To the content
4 . 2023

Mechanical properties of materials used to reinforce aortic anastomoses in thoracic aortic surgery

Abstract

Background. One of the causes of anastomotic bleeding during prosthetic repair of the thoracic aorta is aortic wall cut-through by monofilament threads due to insufficient mechanical strength of the vascular wall. The tightness of the anastomosis depends on such components as blood coagulation system state, presence of aseptic inflammation of the vascular wall, surgical technique and properties of the materials used to form anastomoses (felt, pericardium).

Objective. The aim of this study was to estimate the deformation and strength properties of materials used for reconstruction of the thoracic aorta, investigating such parameters as the peak stress, peak strain, and initial elastic modulus, as well as evaluating alterations appearing under load on various types of anastomoses with the normal and dilated aorta.

Material and methods. The mechanical properties of the materials were examined in the uniaxial stress-strain testing mode on the Instron 1122 tensile testing machine. To study the properties of the aorta, two groups were formed: group 1 including anastomoses with normal aorta (n=38) and group 2 comprising anastomoses with dilated aorta (n=30). The comparison between the groups was made according to the following parameters: peak stress (σmax), peak strain (εmax), and initial elastic modulus (Einit). The same parameters were obtained and analyzed for the group of the human pericardium (n=30) and medical felt (n=10).

Results and discussion. It was shown that the peak stress (σmax) of the normal aorta both in the longitudinal and transverse direction exceeds more than two-fold that of the dilated aorta. At the same time, the patterns of deformation of the normal and altered aorta are similar, which is illustrated by close values of the initial elastic modulus (Einit). The pericardium possesses similar to the aorta strength characteristics and has comparable with the aorta value of the initial elastic modulus. Deformation of medical felt occurs quite differently, for the initial elastic modulus of felt is ten-fold higher than that of biological objects. Such a difference in deformation-strength properties of felt and the aorta may lead to cut-through of the middle layer of the anastomosis (aorta) and intimal dissection.

Assessing the aortic wall strength in experiments for cut-through by monofilament threads demonstrated that disruption of integrity of reinforced three-layer anastomoses is due to intimal dissection (under loads not leading to cut-through of the rest layers of the anastomosis). Being a homogenous in structure serous membrane, the pericardium is more resistant to cut-through than the aorta. Unlike the pericardium, aortic layers have different histological structure and hence different resistance to cut-through.

Conclusion. When forming sandwich-type (tree-layer) anastomoses of the thoracic aorta with the use of felt and monofilament threads, the integrity of the aortic wall is disrupted due to intimal dissection under loads not leading to cut-through of the rest anastomotic layers.

The pericardium possesses similar to the aorta deformity-strength properties and more likely will contribute to optimal distribution of loads on the anastomosis line compared with medical felt.

A decrease in strength properties of the dilated aorta in the area of anastomosis is not critical and the aorta may therefore continue fulfilling its function after reinforcement of its wall with auxiliary materials (pericardium, felt).

Funding. The study had no financial support.

Conflict of interest. The authors declare no conflicts of interest.

Authors’ contribution. Study conception and design – Khubulava G.G., Marchenko S.P., Darvish D.M.; data collection and surgical processing of specimens – Bobylkov V.A.; conducting experiments – Bobylkov V.A., Vasilyeva V.V., Polyakov L.G., Fink M.A.; harvesting of cadaveric material – Avagyan K.L.; statistical processing – Bunenkov N.S.; draft manuscript preparation – Bobylkov V.A.; manuscript revision – Darvish D.M., Bobylkov V.A.

For citation: Bobylkov V.A., Darvish D.M., Marchenko S.P., Avagyan K.L., Bunenkov N.S., Vasilyeva V.V., Polyakov L.G., Fink M.A., Khubulava G.G. Mechanical properties of materials used to reinforce aortic anastomoses in thoracic aortic surgery. Angiology and Vascular Surgery. Journal named after Academician A.V. Pokrovsky. 2023; 29 (4): 120–9. DOI: https://doi.org/10.33029/1027-6661-2023-29-4-120-129

Keywords:aortic anastomoses; aortic reconstruction; mechanical properties of the aorta; mechanical properties of the pericardium; mechanical properties of felt; surgical thread cut-through; dilated aorta and normal aorta

References

1. Biancari F., Kinnunen E.M., Kiviniemi T., et al. Meta-analysis of the Sources of Bleeding after Adult Cardiac Surgery. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 2018; 32 (4): 1618–1624. DOI: https://doi.org/10.1053/j.jvca.2017.12.024

2. Butt W. Bleeding after cardiac surgery: multiple strategies and teamwork are essential! Perfusion. 2019; 34 (8): 637–639. DOI: https://doi.org/10.1177/0267659119867196

3. Gaudino M., Girardi L.N., Rahouma M., et al. Editor’s Choice – Aortic Re-operation After Replacement of the Proximal Aorta: A Systematic Review and Meta-Analysis. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 2018; 56 (4): 515–523. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejvs.2018.06.038

4. Newcomb A.E., Dignan R., McElduff P., et al. Bleeding After Cardiac Surgery Is Associated With an Increase in the Total Cost of the Hospital Stay. Annals of Thoracic Surgery. 2020; 109 (4): 1069–1078. DOI: https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2019.11.019

5. Marchenko S.P. Khubulava G.G., Naumov A.B. et al. Pathophysiological principles and approaches to the assessment of hemodynamics. Pediatrician. 2014; 5 (4): 110–115. (in Russian)

6. Brown J.A., Kilic A., Aranda-Michel E., et al. Long-Term Outcomes of Reoperation for Bleeding After Cardiac Surgery. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2021; 33 (3): 764–773. DOI: https://doi.org/10.1053/j.semtcvs.2020.11.013

7. Ninomiya O.H., Monteiro J.A.T., Higuchi M.L., et al. Biomechanical Properties and Microstructural Analysis of the Human Nonaneurysmal Aorta as a Function of Age, Gender and Location: An Autopsy Study. Journal of Vascular Research. 2015; 52 (4): 257–264. DOI: https://doi.org/10.1159/000442979

8. Haskett D., Johnson G., Zhou A., et al. Microstructural and biomechanical alterations of the human aorta as a function of age and location. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2010; 9 (6): 725–736. DOI: https://doi.org/10.1007/s10237-010-0209-7

9. Ferrara A., Morganti S., Totaro P., et al. Human dilated ascending aorta: Mechanical characterization via uniaxial tensile tests. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016; 53: 257–271. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.08.021

10. Azadani A.N., Chitsaz S., Mannion A., et al. Biomechanical properties of human ascending thoracic aortic aneurysms. Annals of Thoracic Surgery. 2013; 96 (1): 50–58. DOI: https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2013.03.094

11. Holzapfel G.A., Gasser T.C., Ogden R.W. A New Constitutive Framework for Arterial Wall Mechanics and a Comparative Study of Material Models. Journal of Elasticity. 2000; 61: 1–48.

12. Bader H. Dependence of wall stress in the human thoracic aorta on age and pressure. Circulation Research. 1967; 20 (3): 354–361. DOI: https://doi.org/10.1161/01.res.20.3.354

13. Oda T., Minatoya K., Sasaki H., et al. Adventitial inversion technique for type A aortic dissection distal anastomosis. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2016; 151 (5): 1340–1345. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2016.01.018

14. Amabili M., Arena G.O., Balasubramanian P., et al. Biomechanical characterization of a chronic type a dissected human aorta. Journal of Biomechanics. 2020; 110: 109978. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2020.109978

При оценке устойчивости биологических тканей к прорезыванию монофиламентными нитями было выявлено, что перикард обладает наилучшей устойчивостью к прорезыванию, а образцы нормальной аорты более устойчивы по сравнению с дилатированной (рис. 8).

Значения максимальной нагрузки прорезывания для каждого из анастомозов с дилатированной аортой были ниже, чем максимальная нагрузка для анастомозов с нормальной аортой. Показатели предельной нагрузки анастомозов "аорта нормальная-аорта нормальная" оказались почти в 2 раза больше, чем предельная нагрузка анастомозов "аорта дилатированная-аорта дилатированная".

Анастомозы "аорта-протез" показали увеличение предельной нагрузки прорезывания примерно на 25% по сравнению с группами анастомозов "аорта-аорта". Вероятнее всего, это связано с заменой менее прочной части анастомоза (аорта) на более прочную (протез). Прорезывание происходило только со стороны аорты, а не с двух сторон, как в случае анастомозов "аорта-аорта".

Самые высокие значения предельной нагрузки соответствовали трехслойному анастомозу с фетром, что связано с высокой прочностью последнего и конструкционной особенностью анастомоза, в котором фетр укрепляет аорту двумя листами как со стороны интимы, так и со стороны адвентиции.

Наглядно пределы прочности испытанных групп указаны на рис. 9.

Значения максимальной нагрузки, которая вызывает прорезывание анастомоза в группах "аорта-аорта"

и "аорта-протез", иллюстрируют необходимость укрепления линии анастомоза. Успешность укрепления подтверждается кратным повышением прочности анастомоза с фетром.

В испытаниях укрепленного трехслойного анастомоза с фетром прорезывания не происходило через все слои анастомоза (как в случае анастомозов "аорта-аорта" или "аорта-протез"), эксперимент заканчивался разрывом аорты, начинающимся с интимы (рис. 10).

Диссекция интимы происходила не только в момент разрыва. Было установлено, что этот процесс начинается уже на промежуточных нагрузках, когда целостность всей конструкции еще не нарушена и соответствующий участок диаграммы растяжения представляет собой линию без зазубрин. При формировании анастомозов с фетром имеющиеся диссекции интимы могут прикрываться его свободным краем (рис. 11).

Показано образование локальных разрывов при деформировании укрепленных трехслойных анастомозов с фетром. Видно, что разрывы образуются в области проколов. При прокалывании аорты возникает дефект, соответствующий диаметру иглы, который, как мы можем видеть, существенно увеличивается при растяжении аорты. Вероятно, это связано с тем, что нити, фиксирующие анастомоз, удерживаются жестким фетром и повреждают более эластичную аорту, которая существенно больше деформируется в начальный момент нагружения.

Обсуждение

Полученные нами результаты согласуются с данными авторов, представивших сопоставимые значения разрывного напряжения и разрывного удлинения биологических тканей при одноосном растяжении [7]. При изучении свойств нормальной и дилатированной аорты влияние возраста, пола и отдела аорты на механические свойства не учитывалось, так как эти факторы подробно освещены в других исследованиях [8, 9].

Сравнение деформационно-прочностных свойств аортальных групп подтверждает снижение механических свойств стенки дилатированной аорты по отношению к механическим свойствам нормальной аорты. При нагрузке в обоих направлениях прочность нормальной аорты превосходит прочность дилатированной аорты в 2 раза и более, а эластичность - в 1,5 раза и более [10].

На основе показателей, определяющих прочность и эластичность материалов, рассчитывается показатель модуля жесткости. В случае если данный показатель определяется на конечном участке диаграммы растяжения, он называется "максимальный модуль жесткости", если на первом линейном участке диаграммы растяжения - "начальный модуль жесткости".

С точки зрения практической хирургии наибольший интерес представляют механические свойства в начальный момент деформирования, так как именно в этой области диаграммы растяжения находятся те нагрузки, которым подвергаются материалы анастомоза в физиологических условиях. В физиологических условиях напряжение, возникающее в стенке аорты, не превышает 1 МПа [11, 12]. В связи с этим наиболее информативным показателем, характеризующим несоответствие деформационно-прочностных свойств биологических и синтетических материалов, участвующих в формировании анастомозов, является начальный модуль жесткости.

На практике данное несоответствие может приводить к диссекциям аорты, что было продемонстрировано в экспериментах с укрепленным трехслойным анастомозом с фетром, показатель начального модуля жесткости которого многократно превышает показатель начального модуля жесткости аорты.

Исследованные нами биологические материалы (дилатированная и нормальная аорта, перикард) при некотором различии в разрывных характеристиках имеют схожий тип деформирования, характеризующийся преобладанием изотонического режима в начальной фазе нагрузки. Возможно, это является компенсаторным механизмом, направленным на поддержание артериального давления в режиме обратимой деформации сосудов.

Медицинский фетр является синтетическим материалом, обладает достаточной прочностью и позволяет укрепить анастомозы аорты [13]. Но в то же время он обладает принципиально иными деформационно-прочностными свойствами по сравнению с аортой: высокой жесткостью и малой эластичностью в начальной фазе растяжения. В таких условиях нагрузка, воздействующая на композит "фетр-аорта-фетр", может приводить к повреждению среднего слоя структуры "сэндвича" - аорту. Дело в том, что в ответ на нагрузку аорта будет удлиняться и стремиться изменить свой диаметр, в то время как фетр в тех же условиях будет деформироваться в разы меньше, и это может приводить к повреждению аорты со стороны нитей.

Биомеханические свойства перикарда близки к биомеханическим свойствам аорты. Кроме того, перикард обладает большей устойчивостью к прорезыванию хирургическими нитями по сравнению с аортой. Это может быть связано с тем, что перикард представляет собой гомогенную по структуре серозную оболочку, а каждый из слоев аорты имеет разное гистологическое строение [14].

По этой причине внутри укрепленного трехслойного анастомоза "перикард-аорта-перикард" распределение нагрузки предположительно будет происходить более равномерно. Кроме того, в эксперименте было показано, что перикард более устойчив к прорезыванию монофиламентными нитями, чем аорта. Эти факторы могут снизить вероятность прорезывания аорты.

Заключение

При формировании анастомозов грудной аорты по типу "сэндвич" (трехслойный анастомоз) с использованием фетра и монофиламентных нитей целостность стенки аорты нарушается вследствие диссекции интимы при нагрузках, не приводящих к прорезыванию остальных слоев анастомоза.

Перикард обладает схожими с аортой деформационно-прочностными свойствами и с большей вероятностью будет способствовать оптимальному распределению нагрузки на линию анастомоза по сравнению с медицинским фетром.

Снижение прочностных свойств дилатированной аорты в области анастомоза не носит критического характера, а следовательно, она может продолжать выполнять свою функцию после укрепления ее стенки вспомогательными материалами (перикард, фетр).

Ограничения исследования. В исследовании не воспроизводились реальные гемодинамические условия, влияющие на прочность укрепленных трехслойных анастомозов - "сэндвичей". Испытания в приближенных к реальным гемодинамическим условиям являются целью дальнейших исследований.

Литература

1. Biancari F., Kinnunen E.M., Kiviniemi T., et al. Meta-analysis of the Sources of Bleeding after Adult Cardiac Surgery. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 2018; 32 (4): 1618-1624. DOI: https://doi.org/10.1053/j.jvca.2017.12.024

2. Butt W. Bleeding after cardiac surgery: multiple strategies and teamwork are essential! Perfusion. 2019; 34 (8): 637-639. DOI: https://doi.org/10.1177/0267659119867196

3. Gaudino M., Girardi L.N., Rahouma M., et al. Editor’s Choice - Aortic Re-operation After Replacement of the Proximal Aorta: A Systematic Review and Meta-Analysis. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 2018; 56 (4): 515-523. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejvs.2018.06.038

4. Newcomb A.E., Dignan R., McElduff P., et al. Bleeding After Cardiac Surgery Is Associated With an Increase in the Total Cost of the Hospital Stay. Annals of Thoracic Surgery. 2020; 109 (4): 1069-1078. DOI: https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2019.11.019

5. Марченко С.П. Хубулава Г.Г., Наумов А.Б. и др. Патофизиологические принципы и подходы к оценке гемодинамики. Педиатр. 2014; 5 (4): 110-115.

6. Brown J.A., Kilic A., Aranda-Michel E., et al. Long-Term Outcomes of Reoperation for Bleeding After Cardiac Surgery. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2021; 33 (3): 764-773. DOI: https://doi.org/10.1053/j.semtcvs.2020.11.013

7. Ninomiya O.H., Monteiro J.A.T., Higuchi M.L., et al. Biomechanical Properties and Microstructural Analysis of the Human Nonaneurysmal Aorta as a Function of Age, Gender and Location: An Autopsy Study. Journal of Vascular Research. 2015; 52 (4): 257-264. DOI: https://doi.org/10.1159/000442979

8. Haskett D., Johnson G., Zhou A., et al. Microstructural and biomechanical alterations of the human aorta as a function of age and location. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2010; 9 (6): 725-736. DOI: https://doi.org/10.1007/s10237-010-0209-7

9. Ferrara A., Morganti S., Totaro P., et al. Human dilated ascending aorta: Mechanical characterization via uniaxial tensile tests. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016; 53: 257-271. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.08.021

10. Azadani A.N., Chitsaz S., Mannion A., et al. Biomechanical properties of human ascending thoracic aortic aneurysms. Annals of Thoracic Surgery. 2013; 96 (1): 50-58. DOI: https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2013.03.094

11. Holzapfel G.A., Gasser T.C., Ogden R.W. A New Constitutive Framework for Arterial Wall Mechanics and a Comparative Study of Material Models. Journal of Elasticity. 2000; 61: 1-48.

12. Bader H. Dependence of wall stress in the human thoracic aorta on age and pressure. Circulation Research. 1967; 20 (3): 354-361. DOI: https://doi.org/10.1161/01.res.20.3.354

13. Oda T., Minatoya K., Sasaki H., et al. Adventitial inversion technique for type A aortic dissection distal anastomosis. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2016; 151 (5): 1340-1345. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2016.01.018

14. Amabili M., Arena G.O., Balasubramanian P., et al. Biomechanical characterization of a chronic type a dissected human aorta. Journal of Biomechanics. 2020; 110: 109978. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2020.109978

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

п?? GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems п?? including machine learning models and neural networks п?? is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.

  • п??п??п??п??п??п??п??п??п??п?? п??п??п??п??п??п??п??п?? п??п??п??п??п??п??п??п??п??п?? п?? п??п??п??п??п??п??п??п??п??п?? п??п??п??п??п??п??п??п??
  • п??п??п??п??п??п??п??п??п??
  • Telegram
CHIEF EDITOR
Academician of the Russian Academy of Sciences Doctor of Medical Sciences, Professor, President of the Russian Society of Angiologists and Vascular Surgeons

 

In accordance with the decision of the Presidium of the Russian Society of Angiologists and Vascular Surgeons, the journal "Angiology and Vascular Surgery" will be named after Academician A.V. Pokrovsky starting from No. 2/2022.


Journals of «GEOTAR-Media»