Способ улучшения функциональных свойств сетчатых имплантов для пластики грыжевых дефектов
METHOD FOR IMPROVING THE FUNCTIONAL PROPERTIES OF MESH IMPLANTS FOR HERNIAL PLASTY

Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии, может быть использовано при операциях на грыжах с применением сетчатых имплантов.
Аналоги
Ежегодно в мире выполняется более 20 миллионов операций по грыжесечению, что составляет 10-15% от всех оперативных вмешательств (Адамян А.А., 2003; Жебровский В.В. и др., 2004; Егиев В.Н., 2006; Schumpelick V. et al., 1999) В России пластика брюшной стенки по поводу грыжевых дефектов проводится примерно у 180 тысяч больных, в Германии - у 280 тысяч, в США - более чем у 500 тысяч (Федоров В.Д. и др., 2000; Klinge U., 2002; Peiper С. et al., 2006) Существует большое количество методик операций при грыжах, большинство которых представляет пластику собственными тканями. Однако при этих методах пластики частота рецидивов колеблется от 10-15% до 40% (Cornell R.B. et al., 1994) (Anthony Т. et al., 2000; Berger D. et al., 2002; Macintyre I.М., 2003)
В связи с этим для пластики послеоперационных грыжевых дефектов все чаще используются синтетические импланты. В отличие от традиционных способов пластики эта методика позволяет избежать натяжения тканей и значительно снизить число не только ранних, но и поздних послеоперационных осложнений и рецидивов (Белоконев В.И. и др.. 2003; Соловьев Н.А. и др. 2004; Сурков Н.А., 2007; Burger J.W.A. et al., 2004)
Ежегодно в мире производится около 1 миллиона имплантаций сетчатых протезов.
Критика аналогов
Использование имплантов из полипропиленовой сетки Marlex впервые было предложено Ф. Ашер в 1958 году (Usher FC, е.а., 1958). Хотя он произвел революцию в этой области, использование сетчатых имплантов приводили и приводят различного рода послеоперационным осложнениям, таким как, хроническая боль, эрозия раны, миграция и сморщивание сетки, образование грубой не рассасывающей фиброзной ткани, сдавливающей расположенные рядом анатомические структуры, отторжение сетки и др. (Poppas D.P. е.а., 2016).
Основные типы протезов для герниопластики из ПТФЭ и ПП, как указывают Р.А. Мамедов (2013) и Е.С. Мишина с соавт. (2015), имеют определенные недостатки: тефлон, по их мнению, слабо фиксируется к тканям, что приводит к смещению протеза и рецидиву заболевания. Полипропилен вызывает формирование грубой соединительно-тканной капсулы, сморщивающей герниопротез.
Кроме того, в последние годы выяснилось, что применение синтетических материалов для герниопластики привело к появлению новых видов осложнений, ранее при данных операциях не развивавшихся. Это такие осложнения, как миграция синтетического импланта в брюшную полость, спаечная кишечная непроходимость в результате адгезии кишки и сетки, образование свищей в результате пролежня стенки кишки и эндопротеза и образование сером в области расположения импланта (Боровский О.О., 2013; Мамедов Р.А. 2013; Мишина и соавт., 2015). Наличие такого многообразия разновидностей эндопротезов объясняется тем, что ни один из предложенных до настоящего времени сетчатых имплантов не отвечает требованиям «идеальной сетки».
Поэтому остается актуальной проблема поиска пластического материала, отвечающего требованиям идеального герниопротеза, то есть имеющего не только высокую прочность, но и максимальную гистосовместимость (Боровский О.О., 2013; Мишина Е.С, 2015).
Прототип
2
2
В качестве прототипа предлагаемого способа приводится эндопроез-сетка TiO Mesh (Biocer, Байройт, Германия). TiOMesh ™ - хирургический сетчатый имплант, специально предназначенный для восстановления дефектов мягких тканей брюшной стенки, где требуется нерассасывающийся поддерживающий материал (фиг. 1). Соответствующие области применения включают лечение паховых и послеоперационных грыж во всех распространенных хирургических процедурах и даже при IPOM. Федеральный закон (США) разрешает продажу этого устройства только врачам или по их указанию.
2
Эндопротез-сетка TiOMesh™ изготовлен из моноволоконной полипропиленовой нити и имеет крупнопористую структуру с голубыми ориентировочными полосами. Отдельные волокна сетчатых имплантов полностью покрыты поверхностным покрытием из оксида титана.
2
TiOMesh сетка - это сетчатый имплант, где полипропиленовые нити покрыты несколькими слоями оксида титана с использованием, так называемой, технологии PACVD (химическое осаждение из паровой фазы).
Технология PACVD (или CVD) заключается в следующем: все прекурсоры подаются в реактор одновременно и реакция протекает над подложкой, а образовавшаяся пленка затем осаждается на подложке. Поэтому контролировать толщину целевой пленки в случае PACVD или CVD практически невозможно. Из-за неравномерного распределения массы прекурсоров по всему объему камеры над подложкой, распределение концентрации продуктов реакций по всему объему реактора неравномерное, следовательно, нанопленки, полученные на основе PACVD или CVD, неравномерные и неоднородные, нет конформности. Таким образом, в PACVD или CVD-процессах истощение прекурсоров ограничивает равномерное покрытие на больших площадях поверхности подложки. Процессы нанесения пленок из паровой фазы на основе (CVD), включая плазменное воздействие (PACVD) на поверхность при атмосферном давлении, часто страдают от неоднородной модификации поверхности из-за ограничения прямолинейности нанесения и доставки прекурсоров.
В плазменном PACVD- процессе (процесс, активизирующий плазмой, как правило, микроволновая плазма) электрический разряд в газе, при давления <100 Па, используется для ускорения кинетики CVD реакции за счет дополнительной энергии активации молекул прекурсоров. Это может снизить температуру реакции на несколько сот градусов (обычный CVD проводится при температурах выще 600°С), но при этом скорость нанесения покрытия резко уменьшается.
2
В случае PACVD или CVD, по технологии которой изготовлена TiO Mesh сетка (Biocer, Байройт, Германия), принятой за прототип, все прекурсоры подаются в реактор одновременно, и реакция протекает над сеткой, а образовавшаяся пленка затем осаждается на грыжевую сетку. Поэтому контролировать толщину целевой пленки в случае PACVD или CVD практически невозможно из-за неравномерного распределения концентраций прекурсоров по всему объему камеры над сеткой, следовательно, нанопленки, полученные на основе PACVD или CVD из оксида титана неравномерные, неоднородные, нет конформности и не обладают бактерицидными свойствами, как нанопленка из оксидов титана/ванадия.
Критика прототипа:
1. Покрытие не конформное (конформность менее 70%, т.е. ступенчатое покрытие с участками, лишенными покрытия; на поверхности пленки появляются аэрозольные частицы - состав пленки неоднородный).
2. Покрытие неравномерное (равномерность можно достичь только в небольших участках, локально), из-за чего появляются зазоры между частицами и со сплошной частью пленки, что сильно влияет на характеристики покрытия и на его свойства (ухудшается адгезия к подложке и, соответственно, барьерные свойства самой сетки).
3. Процесс неконтролируемый, поэтому толщина пленки неравномерная.
4. Температурная широта низкая, а использование высоких температур повреждает полипропиленовые нити, из которых связана сетка.
5. Процесс производится только созданием высокого вакуума.
6. Оксид титана хуже адгезируется с полипропиленой сеткой, нежели, с покрытой предварительно оксидом алюминия (толщиной 10 нм), как в предлагаемому нами способу.
7. Нанопленка из оксида титана, использованная в прототипе, не обладает бактерицидными свойствами.
Цель предлагаемого способа
Целью предлагаемого способа является обеспечение имплантов: устойчивостью к инфекции и сращениям, хорошо фиксироваться, быть биосовместимыми, достаточно прочными и без глубокого рубцевания и грубого инкапсулирования.
Поставленная цель реализуется следующим образом: предварительным нанесением на имплант, представляющий собой грыжевую эндопротез-сетку, подложки из оксида алюминия толщиной 10 им, а затем нанопленки из оксидов титана/ванадия, используя технологию АСО (атомно-слоевое осаждение). Технология АСО (атомно-слоевое осаждение) заключается в том, что один из прекурсоров подвергается воздействию паров предыдущего прекурсора, который образует монослой на поверхности подложки. После удаления избытка предшествующего прекурсора из паровой фазы с помощью продувочного газа (например, аргона, Ar), газ-реагент реагирует с адсорбированным слоем предшествующего прекурсора, формируя слой целевого пленкообразующего материала, т.е., прекурсоры подаются последовательно и по очередности, а реакция протекает непосредственно на поверхности подложки.
2
Сущность предлагаемого способа Сущность предлагаемого способа иллюстрирована на фиг. 1, на котором показаны сетчатые имплантаты TiOMesh, На фиг. 2 показан эндопротез-сетка «Эсфил» стандартный, использованная нами в эксперименте, производимая ООО «Линтекс», Санкт-Петербург.
На фиг. 3 показан рост культур через 48 часов на среде Эндо. Слева направо: сплошной рост - сетка не обработана, рост по периметру сетки - сетка с покрытием из оксида титана, рост только в уголке сетки - сетка с покрытием из оксидов титана/ванадия.
На фиг. 4 показана спайка слева в проекции сетки без покрытия через 5 недель после вживления импланта.
На фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8 показана окраска гематоксилином и эозином. На фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 8 показано использование объектива x10, на фиг. 7 показано использование объектива x40.
На фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 показана окраска гематоксилином и эозином. На фиг. 9, фиг. 10 и фиг. 12 показано использование объектива x10. На фиг. 11 показано использование объектива x40.
По предлагаемому способу целевая пленка наращивается слой за слоем на подложке, что позволяет проконтролировать толщину образующейся нанопленки из оксидов титана/ванадия на полипропиленовой эндопротез-сетке «Эсфил» стандартный, производства С-Петербургского ООО «Линтекс», Эндопротез-сетка «Эсфил» стандартный, использованная нами в эксперименте, производимая ООО «Линтекс», Санкт-Петербург (фиг 2).
Пленка толщиной 18 нм, нанесенная послойно: один слой оксида титана, на него наносится слой оксида ванадия, и так, повторяя слой за слоем 150 циклов - оксида титана (75 циклов) и оксида ванадия (75 циклов). Для создания нужной толщины пленки прослеживается только число повторения циклов, используемых в процессе.
Нанесение нанопленок на поверхности используемых эндопротезов на основе предлагаемой нами технологии АСО проводится при значительно меньших температурах (85°С и даже при температуре 80°С), чем по технологии PACVD или CVD,. Это является существенным отличием предлагаемого способа от прототипа, так как при этом появляется возможность нанесения покрытия на более термочувствительные материалы такие как, часто используемые в герниопластике, в том числе полипропиленовые или же политетрафторэтиленовые сетки.
Сопоставительный анализ признаков прототипа и предлагаемого в качестве изобретения способа
- При предлагаемой нами АСО технологии никакой газофазной реакции над подложкой, как в случае PACVD или CVD, не происходит.
- По предлагаемому способу используют АСО технологию нанесения нанопленки контролируемой толщины (с точностью до 1 ангстрема), достижения равномерности и чистоты покрытия. АСО технология, используемая по предлагаемому способу, позволяет нанесение нанопленки при низких температурах и при необходимости использование высоких температур для нанесении пленки на изделия из тугоплавкого материала, что позволяет осуществить технологию нанесения покрытия на такие термочувствительные материалы, как полипропиленовые и другие сетчатые эндопротезы, используемые в герниопластике.
- По прототипу используют PACVD, при котором невозможно достичь чистоты и равномерности пленки (встречаются дефекты покрытия), а также контролировать толщину покрытия. По прототипу (по технологии PACVD или CVD) невозможно нанести покрытие на термочувствительные материалы, так как требуется использование высоких температур, при которых полипропиленовые и политетрафторэтиленовые сетки частично повреждаются.
- По прототипу технология требует создания высокого вакуума в камере установки для протекания реакции, а по предлагаемому способу - достаточно среднего вакуума, что упрощает технологический процесс.
- По предлагаемому способу конформность покрытия 100% и точно контролируется состав покрытия, а по прототипу комформность пленки менее 70% и состав пленки не контролируется.
- По прототипу покрытие наносится непосредственно на сетку, а по предлагаемому способу сначала создается подложка из оксида алюминия (толщиной 10 нм), которая наносится на эндопротез-сетку, а затем на эту подложку наносится основное покрытие, что позволяет прочно закрепить нанопленку на эндопротез-сетке с подложкой.
- По прототипу на грыжевые полипропиленовые сетки наносится пленка из оксида титана, улучшающая, согласно рекламе производителя, биосовместимые свойства и прочность импланта, но не проявляющая бактерицидные свойства.
- По предлагаемому способу наносится нанопленка из оксидов титана/ванадия на грыжевые эндопротез-сетки, которая проявляет, помимо бактерицидности, достаточную прочность и хорошую биосовместимость.
Примеры конкретного выполнения способа
Выписка из лабораторного журнала ФГУЗ «Дагестанская противочумная станция» Роспотребнадзора
Был поставлен опыт по установлению бактерицидных свойств пленки из оксидов титана/ванадия с использованием питательных сред (среда Эндо, кровяной агар и желточно-солевой агар) в лаборатории ФГУЗ «Дагестанская противочумная станция» Роспотребнадзора.
Три полоски эндопротез-сетки «Эсфил» с одинаковой площадью, но разных геометрических форм: без нанесения пленки (квадратной формы), с пленкой из оксида титана, как в прототипе (прямоугольной формы) и с предлагаемой нами нанопленкой из оксидов титана/ванадия, нанесенных по технологии АСО (треугольной формы), стерилизовали в 70 градусном спирте, опоснули в дистилированной воде, затем опустив в суточную культуру лабораторных штаммов золотистого стафилококка и вульгарного протея (с титром 1000 микробных тел/мл) поместили на вышеперечисленные питательные среды при температуре 37 градусов по Цельсию. Следили за ростом культур на питательных средах через 24 и 48 часов.
Вокруг сетки без нанесения пленки определялся сплошной рост культуры, сетки с покрытием из оксида титана отмечался рост культуры по периметру сетки, а вокруг сетки с покрытием из оксидов титана/ванадия никакого роста не было, за исключением одной колонии в области уголка сетки треугольной формы. Рост культур через 48 часов на среде Эндо. Слева направо: 1) сплошной рост - сетка не обработана, 2) рост по периметру сетки - сетка с покрытием из оксида титана, 3) рост только в уголке сетки - сетка с покрытием из оксидов титана/ванадия показан на фиг. 3.
Проведенный опыт показывает, что нанопленка из оксидов титана/ванадия проявляет бактерицидные (или бактериостатические) свойства, как минимум в отношении золотистого стафилококка и вульгарного протея.
Выписка из лабораторного журнала кафедры нормальной физиологии ДГМУ
Для сравнительного изучения биосовместимых, барьерных и функциональных свойств полипропиленовых грыжевых имплантов с нанопокрытием из оксидов титана/ванадия, нами проведен эксперимент на 5 кроликах-самцах 4-х месячного возраста, массой 2,5-3 кг. В левую часть брюшной стенки мы имплантировали контрольные эндопротез-сетки «Эсфил» стандартный без покрытия (контроль), а правую часть - такие же сетки, но с покрытием из оксидов титана/ванадия на подложке из оксида алюминия, нанесенных на сетки по технологии АСО. Операции по имплантации сеток проведены в экспериментальной лаборатории кафедры нормальной физиологии ДГМУ под наркозом (0,5 мл ксиланита + 0,4 мл золетила в/м, по ходу эксперимента дважды добавлено в/м по 0,2 мл золетила).
После стерилизации кожи проведен разрез длиной 5 см по белой линии живота. В обе стороны от линии разреза созданы ложа для сеток размерами 2,5×3 см между поперечной и внутренней косой мышцами живота, предварительно отсепарировав заднюю стенку влагалища прямой мышцы живота. Сетки фиксировали рассасывающими нитями в двух диаметральных углах. Затем отсепарированные фасции фиксировали и рану сшивали 4-мя швами. Через 5 недель, повторно введя кроликов в наркотический сон, визуально исследовали окружающие сетку ткани и состояние передней брюшной стенки. У 3-х кроликов из пяти слева, где была установлена контрольная сетка (сетка, непокрытая нанопленкой), отмечалась спайка петли тонкой кишки к передней брюшной стенке в проекции сетки, Спайка слева в проекции сетки без покрытия через 5 недель после вживления импланта кролику. На фиг. 4 показан момент эксперимента: справа, где была установлена сетка с нанопокрытием из оксидов титана/ванадия, спайки не образовались ни в одном случае.
После осмотра имплантированные сетки изымали с окружающими тканями, фиксировали в 10% нейтральном формалине, затем, проведя через батарею возрастающей концентрации спиртов, заливали в парафиновые блоки. В гистологических срезах, толщиной 5-7 мкм, изготовленных из парафиновых блоков на санном микротоме, а затем окрашенных гематоксилином и эозином, изучали реакцию окружающих имплант тканей реципиента на имплантированные сетки с помощью программно-аппаратного комплекса «МЕКОС - Ц1», которая давала возможность не только просматривать и описать микропрепараты с помощью светового микроскопа, но и вывести изображение на монитор для более детального структурного изучения и фотографировать их в цифровом режиме.
Сравнительные результаты, полученные нами, с описанием реакции окружающих сетки тканей, представлены на фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8, где показана контрольная сетка без покрытия. На фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8 показана окраска гематоксилином и эозином. На фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8 показано использование объектива х10, на фиг. 7 показано использование объектив х40.
На фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 показана сетка, покрытая нанопленкой по предлагаемому способу. На фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 показана окраска гематоксилином и эозином. На фиг. 9, фиг. 10, фиг. 12 показано использование объектива х10, на фиг. 11 показано использование объектива х40.
При гистологическом исследовании у животных в контроле вокруг нитей сетки определялся слой соединительной ткани с пучками толстых коллагеновых волокон (фиг. 5). В некоторых участках отмечалась умеренная продуктивная воспалительная реакция с очаговой лимфоцитарной инфильтрацией нитей сетки и их деградацией (фиг. 6). Среди клеточного инфильтрата наблюдалось большое количество эозинофилов (фиг. 7). По периферии сетки отмечалось неравномерное образование полей рубцовой соединительной ткани (фиг. 8).
У животных, которым имплантировали сетку, подготовленную по предлагаемому способу, вокруг волокон сетки наблюдалась более раннее развитие волокнистой соединительной ткани с незначительной продуктивной воспалительной реакцией (фиг. 9.) и формированием сети мелких тонкостенных кровеносных сосудов (фиг. 10). Среди клеток инфильтрата количество эозинофилов было значительно меньше, чем в первой группе (фиг. 11). Вокруг сетки определялось формирование полей волокнистой ткани с большим количеством коллагеновых волокон, без грубой деформации окружающих тканей (фиг. 12).
Все приведенные примеры выполнения предлагаемого способа подтверждают достижение поставленной в изобретении цели.
Сравнительный анализ результатов экспериментов показал:
1. Полипропиленовая эндопротез-сетка «Эсфил» стандартный с нанопокрытием из оксидов титана/ванадия толщиной 18 нм на подложке из оксида алюминия толщиной 10 нм проявляет бактерицидные свойства, в отличие от полипропиленовой эндопротез-сетки с покрытием из оксида титана и без покрытия (фиг. 3).
2. В случае имплантации полипропиленовой сетки без покрытия в 60% случаев (у трех кроликов из пяти) образовались спайки петли тонкой кишки к передней брюшной стенке в проекции сетки (слева), что, возможно, связаны с воспалительной реакцией окружающих сетку мягких тканей на имплант (фото 4), а при использовании такой же сетки с покрытием из оксидов титана/ванадия на подложке из оксида алюминия, нанесенных по технологии АСО, воспалительная реакция не проявлялась, спайки не образовались.
3. При нанесении на полипропиленовый эндопротез-сетку «Эсфил» нанопокрытия из оксидов титана/ванадия на подложке из оксида алюминия по технологии АСО, существенно улучшаются биосовместимые свойства импланта: отмечается более раннее развитие волокнистой соединительной ткани с формированием сети мелких тонкостенных кровеносных сосудов и полей волокнистой ткани с большим количеством коллагеновых волокон, без деформации окружающих тканей и при отсутсвии гигантских клеток инородных тел. Эозинофильной инфильтрации (реакция на имплант) вокруг сетки практически нет (в 3-х случаях из 5-ти) или она совсем незначительная встречалась только в 2-х случаях (фиг. 11).
4. При имплантации кроликам полипропиленовой эндопротез-сетки «Эсфил» без покрытия через 5 недель во всех 5-ти случаях вокруг нитей сетки определялся слой волокнистой соединительной ткани с пучками толстых коллагеновых волокон. В некоторых участках отмечалась выраженная продуктивная воспалительная реакция с очаговой лимфоцитарной инфильтрацией нитей сетки и их деградацией. Среди клеточного инфильтрата наблюдалось большое количество эозинофилов. По периферии сетки отмечалось неравномерное образование полей грубой рубцовой соединительной ткани (фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8).
Положительный эффект от применения предлагаемого способа
Полезность разработанного способа, предлагаемого в качестве изобретения, основана на следующих свойствах нанопленки из оксидов титана/ванадия с подложкой из оксида алюминия, нанесенного на эндопротез-сетку «Эсфил» по технологии АСО: нанопленка из оксидов титана/ванадия существенно улучшает биосовместимость (гистосовместимость) эндопротез-сетки и его барьерные и функциональные свойства, усиливает прочность;
Улучшение биосовместимости способствует уменьшению реакции окружающих сетку тканей, препятствует клеточной, в первую очередь, эозинофильной клеточной реакции, развитию гранулем инородного тела и грубой рубцовой ткани. Нанопленка из оксидов титана/ванадия с подложкой из оксида алюминия способствует более раннему развитию волокнистой соединительной ткани с формированием сети мелких тонкостенных кровеносных сосудов и полей волокнистой ткани с большим количеством коллагеновых волокон, без деформации окружающих тканей, а также проявляет бактерицидные свойства. Обладая противовоспалительными свойствами, способствует минимизации воспалительной реакции вокруг импланта, что препятствует образованию спаек.
Используемая АСО технология позволяет проведение процесса нанесения нанопленки на эндопротез-сетку, не создавая высокий вакуум и при относительно низких температурах (80-85 градусов по Цельсию), что способствует лучшему сохранению термочувствительных полипропиленовых нитей самой сетки, а также контролировать толщину целевой пленки. Кроме того, использованная АСО технология создает 100% конформность покрытия, чистоту и равномерность пленки.
Создание предварительной подложки из оксида алюминия способствует лучшей адгезии нанопленки из оксидов титана/ванадия к сетке, способствует прочности пленки, препятствует разрушению эндопротез-сетки от воздействия окислительной среды и появлению отдаленных послеоперационных осложнений, таких как сморщивание, миграция сетки и т.д.
Разработанный способ улучшения биосовместимых, барьерных и функциональных свойств эндопротез-сеток путем нанесения нанопокрытия из оксидов титана/ванадия с подложкой из оксида алюминия на эндопротез-сетку «Эсфил» по технологии АСО технически прост в выполнении, по сравнению с технологией PACVD или CVD, и позволяет покрывать одномоментно относительно большие площади, что, в свою очередь, снизить материальные расходы и повысить экономическую эффективность.
Эндопротез-сетки «Эсфил» с нанопокрытием из оксидов титана/ванадия с подложкой из оксида алюминия использованы нами в эксперименте на крысах и кроликах, показали высокую эффективность данного способа в плане улучшения биосовместимости сетки, барьерных и функциональных свойств: снижения воспалительной реакции на имплант и профилактики образования грубой рубцовой ткани и спаек, снижения эозинофильно-клеточной и лимфоцитарно-клеточной реакции окружающих имплант тканей.
Информация, принятая во внимание
Казанцев А.А. Применение титансодержащих сетчатых и шовных материалов. Аналитический обзор и сборник статей // А.А. Казанцев, А.А. Колпаков, В.В. Паршиков, К.А. Шемятовский, Д.Л. Титаров, И.И. Бабиченко, Н.М. Гевондян, А.И. Алехин, М.Ю. Глазунова / ЦКБ РАН - Москва, 2015. - 95 с. (С. 20, 38-48. - прототип).