三种材料缝合气管吻合口愈合中的生物力学特征与气管重塑

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.03.016

摘要/Abstract

摘要：

背景：研究表明气管及支气管吻合材料的选用对吻合口愈合质量可产生不同影响。
目的：以3种缝合材料建立兔气管重建模型，分析气管吻合口愈合过程中生物力学特征与气管重塑的关系。
方法：将18只新西兰大白兔随机分为3组，分别以丝线、涤纶线和人工合成可吸收缝线建立气管重建模型。
结果与结论：①吻合口处气管抗拉强度：术后2周，3组气管在一定外力下于接近吻合口处断裂，缝线本身并未断裂；术后4，8周，吻合气管在远离吻合口部位破裂，均未从吻合口处断裂。②吻合口处气管顶破强度：术后2，4，8周，3组均在气管膜部破裂。③吻合口Ⅰ型胶原蛋白水平：术后2周涤纶线组低于较其他两组(P < 0.05)，术后4，8周3组间差异无显著性意义。表明不论使用何种缝线均不影响气管吻合口的稳定性，但不同缝线在不同时期引起的气管狭窄有一定差别。

关键词: 生物材料, 材料力学及表面改性, 兔气管, 三种缝合材料, 生物力学, Ⅰ型胶原蛋白含量, 省级基金, 生物材料图片文章

Abstract:

BACKGROUND: Researches have showed that the selection of trachea and bronchi anastomotic materials has different effects in the healing quality.
OBJECTIVE: To establish the rabbit tracheal reconstruction model with three different suture materials and to detect the relationship between biomechanical property and tracheal remodeling during the different phases of the rabbit wound healing.
METHODS: Eighteen New Zealand white rabbits were divided into three groups randomly, and the silk thread, dacron thread and synthetic absorption suture were used to establish tracheal reconstruction model.
RESULTS AND CONCLUSION: Tensile strength of anastomosis trachea: The tracheas anastomosed by three sutures were fractured close to the anastomotie stoma under external forces after 2 weeks; otherwise, the sutures were not torn. After 4 and 8 weeks, the tracheas were fractured in the part far away from anastomotie stoma, and no trachea was fractured on the anastomotie stoma. Bursting strength of anastomosis trachea: After 2, 4 and 8 weeks, three anastomotie stomas were burst from tracheal membranous. Collagen Ⅰ concentration: the collagen Ⅰconcentration in dacron thread group was lower than that in the other two groups (P < 0.05). There was no significant difference of collagen Ⅰ concentration after 4 and 8 weeks among three groups. It shows that the stability of the tracheal anastomosis will not be influenced by the suture material, but tracheal stenosis has certain differences after suture with different suture materials at various periods.

Key words: biomaterials, material mechanics and surface modification, rabbit trachea, three suture materials, type Ⅰ collagen concentration, provincial grants-supported paper, biomaterial photographs-containing paper

中图分类号:

R318

游咏，梁任技，莫靓. 三种材料缝合气管吻合口愈合中的生物力学特征与气管重塑[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(3): 477-482.

You Yong, Liang Ren-ji, Mo Liang. Biomechanical property and tracheal remodeling during tracheal anastomotic healing after tracheal suture with three different materials[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(3): 477-482.

图/表（结果） 5

2.1 实验动物数量分析实验纳入的18只兔均进入结果分析。
2.2 各组气管拉伸实验结果各组兔气管软骨的应力应变曲线见图1。

如图1所示，气管软骨拉伸应变达50%时，应力为0.4 N，50%应变范围内的应力很小，应力-应变曲线较平坦；当应变超过50%时，应力-应变曲线较陡，当应力达到11 N、应变为79.05%时，曲线出现拐点，当应力为12 N、应变为83.03%时，试样断裂，3组均呈同样的变化趋势。在体内2周后，3种缝线吻合的气管在一定的外力下于接近吻合口处断裂，缝线本身并未撕开；在术后4，8周时，吻合气管在远离吻合口部位破裂，均未从吻合口处断裂。

2.3 各组气管顶破强力测试结果实验发现所有气管环破裂处均为气管膜部，试样破裂时所受的压力不一致，数据显示最大压力为2.4 MPa，最小为1.5 MPa，记录各个试样破裂时压力，取每一对应试样的均值，绘制压力-N曲线图(N表示各组实验兔编号) ，见图2所示，曲线无明显规律。

2.4 各组气管吻合口Ⅰ型胶原蛋白水平术后2周时各组气管Ⅰ型胶原表达，见图3，4。

各组标本不同时间段吻合口免疫组织化学Ⅰ型胶原灰度平均值，见表1。
测量显示：术后2周涤纶线组与丝线组、人工合成吸收缝线组Ⅰ型胶原灰度平均值比较差异有显著性意义(P=0)，丝线组与人工合成吸收缝线组比较差异无显著性意义(P=0.237)。术后4周3组吻合口内径通畅率比较差异无显著性意义(P=0.095，0.067，0.823)；术后8周3组吻合口内径通畅率比较差异无显著性意义(P=0.101，0.087，0.904)；术后第2周涤纶线组吻合部Ⅰ型胶原蛋白水平明显低于丝线组及人工合成吸收缝线组(P < 0.05)，丝线组及人工合成吸收缝线组差异无显著性意义，术后第4，8周3组吻合部位Ⅰ型胶原蛋白水平差异无显著性意义。

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引言

材料方法

设计：随机对照动物实验，力学性能研究及病理学观察。
时间及地点：于2009年7月至2011年7月在南华大学动物实验部完成。
材料：
实验动物：新西兰大白兔18只，由南华大学动物实验部提供，许可证号：SCXK湘2010-0004，体质量1.6-2.0 kg，雌雄不拘，将实验兔随机编号，并做标记，按照不同的缝合材料随机分为丝线组、涤纶线组和人工合成吸收缝线组，每组6只。
缝线：丝线由杭州富阳医用缝合针线厂制造，规格为0号(生产许可20000221号)。涤纶线由杭州华威医疗用品有限公司生产，规格为3-0(生产许可2650255号)。人工合成吸收缝线为单乔Monocryl(Poliglecaprone 25)缝线，由爱惜康公司制造，规格为3-0，国药管械(进)2001第3650120号。
试剂与仪器：
Reagents and instruments

实验方法：
建立兔气管重建模型：兔麻醉后颈部消毒，显露颈部气管并予以游离后切开，用3种不同的缝线行端端吻合甲状软骨下第3，4气管环，然后缝合切口。术后2，4，8周，分批处死3组兔，取第1-6气管环，剔除气管外结缔组织，应用TY8000系列50-5 000 N伺服控制拉力试验机和Y-60型雷达尔压力表测定吻合口处气管的抗拉强度、顶破强度生物力学指标，测试后留取病理标本行免疫组织化学及Masson染色测定吻合口处Ⅰ型胶原水平。
抗拉强度实验：实验在TY8000系列50-5 000 N伺服控制拉力试验机上进行，取第1-6气管环，剔除气管外结缔组织，沿轴向剪开气管膜部，以气管吻合部为中心修剪成40 mm×10 mm大小相等气管软骨片，将软骨片的两端夹在试验机的夹具上，夹具间距为30 mm，以10%/min应变率增加(10 mm/min)进行拉伸测试，计算机描绘应力-应变曲线。
顶破强力实验：顶破强力测试方法有气压法和弹子法。本实验采用气压法，测试气管在其内部受到由内向外压力时能否破裂及破裂时的压力。将实验气管修整后，定位于气管吻合部，将气囊置入气管内，一端接球囊，另一端接Y-60型雷达尔压力表，向气囊内充气，气管内壁受到等大的来自气囊内压力。记录气管环破裂时气压表压力，即为使气管破裂的压力，记录各组气管环破裂时压力。
Ⅰ型胶原蛋白水平测定：将进行上面两个实验的标本(吻合部)在实验后立即用蜡块封存，沿与气管软骨环垂直的方向切片，切成厚度为0.04 mm的薄片，分别行苏木精-伊红染色、Masson染色及免疫组织化学染色，利用高分辨电子计算机测定吻合部的Ⅰ型胶原蛋白水平。
主要观察指标：各组吻合口处气管抗拉强度、顶破强度及Ⅰ型胶原蛋白水平。
统计学分析：采用SPSS 13.0统计学软件行方差分析。

讨论

作为呼吸通道的气管主要由前部半圆形的软骨和后部平滑肌两部分组成。软骨有保持气管通道张开的作用，否则呼吸时胸廓内的压力差可能导致气管塌陷使气体流量受限制。气管软骨的组成和生物力学性能的变化可能改变肺部功能，导致阻碍性肺部疾病，引起咳嗽，影响最大呼吸气流量和气管平滑肌紧缩程度等。对肺部力学进行数学描述需要了解气管软骨力学。国内外学者对气管损伤气道功能重建及人工气管的基础研究和临床实践做了很多的研究，但对气管软骨结构及生物力学特性的研究报道较少^[4-10]。

气管软骨在生理上主要是具有舒张性，吸气时伸长而变粗，呼气时复原。气管具有一定的屈伸性，屈伸时气管和气管软骨都承受着一定的生理载荷。气管力学性能的保持主要是胶原纤维合理排列分布为弹性支架，通过蛋白多糖的亲水作用来形成局部张力和渗透张力，当组织受载时，由于压力差大于局部张力使水缓慢流出，当去载时由于组织的膨胀压和渗透压使水流回组织内。在正常生理状态下，气管软骨能在生理载荷范围内适应外力的牵拉，表现出一定抗张性^[11-13]。

本实验证实忽略缝合技术和气管吻合的张力，体内气管吻合具有相当高的稳定性。术后第2周，吻合气管的稳定性略低于健康气管，随时间延长，稳定性明显增加，因此，气管吻合后其力学稳定性并不明显低于健康气管，额外的保护措施预防缝合线裂开并不是必须的。当气管内壁所承受的压力逐渐增大至一定限度时气管会发生破裂。实验显示破裂处均首先发生在气管膜部，而软骨环部位不易破裂。

气管组织内含有胶原纤维，胶原纤维具有一定的韧性，抗拉能力较强。胶原蛋白是动物体内含量最丰富的蛋白质，它是一种高级结构，可形成最佳的力学特性。胶原蛋白最重要的力学性质是拉伸刚度和抗拉强度^[14-16]。

利用不同缝线对兔气管进行端端吻合，吻合口最先出现瘢痕增生，其最显著的病理特征就是大量胶原沉积，主要是Ⅰ、Ⅲ型胶原。本实验通过测量吻合口瘢痕处Ⅰ型胶原水平来反映吻合口气管重塑情况。Ⅰ型胶原分布最为广泛，在皮肤中占总胶原蛋白量的80%-85%，在组织中起支架作用。Ⅲ型胶原在皮肤中占总胶原的15%-20%，另外Ⅰ、Ⅲ型胶原也存在于肌腱、血管、筋膜及软骨中。在弹性较好的组织中Ⅲ型胶原含量较多，而Ⅲ型胶原多者其纤维束较细。人体正常Ⅰ、Ⅲ型胶原比为(3.5-6)∶1。有研究表明创伤以后，首先出现的是Ⅲ型胶原，2d后更稳定的Ⅰ型胶原逐渐成为主要成分。伤后6个月，胶原合成达顶峰，然后逐渐下降，二三年后可达正常水平^[18-20] 。

实验表明各种缝线吻合口Ⅰ型胶原蛋白水平在实验2，4，8周均有增加，而第2周时涤纶线组产生最少，在保证缝线不会拉断的情况下，说明吻合口瘢痕产生最少，引起气管狭窄程度最小，而第4，8周3种缝线材料对吻合口Ⅰ型胶原蛋白水平影响相同。对于支气管端端吻合来说，手术初期既能满足气管力学稳定性，又能防止气管狭窄的情况下，涤纶线在一定时间内具有优势，但从长远来看，不同缝线之间并无明显差异。

对气管肿瘤及中央型肺癌的外科治疗而言，气管及支气管袖状成形可更大限度保留正常肺组织，改善患者生活质量。支气管端端吻合材料在保证气管力学稳定性前提下，应以组织相容性好的材料为首选，支气管手术后恢复早期易发阻塞性肺炎、肺不张。而吻合口狭窄更会加重症状，支气管吻合后1周内为愈合黄金时期，本实验未能研究术后第1周生物力学及胶原变化，稍显不足。另外，实验可以选用更多一个因子综合说明吻合口重塑组织反应强弱，可在后续实验中改进。

基金资助：湖南省衡阳市科学技术局科技计划项目(2009KJ15)。
致谢：感谢南华大学动物部，南华大学组织胚胎学教研室，南华大学诊断教研室与南华大学力学实验室。
作者贡献：游咏、莫靓进行实验设计，实验实施为梁任技、莫靓、游咏，实验评估为游咏、莫靓，资料收集为梁任技，梁任技成文，莫靓、游咏审校，游咏对文章负责。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：实验过程中对动物的处置符合2009年《Ethical issues in animal experimentation》相关动物伦理学标准的条例。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。