The choice of an optimal graft for the superior capsule reconstruction of the shoulder with a massive rotator cuff tear

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Разрывы вращательной манжеты плечевого сустава являются распространенной патологией опорно-двигательного аппарата, особенно у людей пожилого возраста. Известно, что от 20 до 50% населения после 60 лет жизни имеют повреждение вращательной манжеты, и эта распространенность увеличивается с возрастом. По оценкам большинства авторов, от 10 до 40% всех разрывов вращательной манжеты плечевого сустава приходятся на массивные разрывы [1, 2].

Один из методов лечения массивных разрывов вращательной манжеты — реконструкция верхней части капсулы плечевого сустава, и, по литературным данным, эффективность этого метода весьма высокая — 80–90% [3]. Ключевым моментом этой методики является материал, используемый для реконструкции. Сегодня нет единого понимания критериев, предъявляемых к биологической ткани. В литературе обсуждаются два из них — схожесть гистологического строения ткани «биозаплатки» с утраченной тканью и ее прочностные характеристики [4, 5].

На данный момент для закрытия дефектов используют разнообразные биологические (ксено-, алло- и аутоткани), синтетические и гибридные материалы. Кроме обеспечения каркаса, на котором происходит ремоделирование тканей, трансплантат должен обладать соизмеримыми с нативной тканью механическими свойствами [6]. Величины, такие как предел прочности и относительное удлинение, можно сравнить со свойствами материала любой эталонной ткани, чтобы судить о пригодности применения трансплантата.

Цель исследования — определить оптимальный вид трансплантата, исходя из оценки механических свойств тканей трех видов, используемых для реконструкции верхней части капсулы плечевого сустава при массивных разрывах его вращательной манжеты.

МЕТОДЫ

Дизайн исследования

Экспериментальное исследование без участия пациентов и лабораторных животных.

Условия проведения

Исследование проведено в испытательной лаборатории, соответствующей требованиям ГОСТ ISO/IEC 17025-2019, на стандартной испытательной машине Instron ElectroPuls E3000 (США) в Центре исследований экстремальных состояний материалов и конструкций Санкт-Петербургского государственного университета.

Методика проведения эксперимента

Материалом для эксперимента были три паспортизированных вида биологических тканей, предварительно гидротированных в 0,9% физиологическом растворе NaCl: аллотрансплантаты подвздошно-большеберцового тракта и твердой мозговой оболочки, дермальный бесклеточный матрикс DX Reinforcement Matrix. Все виды исследованных тканей используются в качестве трансплантата при проведении артроскопической реконструкции верхней части капсулы плечевого сустава. Каждая серия эксперимента была проведена на 10 образцах из каждого материала (рис. 1).

 

Рис. 1. Образцы исследованных биологических тканей: a — аллотрансплантат подвздошно-большеберцового тракта; b — аллотрансплантат твердой мозговой оболочки; c — дермальный бесклеточный матрикс. / Fig. 1. Samples of the studied biological tissues: a — fascia lata allograft; b — allograft of the dura mater; с — DX Reinforcement Matrix.

 

Аллотрансплантаты твердой мозговой оболочки и подвздошно-большеберцового тракта были изготовлены в банке тканей на базе ФГБУ «НМИЦ ТО имени Р.Р. Вредена» Минздрава России по запатентованной медицинской технологии консервации аллогенных трансплантатов холодоустойчивой консервирующей средой (КриоБиТ). Обработка трансплантата DX Reinforcement Matrix проведена компанией DSM Biomedical по запатентованной технологии OPTRIX (США).

Эксперимент был разделен на две части. В первой части оценивалась и сравнивалась механическая прочность при разрыве образцов, во второй — устойчивость к наложенному вертикальному шву. На экран компьютера, синхронизированного с сервогидравлической машиной Instron ElectroPuls E3000, выводился график зависимости «нагрузка-перемещение». Данные эксперимента автоматически вносились в таблицу Microsoft Excel, после чего выполнялась статистическая обработка данных в программе Statistica 12.0 (StatSoft, Russia). Тип проведенных испытаний включал одноосное растяжение, при котором оценивалась сила, необходимая для разрыва каждого из образцов, и относительное удлинение образцов до момента разрыва (рис. 2, a). Второй тип испытания заключался в оценке устойчивости образца к прорезыванию шовным материалом (рис. 2, b).

 

Рис. 2. Испытание образца ткани на универсальной сервогидравлической машине Instron ElectroPuls E3000: a — на одноосное растяжение; b — на устойчивость к прорезыванию шовным материалом. / Fig. 2. Testing of a sample using an Instron ElectroPuls E3000 universal servohydraulic machine: a — for the uniaxial tension; b — for the resistance to penetration by the suture material.

 

В обеих частях эксперимента образцы имели форму полосок, нарезанных из ткани материала при помощи одноразового скальпеля. Рабочая часть разрывной машины представляла собой держатели с плоскими губками, расстояние между которыми регулировалось в зависимости от размера исследуемого материала. В первой части эксперимента для исключения проскальзывания образца в захватах между ним и щечкой захвата помещалась наждачная бумага с размером зерна 28–40 мкм (Р600). Во второй части эксперимента с двух противоположных сторон образца на расстоянии 10 мм от края сквозь всю толщину образца однократно продевалась нить FiberWire № 2. Концы нитей были плотно зажаты между щечками захвата. После этого проводилось растяжение образца за нити. Каждый образец перед его фиксацией в рабочей части прибора был измерен в длину, ширину и толщину при помощи поверенных линейки и штангенциркуля, данные занесены в таблицу. После фиксации материала проводился непосредственно сам эксперимент с видеофиксацией на портативную видеокамеру. Заданная скорость растяжения — 50 мм/мин (0,83 мм/с) — воздействовала на образец. На экран компьютера, синхронизированного с сервогидравлической машиной, выводился график зависимости «нагрузка-перемещение», фиксировались время перемещения, нагрузка, напряжение, деформация. Максимальное усилие для прорезывания образца шовной нитью соответствовало пику нагрузки. После достижения пика нагрузки происходил разрыв ткани или устойчивое прорезывание материала. Погрешность датчика нагрузки и перемещения составляла не более 1% от измеренного значения. Тем самым, по данным первой части испытания было рассчитано напряжение и деформация ткани, по второй — сила воздействия и относительное удлинение образца.

Статистический анализ

Статистическую обработку производили с помощью программы Statistica 12.0 (StatSoft, Russia). Результаты каждого теста были оценены по критерию Колмогорова–Смирнова. Общее межгрупповое сравнение проводили с использованием непараметрического критерия Краскела–Уоллиса. Апостериорные попарные сравнения групп проводили при помощи критерия Стьюдента с использованием поправки Бонферрони для коррекции уровня статистической значимости. Для статистического анализа различий использовали критерий Вилкоксона. Различия между выборками считали достоверными при p <0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате первого этапа исследования были получены следующие усредненные данные (табл. 1). Данные представлены, как среднее значение ± стандартное отклонение.

 

Таблица 1. Результаты испытаний на растяжение / Table 1. Tensile test results

Вид материала	Критическая сила, Н	Критическое удлинение, мм	Максимальное напряжение, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %
Аллотрансплантат сухожилия подвздошно-большеберцового тракта	299,6±49,09	4,8±0,47	31,98±2,80	22,22±4,31
Аллотрансплантат твердой мозговой оболочки	43,4±18,65	4,66±0,59	4,66±2,11	15,2±2,60
Бесклеточный дермальный матрикс DX Reinforcement Matrix	40,6±5,98	12,46±1,25	6,1±0,30	63,32±20,75
Критерий Краскела–Уоллиса, p	0,009	0,014	0,006	0,006

 

Самая большая сила разрыва была приложена к сухожилию подвздошно-большеберцового тракта — 300 Н; для двух других образцов она была в 7 раз меньше и не превысила 44 Н.

Согласно результатам, аллотрансплантат подвздошно-большеберцового тракта имеет максимальную прочность на разрыв, а аллотрансплантат твердой мозговой оболочки — минимальную, при этом прочность аллотрансплантата подвздошно-большеберцового тракта достоверно превышает прочность бесклеточного дермального матрикса и аллотрансплантата твердой мозговой оболочки. Важно отметить, что толщина трансплантата твердой мозговой оболочки составляла 0,8 мм и являлась самым тонким из всех видов материала (толщина аллотрансплантата сухожилия подвздошно-большеберцового тракта составляла 1,0 мм, толщина бесклеточного дермального матрикса — 1,3 мм). Более того, независимо от толщины аллотрансплантат твердой мозговой оболочки при разрыве показал существенный разброс значений (примерно 46%).

Все три материала показали хорошие результаты относительного удлинения до разрушения. Максимальное значение было зарегистрировано у бесклеточного дермального матрикса — 63,3±20,8%, что в 4 раза превышает результат, полученный для твердой мозговой оболочки. При этом показатели относительного удлинения у дермального матрикса имеют высокий разброс значений, погрешность примерно 33%. Данные свидетельствует, что наибольшей эластичностью и пластичностью обладает бесклеточный дермальный матрикс, а наименьшей — твердая мозговая оболочка.

В результате второго этапа проведенного исследования были получены следующие усредненные данные (табл. 2).

 

Таблица 2. Результаты испытаний на прорезание шовным материалом / Table 2. Results of tests for the resistance to the applied vertical suture

Вид материала	Критическая сила, Н	Критическое удлинение, мм	Время разрыва, сек
Аллотрансплантат сухожилия подвздошно-большеберцового тракта	9,87±2,96	17,42±4,23	20,90±5,05
Аллотрансплантат твердой мозговой оболочки	14,63±4,27	13,17±10,59	15,87±12,68
Бесклеточный дермальный матрикс DX Reinforcement Matrix,	33,48±8,48	14,4±2,58	20,16±3,56
Критерий Краскела–Уоллиса, p	0,006	0,014	0,006

 

Самое большое значение максимального усилия при прорезывании было зарегистрировано у бесклеточного дермального матрикса — 33,5 Н, минимальное значение — у сухожилия подвздошно-большеберцового тракта — 9,9 Н, что достоверно меньше, чем у DX Reinforcement Matrix. У твердой мозговой оболочки значение максимального усилия составило 14,6 Н, что также значимо меньше значений, полученных для бесклеточного дермального матрикса.

Типичные графики деформации и напряжения при растяжении представлены на рис. 3, типичные графики нагрузки при прорезывании — на рис. 4.

 

Рис. 3. Характерные графики испытаний при растяжении. Примечание. СПБТ — сухожилие подвздошно-большеберцового тракта; ТМО — твердая мозговая оболочка; БМ — бесклеточный дермальный матрикс. / Fig. 3. Characteristic graphs of tensile tests. Note. СПБТ — fascia lata allograft; TMO — allograft of the dura mater; БМ — DX Reinforcement Matrix.

 

Рис. 4. Характерные графики испытаний на удерживание шва. Примечание. СПБТ — сухожилие подвздошно-большеберцового тракта; ТМО — твердая мозговая оболочка; БМ — бесклеточный дермальный матрикс. / Fig. 4. Characteristic schedules of tests for seam retention. Note. СПБТ — fascia lata allograft; TMO — allograft of the dura mater; БМ — DX Reinforcement Matrix.

 

Вершина графика соответствует усилию, необходимому для полного разрыва ткани (рис. 3) или полного прорезывания шовным материалов (рис. 4). Значительный подъем начальной части графика отражает устойчивость сухожилия, его упругость. Чем круче график, тем выше предел прочности исследуемой ткани. Скачки на диаграмме испытаний связаны с постепенными разрывами связей в материале.

ОБСУЖДЕНИЕ

Активно ведется дискуссия между хирургами, выполняющими реконструкцию верхней части капсулы плечевого сустава, относительно требований к трансплантату. По мнению ряда хирургов, на эффективность методики влияют прочностные свойства, толщина применяемого трансплантата, схожесть гистологического строения с потерянной тканью вращательной манжеты, устойчивость к наложенным швам, эластичность ткани, способ обработки трансплантата [5, 7]. Данные литературы по механическим характеристикам всех видов исследуемых трансплантатов очень вариабельны как по результатам, так и по методике проведения экспериментов. Так, прочность на разрыв сухожилия подвздошно-большеберцового тракта составляет 180 Н согласно экспериментальным исследованиям, тогда как аналогичный показатель для бесклеточного дермального матрикса (DX Reinforcement Matrix) составляет 440 Н [8]. По другим исследованиям, предельная прочность при растяжении DX Reinforcement Matrix составила 137,5 Н [9]. Прочность для твердой мозговой оболочки, по данным литературы, лежит в пределах от 144 до 465 Н при растяжении [10].

Важно отметить, что условия, в которых проводилось исследование, не соответствуют условиям, которые испытывает трансплантат в процессе своей перестройки и функционирования в плечевом суставе. В реальности трансплантат испытывает деформирующие силы не только на удлинение, но и на скручивание, сжатие и циклические усталостные нагрузки. Именно поэтому данный эксперимент не стоит рассматривать как физическую модель повреждения тканей и трансплантата в условиях функционирующего плечевого сустава, а полученные результаты стоит применять только для сравнения результатов среди изученных групп. Знание о механических свойствах и биомеханике плечевого сустава дает возможность предположить, как будет вести себя каждый из изученных трансплантатов после имплантации.

По результатам проведенного исследования, самым прочным материалом является сухожилие подвздошно-большеберцового тракта (рис. 5). Это можно объяснить тем, что по своему гистологическому строению сухожилия и фасции представляют собой плотную волокнистую оформленную соединительную ткань и являются наиболее прочной тканью организма [11]. По схожести гистологического строения подвздошно-большеберцовый тракт также является наиболее близким к утраченной сухожильной ткани вращательной манжеты. При этом сухожилие подвздошно-большеберцового тракта показало наименьшую устойчивость к прорезыванию шовной нитью. Данный факт можно интерпретировать структурным строением ткани, а именно тем, что за счет разнонаправленного расположения пластин, из которых состоит фасция, и вариабельности толщины на разных участках она оказалась наименее устойчивой к прорезыванию нитью. Ткани, имеющую гомогенную структуру (твердая мозговая оболочка и дермальный бесклеточный матрикс), показали лучшую устойчивость к прорезыванию.

 

Рис. 5. Результаты исследований характеристик трех образцов тканей, используемых при реконструкции верхней части капсулы плечевого сустава. / Fig. 5. The results of the studies of on the characteristics of three tissue samples used for the superior capsule reconstruction of the shoulder joint with a massive rotator cuff tear.

 

Наиболее устойчивым к прорезыванию швов и самым эластичным оказался бесклеточный дермальный матрикс. Необходимо отметить, что бесклеточный дермальный матрикс показал значимо меньшие показатели прочности по сравнению с подвздошно-большеберцовым трактом.

При исследовании твердой мозговой оболочки были выявлены наименьшие показатели прочности и эластичности материала и средние значения устойчивости к прорезыванию.

Относительно невысокие прочностные характеристики твердой мозговой оболочки и бесклеточного дермального матрикса, предположительно, связаны с их гистологическим строением, так как оба вида ткани представляют собой плотную волокнистую неоформленную соединительную ткань [12].

Имея схожее гистологическое строение и наличие большого числа эластических волокон в своем строении, помимо коллагеновых, оба вида ткани должны обладать хорошей эластичностью. По результатам эксперимента, твердая мозговая оболочка имеет наименьшую эластичность среди всех исследуемых тканей. Вероятно, это связано с методом обработки трансплантата, т.к. у подвздошно-большеберцового тракта, имеющего аналогичную обработку, также невысокие показатели эластичности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В исследовании были изучены механические свойства трех трансплантатов, которые используются для реконструкции верхней капсулы плечевого сустава при массивных разрывах вращательной манжеты. Аллотрансплантат твердой мозговой оболочки при средних показателях критической силы на разрыв и при прорезывании шовным материалом имел наименьшее значение максимального удлинения, что свидетельствует о его низкой эластичности. По результатам исследования, трансплантаты аллосухожилия подвздошно-большеберцового тракта и бесклеточного дермального матрикса DX Reinforcement Matrix обладают оптимальными механическими свойствами для реконструкции верхней части капсулы плечевого сустава. Следует отметить, что свойства трансплантатов, в том числе и механические, могут изменяться в процессе перестройки после имплантации в плечевой сустав, поэтому для выбора оптимального трансплантата необходимы дальнейшие исследования и наблюдения.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Кочиш А.Ю., Доколин С.Ю., Ахпашев А.А. — дизайн и концепция исследования; Найда Д.А., Тюлькевич Б.В. — разработка и проведение эксперимента, сбор и обработка материалов, написание и редакционная работа с текстом статьи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Author contribution. Kochish A.Yu., Dokolin S.Yu., Akhpashev A.A. — study design and concept; Naida D.A., Tyulkevich B.V. — design and realization of the experiment, collection and processing of the obtained data, manuscript writing and revision. The authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Источник финансирования. Исследование не имело спонсорской поддержки и осуществлялось на личные средства авторов.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Конфликт интересов. Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

About the authors

Daria A. Naida

Main Military Clinical Hospital named after academical N.N. Burdenko

Author for correspondence.
Email: dariaanayda@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4567-2612

MD

Russian Federation, 3 Hospitalnaya pl., 105094, Moscow

Sergei Yu. Dokolin

Vreden National Medical Center for Traumatology and Orthopedics

Email: sdokolin@gmail.com
SPIN-code: 1993-2304

MD, Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexander Yu. Kochish

Vreden National Medical Center for Traumatology and Orthopedics

Email: auk1959@mail.ru
SPIN-code: 7522-8250

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexander A. Akhpashev

Academy of Postgraduate Education under the FSBU “Federal Research and Clinical Center of Specialized Medical Care and Medical Technologies FMBA of Russia”

Email: akhpashev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0977-805X
SPIN-code: 9965-1828

MD, Cand. Sci. (Med.), Associate Professor

Russian Federation, Moscow

Boris V. Tyulkevich

Main Military Clinical Hospital named after academical N.N. Burdenko

Email: 1983loki@mail.ru

MD

Russian Federation, 3 Hospitalnaya pl., 105094, Moscow

References

Supplementary files