Rekonstrukcja ubytków tchawicy kompozytowym materialem

DOKTORATY, HABILITACJE / DOCTORS THESES, PROFESSORS THESES
303
Rekonstrukcja ubytków tchawicy
kompozytowym materiałem węglowym
Reconstruction of the tracheal defects by the composite carbon material
Wojciech Ścierski
Rozprawa na stopień doktora habilitowanego nauk medycznych
ZABRZE 11.12.2008
RECENZENCI: Prof. dr hab. n. med. Mieczysław Szostek,
Prof. dr hab. n. med. Tadeusz Orłowski,
Prof. dr hab. inż. Jan Chłopek,
Prof. dr hab. n. med. Marek Rokicki
Leczenie operacyjne schorzeń tchawicy (guzów
nowotworowych, zwężeń, urazów) w dużym stopniu
uzależnione jest od długości objętego procesem chorobowym segmentu tego narządu. W przypadkach,
gdy występuje konieczność resekcji odcinka tchawicy o długości do 3 cm rekonstrukcja polega na jego
pierwotnym zamknięciu metodą „koniec do końca”.
Ubytki o długości od 3 do 6 cm można również zamknąć tą metodą po dodatkowej mobilizacji tchawicy
w odcinku szyjnym i/lub piersiowym. Resekcje tchawicy o długości ponad 6 cm wymagają rekonstrukcji
z użyciem tkanek własnych chorego lub materiału
syntetycznego.
Pomimo stosowania różnych metod operacyjnych
i materiałów w rekonstrukcji dużych (powyżej 6 cm),
segmentowych ubytków tchawicy, jak dotąd nie znaleziono idealnego rozwiązania. Wykorzystywanie tkanek
własnych chorego związane jest z wieloetapowością
leczenia operacyjnego i niewielkim odsetkiem powodzeń. Zastosowanie materiałów syntetycznych jak
dotychczas nie przyniosło spodziewanych efektów.
Wciąż zatem poszukuje się materiału, który byłby
skuteczny w rekonstrukcji dużych, segmentowych
ubytków tchawicy.
Celem podjętych badań była:
1. Ocena właściwości fizykomechanicznych tchawicy zwierzęcej w aspekcie ich przydatności do konstrukcji segmentowego implantu tchawicy z nowego
biomateriału kompozytowego.
©by Polskie Towarzystwo Otorynolaryngologów
– Chirurgów Głowy i Szyi
Otrzymano/Received:
17.02.2009
Zaakceptowano do druku/Accepted:
24.02.2009
Katedra i Oddział Kliniczny Laryngologii
w Zabrzu, Śląskiego Uniwersytetu Medycznego
w Katowicach.
Kierownik: Prof. dr hab. n. med.
Grzegorz Namysłowski
Konflikt interesu/Conflicts of interest:
Autor pracy nie zgłasza konfliktu interesów.
Adres do korespondencji/
Address for correspondence:
imię i nazwisko: Wojciech Ścierski
adres pocztowy:
ul. Skłodowskiej-Curie 10
41-700 Zabrze
tel. 0-32 271 74 20
fax 0-32 271 74 20
e-mail [email protected]
2. Ocena możliwości zastosowania wytworzonych
segmentowych implantów w rekonstrukcji ubytków
tchawicy w eksperymencie zwierzęcym.
3. Określenie stopnia mineralizacji segmentowego
implantu oraz tchawicy po zakończonym eksperymencie zwierzęcym.
4. Ocena stopnia biodegradacji włókien węglowych
segmentowego implantu tchawicy.
Materiał i metody
Przed zaprojektowaniem biomateriału służącego do
wytworzenia implantu tchawicy dokonano analizy
budowy i właściwości biomechanicznych tego narządu
pobranego od owcy. Celem tych badań było wytworzenie
takiego materiału syntetycznego, który pod względem
struktury i właściwości fizykomechanicznych byłby
najbardziej zbliżony do tchawicy owiec. Badania przeprowadzono w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie przy użyciu maszyny wytrzymałościowej Zwick
1435. Zarówno w teście ściskania jak i rozciągania
różnice wielkości deformacji tkankowej wzrastały wraz
ze wzrostem wartości działającej siły. Ich wielkość
zależała od kierunku działania siły. Badania te wykazały, że tchawica owcy jest układem mechanicznym
o właściwościach anizotropowych, którego stopień
odkształcenia uzależniony jest od kierunku działania
siły. Żaden pojedynczy materiał syntetyczny (polimerowy, ceramiczny, węglowy czy metaliczny) nie posiada
* Praca finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych projekt nr PBZ KBN 082 T08 2002
Otolar yngologia Polska tom 63, nr 3, maj – c zer wiec 20 0 9
Otolaryngol Pol 2009;
63 (3): 303-305
304
DOKTORATY, HABILITACJE / DOCTORS THESES, PROFESSORS THESES
właściwości mechanicznych zbliżonych do właściwości
tkanek tchawicy.
Na podstawie wyników badań biomechanicznych
zaprojektowano kompozytowy materiał anizotropowy,
którego właściwości i struktura były zbliżone do naturalnych tkanek tchawicy owcy. Biomateriał ten składał
się z dwóch zasadniczych elementów: włókien węglowych (odpowiadających za właściwości mechaniczne)
oraz polisulfonu – polimeru, który stanowił matrycę
kompozytu, spajał włókna węglowe, przenosił na nie
obciążenia mechaniczne i odpowiadał za właściwości
biologiczne.
Wykonano trzy rodzaje cylindrycznych implantów
tchawicy o długości 3 i średnicy 2,5 cm. W pierwszych
pięciu implantach warstwy zewnętrzne zostały dodatkowo nasycone terpolimerem składającym się z politetrafluoroetylenu, fluorku polivinylu i polipropylenu
(grupa I). Terpolimer ten miał za zadanie poprawę
połączenia implantu z otaczającymi tkankami. W pięciu
następnych implantach na powierzchnię wewnętrzną
naniesiono warstwę poliuretanu, który posiada właściwości fibro- i chondrogenne i miał pobudzać komórki
nabłonkowe tchawicy do migracji i rozplemu (grupa
II). W ostatnich pięciu wykorzystano jedynie materiał
węglowy i polisulfon (grupa III). Implanty zbudowane
były (idąc od wewnątrz) z pojedynczej warstwy włókniny
węglowej i leżących na niej pięciu pierścieni wykonanych z pasm włókien węglowych (które spełniały funkcje podobne do chrząstek tchawicy). Całość pokryta
była pięcioma warstwami tkaniny węglowej. Wszystkie
elementy węglowe nasycone były polisulfonem. Badania
eksperymentalne przeprowadzono na grupie 15 owiec
rasy „Podgórskiej”, u których wykonywano resekcję
odcinka szyjnego tchawicy o długości 3 cm. Ubytek
ten rekonstruowano następnie za pomocą implantów
zbudowanych z kompozytowego materiału węglowego.
Założony okres obserwacji wynosił 24 tygodnie. Zwierzęta uśmiercano wcześniej w każdym przypadku, gdy
pojawiały się zaburzenia oddechowe o charakterze
stridoru. Po zakończonym eksperymencie dokonywano
oceny stopnia zwężenia w miejscu połączenia implantu i tchawicy wykorzystując zmodyfikowany system
zaproponowany przez Hsieha. Badania histologiczne
obejmowały ocenę preparatów tkankowych pobranych z powierzchni wewnętrznej implantu, z miejsca
połączenia implantu i tchawicy oraz jego przekrojów
poprzecznych.
W pracy oceniono również stopień mineralizacji kompozytowego implantu tchawicy oraz tkanek
przylegających wybarwiając preparaty histologiczne
czerwienią alizarynową reagującą z solami wapnia.
Stopień biodegradacji włókien węglowych zbadano
wykorzystując możliwości morfometrycznej analizy
obrazu. Oceniano wymiar najkrótszy włókien węglowych, obliczoną szerokość, współczynnik wypełnienia
i średni stopień szarości.
Wyniki
W grupie I jedna owca przeżyła zaplanowany okres
obserwacji (stwierdzono u niej niewielki stopień zwężenia w miejscu anastomozy). Pozostałe uśmiercono
po 1, 2, 3 i 4 tygodniach. W tych przypadkach stopień
zwężenia oceniano jako znacznego stopnia. W grupie
II wszystkie owce uśmiercono przed 24 tygodniem
obserwacji z powodu narastających zaburzeń oddechowych, które spowodowane były nadmiernym
procesem tworzenia ziarniny na jej wewnętrznej powierzchni. W grupie III trzy zwierzęta przeżyły 24 tygodnie. Stwierdzono u nich niewielki stopień zwężenia
w miejscu anastomozy. Pozostałe owce uśmiercono
w 4 i 6 tygodniu obserwacji, z powodu narastających
zaburzeń oddechowych.
Badania histologiczne wykazały na powierzchni wewnętrznej implantów obecność wyspowo rozmieszczonej tkanki zbudowanej z włókien łącznotkankowych i tworzących się naczyń krwionośnych.
Nie stwierdzono pokrycia powierzchni wewnętrznej
implantu rzęskowym nabłonkiem oddechowym.
Przekroje poprzeczne implantów wykazały obecność
włókien kolagenowych przylegających bezpośrednio
do powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej implantu
oraz wnikających pomiędzy włókna węglowe materiału kompozytowego. Ich ilość, stopień przylegania
i wnikania pomiędzy włókna węglowe nie zależał od
rodzaju zastosowanego implantu.
Nie zaobserwowano zjawiska nadmiernego odkładania się soli wapnia zarówno w obrębie implantu jak
i tkankach otaczających. Badania morfometryczne włókien węglowych wykazały, iż ulegają one stopniowym
procesom degradacyjnym w środowisku biologicznym.
Przejawem tego było stopniowe zmniejszanie się wymiarów włókien węglowych (obliczonej szerokości i wymiaru najkrótszego), połączone z utratą nierówności
obwodu oraz zmianami zagęszczenia struktury.
Na podstawie uzyskanych wyników sformułowano
następujące wnioski:
1. Badania mechaniczne tchawicy owcy wykazały,
że jest to narząd o właściwościach anizotropowych,
dlatego konstrukcję segmentowego implantu tchawicy
oparto na nowym materiale kompozytowym wytworzonym z włókien węglowych i wybranych polimerów.
2. W eksperymencie zwierzęcym, stosując do rekonstrukcji tchawicy segmentowy implant o nienaruszonej strukturze zbudowany z włókien węglowych
i polisulfonu, uzyskano najdłuższy czas przeżycia
zwierząt i najmniejszy stopień zwężenia w miejscu
anastomozy.
3. W badaniach mineralizacji segmentowego implantu tchawicy i otaczających tkanek nie stwierdzono
procesu nadmiernego odkładania się soli wapnia. Jest
to zjawisko korzystne zwłaszcza w przypadku implantów pracujących mechanicznie.
Otolar yngologia Polska tom 63, nr 3, maj – c zer wiec 20 0 9
DOKTORATY, HABILITACJE / DOCTORS THESES, PROFESSORS THESES
4. Włókna węglowe segmentowego implantu tchawicy ulegają stopniowym procesom degradacyjnym w środowisku biologicznym. Wyrazem tego jest zmniejszanie
Otolar yngologia Polska tom 63, nr 3, maj – c zer wiec 20 0 9
się wymiarów włókien węglowych połączone z utratą
nierówności i zmianami zagęszczenia ich struktury.
305