа, соответственно. Вторую группу образуют ТАТ и склера, для которых эти показатели составляют о =0,64±0,24 мПа и о =0,51±0,20 мПа, соответственно. Хорошо заметно, что средние уровни ПП претерпевают изменения во времени (влияние «фактора времени» в целом для всех групп 21%, Р=27313, р<<0,00001), характер которых, однако, не отличается особым своеобразием для разных трансплантатов (сочетанное влияние типа трансплантата и «времени» - всего 14%, Б=5873, р<<0,00001). Как видно, средний уровень ПП для всех трансплантатов снижается уже через неделю после операции, достигая минимальных значений примерно к трем месяцам после нее и медленно возвращаясь к исходному уровню последующие 9 месяцев. Различие трансплантатов в этом отношении состоит лишь в интенсивности подобных изменений. При этом оказалось, что минимальной интенсивностью вариаций ПП обладает СМИК -различия максимальных и минимальных значений в 2,8 раза, а у ТЛД, ТАТ и склеры эта разница практически вдвое больше и примерно одинакова - примерно шестикратная. И

даже в период резкого снижения ПП в срок наблюдения, 90-е сутки, данный показатель для ТЛД и СМИК в 7 и 9 раз (0,77 и 0,99) превышают таковые склеры (0,11) в этот срок наблюдения и даже несколько превышают первоначальные значения ПП склеры.

Совершенно иная картина имела место при анализе абсолютной продольной деформации - є (АПД).

Как видно на рис. 2, у каждого из трансплантатов этот параметр испытывает волнообразные колебания, но лишь в пределах некоего характерного для него диапазона. В силу этого фактор типа трансплантата оказывал на АПД практически исчерпывающее влияние: п2=98%, Б=18926, р<<0,00001. Как следствие, влияние, в целом, фактора времени и сочетания обоих факторов, оказалось хотя и значимым, но практически ничтожным: п2=0,5%, Б=44, р<0,0001 и п2=0,8%, Б=24,7, р<0,0001, соответственно. При этом проверка однофакторным анализом показала, что колебания АПД для каждого трансплантата оказались высоко достоверными. Столь малое влияние фактора времени и отсутствие специфических особенностей его проявления, в целом, объясняются резкими различиями уровня этих вариаций АПД. Кроме того, следует отметить, что, как это хорошо видно даже из общего рисунка, фазы колебаний АПД для ТЛД и СМИК четко совпадают, а для ТАТ и склеры не синфазны ни друг другу, ни ТЛД и СМИК.

Следовательно, в контексте сравнения трансплантатов имеет смысл рассматривать только АПД, усредненные по всему периоду наблюдений, которые составили для ТЛД є = 0,09±0,02, для СМИК є =0,23±0,02, для ТАТ є =0,34±0,03 и для склеры є =0,47±0,02.

Рассмотрим теперь уровни и динамику модуля упругости Юнга=Е (МУП), выводимого, из двух рассмотренных выше параметров. Сразу отметим, что, хотя основным, доминирующим на общий уровень МУП фактором опять в этом случае оказался тип трансплантата (п2 =62%, Б=5226, р<<0,00001), очень рельефно проявилось влияние сочетания действия фактора трансплантата и времени

(п2 =24%, Б=335, р<<0,0001). Это указывает на реальную существующую специфику динамических изменений МУП у разных трансплантатов, в результате чего, в целом, по всему их комплексу влияние временного фактора оказалось несущественным (п2=6%, Б=517, р<<0,0001). Это хорошо заметно на рис. 3.

Действительно, наиболее высокий средний уровень МУП (Е=35,7±21,9 мПа) имеет ТЛД. Причем, именно у этого трансплантата МУП наиболее резко (с исходных Е=72,5± 11,3 мПа до Е=7,5±0,8 мПа, т. е. почти в 10 раз!) снижается к трем месяцам после операции, причем статистически значимо (р<0,00001) не «возвращается» к исходной величине в конце срока наблюдения (Е=59,6±4,4 мПа). Для СМИК средний уровень МУП троекратно ниже (Е=9,9±3,0 мПа) и снижается к 90-му дню после операции всего в 4 раза, а далее постепенно достигает практически исходного уровня: Е=13,7±0,96 мПа; Е=4,1±0,24 мПа и Е=13,2±0,38 мПа, соответственно. Что касается ТАТ и склеры, то в этом случае МУП, во-первых, наиболее низок (в среднем Е= 1,9±0,76 мПа и Е=1,1 ±0,44 мПа), а, во-вторых, падает к 90-му дню почти столь же резко, как в случае ТЛД (примерно в 7 и 6 раз) и практически восстанавливается к году после операции. Исходно и в эти сроки МУП составляет для ТАТ Е=2,6±0,26 мПа, Е=0,38±0,06 мПа и Е=2,21±0,11 мПа, а для склеры Е=1,46±0,07 мПа, Е=0,23±0,04 мПа и Е=1,42±0,05 мПа.

Заключение

Таким образом, проведенные физико-механические исследования показали, что биомеханические свойства трансплантатов зависят от особенностей фиброархитектоники коллагеновых волокон в их составе. Наибольшие показатели прочности и упругости характерны для ТЛД, несколько меньше для СМИК. А для трансплантата ТАТ характерны аналогичные для склеры прочностные показатели. В процессе «замещения-перестройки» даже на 90е сутки в момент «падения» этих показателей у трансплантатов ТЛД и СМИК в этот срок наблюдения превышают первоначальные их значения, характерные для трансплантата склеры.

Список использованной литературы:

1. Иомдина, Е.Н. Биомеханика склеральной оболочки глаза при миопии: Дисс. ... докт. биол. наук. - М.: - 2000. - 316.

Иллюстрации на стр. 190