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