Применение полимеров в сердечно-сосудистой хирургии

01 Февраля в 15:53 4914 0


Начало операций на сосудах, а затем на сердце как органах, требующих полноценного восстановления их пораженных отделов, явилось толчком для поиска необходимых заменителей. Первой областью хирургии, где возник этот вопрос, стала сосудистая хирургия. Первоначально естественным было стремление хирургов использовать для этих целей ткани самого больного. Первыми эксплантатами были аутососуды, то есть участки сосудов, взятые у самого больного. Однако возможность их использования оказалась очень ограниченной. Это могла быть, например, большая подкожная вена при замещении пораженного участка бедренной артерии. Поэтому очень скоро начались работы по изучению возможности использования для целей пластики аллотрансплантатов (гомотрансплантатов, по старой терминологии), то есть сосудов, взятых от трупов.

Применение аллотрансплантатов потребовало разработки методов их сохранения. Были разработаны методы сохранения гомотрансплантатов в растворе антибиотиков, методы замораживания, лиофилизации. Однако при анализе результатов их пятилетнего применения было показано, что использование гомотрансплантатов в виде сосудистых протезов приводит к тому, что в организме реципиента они подвергаются значительным изменениям, замещаясь соединительной тканью. Эта соединительнотканная трубка, функционирующая в условиях пульсирующего кровотока, подвергается растяжению, образуя аневризмы, вплоть до их разрыва. Таким образом, отсутствие надежного протеза сосуда заставило обратиться к изучению нового класса химических веществ - полимеров - в целях их потенциального применения при создании протезов.

Полимеры - это высокомолекулярные соединения, возможность модификации которых очень высока и практически не ограничена. Но главным свойством, важным для медицины, является их высокая химическая инертность, которая соответствует высокой биологической инертности.

Как показали работы Б. В. Добрииа, при использовании пластин из полиметилметакрилата реакция на его имплантацию была минимальной [1]. Первые попытки изучения сосудистых протезов из полимерных материалов относятся к 1947 г. [14].

Как установлено в дальнейшем, С. Stewart, Т. Donovan, I. Ducuing использовали монолитные трубки из различных искусственных материалов. Hufhagel Ch. сообщил о результатах 15 экспериментов по пластике грудной аорты у собак трубками из полиметилметакрилата. Подобные результаты получены еще некоторыми авторами [11-13, 16]. Анализ результатов показал, что процесс контакта монолитного полимерного протеза не позволяет сохранить его проходимость. Объяснение этому было получено при изучении взаимодействия чужеродного материала (в данном случае полимера) с кровью. Суть данного процесса заключается в том, что, как известно из исследований А. А. Максимова, введение в организм любого инородного тела вызывает реакцию его отторжения или изоляции в виде инкапсуляции. При контакте со специфической жидкой средой организма - кровью - реакция изоляции инородного тела проявляется в виде отложений на его поверхности тромботических масс [4]. Применительно к протезам для сердечно-сосудистой хирургии этот процесс подробно описан и изучен авторами в экспериментах по протезированию аорты [2].

В первые секунды после пуска кровотока на внутренней поверхности протеза начинают откладываться белки плазмы и тромбоциты, впоследствии образуется полноценный пристеночный тромб, состоящий из всех входящих в него элементов (фибрин, тромбоциты, эритроциты, лейкоциты), так называемая фибринозная капсула. При этом, как показали экспериментальные исследования и клинический опыт, размеры тромба лишь в какой-то степени могут медикаментозно регулироваться воздействием на этот процесс. В определенном числе случаев образование пристеночного тромба заканчивается полным закрытием просвета, то есть образует обтурирующий тромб.

На основании накопленного опыта определен ряд факторов, способствующих сохранению просвета сосуда, то есть ограничивающих рост пристеночных тромботических масс. Во-первых, установлено, что при протезировании аорты и ее крупных ветвей функция протеза в подавляющем большинстве случаев сохраняется. Это связано с благоприятными условиями мощного потока крови. Во-вторых, функционированию протеза способствует сохранность дистальных сосудов ниже протеза, И наконец, применение препаратов. снижающих общую свертываемость крови, в первую очередь такого известного антикоагулянта, как гепарин. Б дальнейшем фибринозная капсула должна замещаться постоянной фиброзной - соединительнотканной. При изучении этого процесса, выявлено, что в данном случае начинает играть роль конструкция искусственного материала.

Так. первые эксперименты и клинический опыт по применению мополитных трубок, использованы в качестве протеза сосуда, показали, что такие протезы быстро тромбируются и на их внутренней поверхности не происходит формирования фиброзной капсулы. Остаются лишь тромботические, превратившиеся в крошкообразные, массы неорганизованного тромба. Эти массы сами служат местом отложения новых тромбов, что приводит к полной обтурации протеза.

Решить вопрос о структуре протеза помогли работы A.Voorhees, A. Yaretsky и A. Blackmoore, которые подшивали к стенке ЛЖ сердца створку МК синтетической нитью и обнаружили через 8 мес, что эта нить, находясь в полости сердца, полностью покрылась тканью, подобной эндокарду [17]. Данный факт лег в основу создания авторами сосудистого протеза из волокон с пористой стенкой. Исследования таких протезов показали, что в течение 3-6 мес они становятся каркасом, вокруг которого развивается соединительнотканная капсула, имеющая две части - внутреннюю и наружную, соединенные между собой соединительнотканными мостиками, проникающими между волокнами протеза (рис. 1).

serdc_054.jpg
Рис. 1. Внутренняя и наружная капсулы сосудистого протеза из полиэфирного волокна. Срок имплантации - 4 мес.

Результаты использования протезов дали положительные результаты. Это послужило толчком для широкого производства сосудистых протезов из синтетических волокон. Важным моментом при этом был выбор синтетического волокна. Как показали экспериментальные исследования, несмотря на высокую биологическую инертность, разные группы полимерных волокон отличаются различной степенью инертности. Так, были определены три основные группы волокон: полиамидные, полиэфирные и политетрафторэтиленовые.

Первая группа - полиамидные волокна - оказалась наименее стойкой в среде организма. Эти волокна в течение трех лет подвергались деструкции. Две остальные группы были устойчивыми в организме в течение десяти и более лет. Они были и до сих пор остаются наиболее широко используемыми для изготовления сосудистых протезов. Однако, несмотря на развитие этой проблемы как в клиническом, так и в производственном направлениях, накопленный клинический опыт показал, что длительное функционирование протезов имеет место лишь при протезировании аорты и се крупных ветвей. Что же касается артерий более мелкого калибра (диаметр 6 мм и меньше), а также вен, то в этих случаях подавляющее большинство протезов тромбируется на ранних сроках после операции, особенно при бедренно-тибиальным шунтировании [3]. При пластике вен (в частности портальных или портокавальных анастомозов) данные о функционировании протеза очень немногочисленны [10, 15]. Все это заставило направить многочисленные исследования на поиск путей, которые позволили бы так модифицировать синтетические протезы, чтобы сохранить их функцию в любых условиях протезирования.

В первую очередь следует отмстить изучение различных видов конструкций. Так, в НЦССХ им. Л. Н. Бакулева РАМН были изучены в хронических экспериментах при пластике грудной аорты у собак три основных способа изготовления протезов: плетеный, тканый и вязаный. Исследования показали, что первичный контакт пористого протеза с протекающей кровью происходит одинаково. Кровь, проникая через поры, пропитывает протез и вытекает в околопротезное пространство. Это свойство назвали «хирургической пористостью». Было установлено, что наибольшей хирургической пористостью обладают вязаные протезы, имеющие свойство растягиваться под влиянием внутрисосудистого давления.

Наименее порозиыми оказались тканые протезы, хирургическая пористость которых обеспечивает безопасность от большой потери крови в момент пуска кровотока.

Плетеные протезы занимают промежуточное положение, однако при изготовлении они легко разлохмачиваются на срезах по окружности, что затрудняет их подшивание. В связи с этим они не нашли широкого применения.

В течение 1-2 мин после пуска кровотока тканый протез обволакивается изнутри, снаружи и между волокнами фибринозным тромбом и перестает пропускать кровь. У вязаного протеза этот процесс может быть более длительным, что грозит больному большой кровопотерей. Для предупреждения этого, во-первых, применяется плотная вязка, во-вторых, проводится предварительное замачивание протеза кровью больного и, наконец, предлагается ряд методов по заполнению пор рассасывающимися материалами. Наиболее распространены такие из них, как коллаген и желатин [9].

В НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН был создан, прошел апробацию и применяется в клинической практике метод С. П. Новиковой по нанесению такого покрытия на основе желатина [6]. Так, несмотря на попытки выбрать наиболее инертные волокна, заметных улучшений функции протезов малых диаметров и при пластике вен получено не было. Основные исследования поэтому были направлены на изучение взаимодействия полимерного материала с кровью, а именно тромборезистептности. Эти исследования начали проводиться в ряде лабораторий, однако в основном использовались методы in vitro, которые не соответствовали изучению этих материалов в реалыюм кровотоке. Поэтому в лаборатории полимеров НЦССХ им. А. Н. Бакулева изучение этих данных привело к разработке комплексного метода изучения гемосовместимости, включающего исследование материала ex vivo и in vivo.

Во-первых, был разработан метод исследования процесса оседания тромбоцитов на поверхности при контакте с протекающей кровью, так называемый тромбоцитарный тест (рис. 2). Метод основан на свойстве тромбоцитов по-разному оседать на поверхности различных материалов уже при первичном кратковременном контакте их с кровью (до 1 мин). Контрольным материалом в этих опытах был выбран фторопласт Ф-4. Это гидрофобный материал, на котором в кровотоке наблюдалось наименьшее отложение тромботических масс. По отношению к фторопласту были изучены различные виды полимеров. При этом выяснилось, что вес изученные материалы имели более высокий показатель адгезии по сравнению с ним (выше 11,5). Этот метод предусматривал изучение лишь монолитных пластин, помещенных в камеры в одинаковые условия. Для изучения адгезии тромбоцитов на волокнах впоследствии были разработаны специальные камеры.

serdc_055.jpg
Рис. 2.   Камеры для проведения «тромбоцитарного теста».

Следующим этапом изучения материалов было исследование его в виде готового изделия - монолитных трубок или сосудистых протезов - в условиях острого, а затем и хронического эксперимента при имплантации их в нижнюю полую вену животного. НПВ была выбрана как место, где существуют наиболее благоприятные условия для тромбообразования: низкое давление, замедленный кровоток, повышенная свертываемость крови. Исследование в этих условиях цилиндра из фторопласта показало образование обтурирующего тромба в течение 2-х часов после пуска кровотока. Таким образом, самый низкий показатель адгезии тромбоцитов оказался недостаточным для проявления тромборезистептных свойств материала. Поэтому дальнейшие исследования были направлены на поиск нового материала и на модификацию поверхности существующих с целью придания им повышенных тромборезистептных свойств. Два основных направления в этой области начали активно развиваться в 80-е годы.



Исследования различных материалов показали, что наиболее благоприятными тромборезистентными свойствами обладают углеродные материалы. Впервые такой материал -пиролитический углерод - начали использовать в 70-х годах в США при изготовлении запирающих элементов в дисковых клапанах. Из пиролитического углерода изготовлялись диски для протеза клапана Bjork-Sheily, нашедшего широкое распространение в мире. В нашей стране исследования имеющихся углеродных материалов - пирографита, стеклоуглерода, углеситала - показали, что все они обладают повышенной тромборезистентности по сравнению с массой других материалов, используемых для контакта с кровью. Так, показатель тромбоцитарного теста у них не превышал 3,5 по сравнению с фторопластом (11,5).

Испытания отечественных протезов дисковых клапанов на долговечность показали, что наиболее устойчивым оказался углеситал (рис. 3). Кроме того, значительное преимущество имела его простая технология. Запирающие элементы из углеситала изготовлялись обычным вытачиванием на станке в отличие от пиролитического углерода, где поверхностный слой наносился в специальных установках на пористый графит, что представляет собой трудоемкий и сложный процесс. Успешное применение монолитных углеродных материалов дало толчок к созданию волокон для изготовления сосудистых протезов. В нашей стране для медицинских целей в результате успешных работ были созданы три вида нитей: витлан, полиакрилонитрил и карбиновое волокно.

serdc_056.jpg
Рис. 3. Дисковые протезы клапанов сердца «ЭМИКС» (диски из углеситала).

В настоящее время наиболее изучены протезы из витлана. Исследования сосудистых протезов из витлана в эксперименте на животных показали их высокую тромборезистентность. После имплантации такого протеза в НПВ он сохранил проходимость в течение 5 лет и 3 мес. Гистологическое исследование показало его хорошее вживление, гладкую, организованную внутреннюю капсулу. Однако апробация протезов из витлана выявила его отрицательные свойства, а именно жесткость нитей, что затрудняло его вшивание. Поэтому использование этих протезов в клинической практике не нашло широкого применения.

В связи с тем, что протезов из углеродных волокон, удовлетворяющих по всем показаниям, до сих пор нет. в создании сосудистых протезов получило развитие новое направление. В основе его лежит использование политетрафторэтилена как высокоинертного материала. Пленка из политетрафторэтилена превращается в сосуд с пористой, как сыр, стенкой, сохраняя при этом высокую эластичность (рис. 4). За рубежом такие протезы созданы фирВ связи с тем, что протезов из углеродных волокон, удовлетворяющих по всем показаниям, до сих пор нет. в создании сосудистых протезов получило развитие новое направление. В основе его лежит использование политетрафторэтилена как высокоинертного материала. Пленка из политетрафторэтилена превращается в сосуд с пористой, как сыр, стенкой, сохраняя при этом высокую эластичность (рис. 4).

serdc_057.jpg
Рис. 4. Структуры материалов сосудистых протезов из ПТФЭ по данным СЭМ.

За рубежом такие протезы созданы фирмой GORE и имеют название Gore-Tex. Они нашли очень широкое применение в мире. В России подобные протезы под названием «Витафлон» созданы в АО «Экофлон». Они прошли сертификационные испытания и в настоящее время применяются в клинической практике (рис. 5).


serdc_058.jpg
Рис. 5.   Образцы сосудистых протезов «Витафлон» из пористого ПТФЭ.

Первоначально применение этих протезов предполагалось дал№ при протезировании мелких сосудов, вплоть до коронарных. Однако первый клинический опыт показал, что их использование не гарантирует полного успеха. В определенных неблагоприятных условиях кровотока они подвергались обструкции. Изучение в экспериментах на животных показало, что эти протезы, как и другие, изготовленные из нитей, становятся каркасом для соединительнотканной капсулы, образующейся вокруг них. Причем неглубокое прорастание соединительной ткани внутрь протеза, по-видимому, является фактором, объясняющим длительное сохранение их эластичности в отличие от текстильных протезов, где исходная пористость значительно больше. Это и дает возможность сохранения проходимости в значительно большем числе случаев (рис. 6).

serdc_059.jpg
Рис. 6.   Тонкая наружная соединительнотканная капсула со слабой лимфогистиоцитарной инфильтрацией. Имплантация сосудистого протеза «Витафлон» в сонную артерию. Срок - 3 мес

Поиск «идеального» протеза подвел исследователей к разработке еще одного направления, а именно к модификации поверхности с целью придания ей тромборезистентных свойств. В лаборатории полимеров НЦССХ им. А. Н. Бакулева в течение ряда лет проводились исследования по модификации поверхности. Естественно, что основным реагентом для этих целей явился гепарин как наиболее широко известный естественный антикоагулянт. Разрабатывались и исследовались методы присоединения гепарина или отдельных групп, входящих в его молекулу (сульфо-, нитро- и т. д.), различными химическими способами. В результате был разработан универсальный метод модификации поверхности с помощью биологически активных веществ (БАВ) [7].

Обработка этим методом показала его результативность в плане повышения тромборезистентности. В эксперименте и клинике были получены положительные результаты при использовании сосудистых протезов, оксигенаторов, катетеров и ряда других изделий. Однако и этот метод не позволяет пока получить 100%-ных положительных результатов, например при использовании синтетических протезов, хотя БАВ и улучшают их функцию. Что же касается оксигенаторов, то использование БАВ показало возможность применения меньших доз гепарина, а также меньшее изменение тромбоцитов. В настоящее время ведутся исследования по дальнейшему развитию метода. Изучаются возможности присоединения к поверхности более широкого круга реагентов, таких как антиагреганты, бактериостатики и ряд других.

Подводя итоги, следует сказать, что полвека назад в связи с развитием сердечно-сосудистой хирургии начало развиваться новое направление - разработка изделий из искусственных материалов, в первую очередь протезов кровеносных сосудов и клапанов сердца. Наиболее пригодными для этих целей оказались полимерные материалы, обладающие наибольшей биологической инертностью. Особенностью всех работ в этой области, помимо создания конструкции, обеспечивающей выполнение функции заменяемого органа, стало решение вопроса взаимодействия имплантата с кровью - специфической средой, в которой он должен функционировать. Многочисленные исследования и клинический опыт того времени позволили сейчас понять многие вопросы этого взаимодействия и определить группу материалов для изготовления изделий. Тем не менее успешное развитие этого направления пока еще не привело к полному пониманию проблемы тромборезистентности. Поэтому такие работы, как поиск новых материалов, улучшение конструкции протеза, продолжают активно развиваться [8].

Накопление клинического опыта позволит оценивать значение особенностей заболевания и уточнять показания к операции, способствующие получению хороших результатов. Так, определена роль состояния дистального сосудистого русла при протезировании сосудов, роль антикоагулянтов в послеоперационном периоде у больных с протезами клапанов сердца.

Состояние проблемы использования синтетических сосудистых протезов и механических клапанов сердца, конечно, определяет необходимость проведения активных исследований и разработки биологических протезов, где прежде всего встают вопросы иммунологической несовместимости и ее преодоления.

Литература

1. Добрин Б. В. Применение пластических масс в хирургии. Клинико-экспериментальное исследование: Дис. д-ра мед. наук. - 1952.
2. Доброва Н. Б. Аллопластика при реконструктивных операциях на сердце и сосудах: Дис. д-ра мед. наук. - 1967.
3. Кохан Е. П., Митрошин Г. Е, Батрашов В. А., Веретенин В. А. и др. Непосредственные результаты бедренно-подколенно-дистальных реконструкций с использованием аутотрансплантатов и эксплантатов // Всероссийский съезд сердечно-сосудистых хирургов, 4-й: Тезисы докладов. -М., 1998. -С. 118.
4. Максимов А. А. Экспериментальное исследование вновь образованной соединительной ткани после воспаления // Liegler's Bietr. - 1902. - P. 5.
5. Максимов А. А. Дальнейшее изучение вновь образованных структур и изучение рубцовой ткани // Liegler's Bietr. - 1903. - Bd. 34. - P. 153.
6. Новикова С. П., Доброва Н. Б. Способы создания материалов с повышенной тромборезистентностью // Биопротезы в сердечно-сосудистой хирургии. - Кемерово, 1996. - С. 105-122.
7. Новикова С. П., Межнева В. В., Спиридонов А. А. и др. Характерные особенности сосудистых эксплантатов «Басэкс» // Всероссийский съезд сердечно-сосудистых хирургов, 4-й: Тезисы докладов. - М..1998.-С. 108.
8. Спиридонов А. А., Тутов Е. Г., Абдулгасанов Р. А. и др. Клинические и экспериментальные исследования новых антимикробных, низкопористых и тромборезистентных сосудистых эксплантатов в реконструктивной ангиохирургии // Анналы хир. - 1998. - № 1. - С. 58-63.
9. Хилъкин А. М., Шехтер А. Б., Теряев В. Г., Леменев В. Л. и др. Использование полубиологических протезов для пластики сосудов // Вестн. хир. - 1966. -Т. 93, № 3. - С. 79-84.
10. Brown J.. HalpinM., PrescorlaF. // J. thorac. cardiovasc. Surg. - 1985. -Vol. 90, № 6. - P. 833-841.
11. Donovan Т., Zimmerman B. The uses of plastic tubes in the reparative surgery of battle injuries to arteries with and without intraarterial heparin administration // Ann. Surg. - 1949. - Vol. 130, № 6. - P. 402-408.
12. Ducuing /., EngalbenrtA., Esschapesse H., Fronette L. Edude Experimentale du retablissement de la conti-nuite des gros vaisseaux par tubes de matiere plastique // I. chir. - 1952. -Vol. 68, № 3. - P. 177.
13. Hufnagel Ch. A. Permanent intubation of the thoracic aorta // Arch. Surg. -  1947. - Vol. 54, № 4.- P. 382-389.
14. Ingraham F. D., Alexander E., Matson D. D. Synthetic plastics materials in surgery // New Engl. J. Med. - 1947.-Vol. 236. - P. 362-368.
15. Magnan P., Thomas P., Giduicell R. et al. Europe an Society on Cardiovascular Surgery // International Congress, 43-d. - Hague, 1994. - P. 55.
16. Stewart C. F. War experiences with non-suture technic of anastomosis in primary arterial injuries // Ann. Surg. -1947. -Vol. 125, №2. -P. 157-170.
17. Voorhees A., Yaretsky A., Blackmoore A. Use of tubes constructed from vinyon "N" cloth in bridging arterial defects // Ann. Surg. - 1952. - Vol. 135, № 2. - P. 332.

Доброва Н. Б.
Похожие статьи
показать еще
 
Сердечно-сосудистая хирургия