Resistenza alla trazione dei biomateriali riassorbibili

Fonte: Peiman Shahbeigi-Roodposhti e Sina Shahbazmohamadi, Dipartimento di Ingegneria Biomedica, Università del Connecticut, Storrs, Connecticut

Per oltre 4000 anni, le suture sono state utilizzate come intervento medico. I primi documenti indicano che il lino era il biomateriale di scelta. Catgut, che è ancora in uso oggi, è stato riferito usato per trattare i gladiatori intorno al 150 dC. Oggi ci sono numerosi materiali utilizzati per le suture. Le suture sono classificate in base alla loro composizione (naturale o sintetica) e al loro assorbimento (non riassorbibile o riassorbibile).

Le suture riassorbibili (o assorbibili) si degradano nel corpo attraverso la degradazione enzimatica o la degradazione programmata causata dall'interazione dell'acqua con gruppi specifici nella catena polimerica. Queste suture sono spesso create da materiali sintetici, come acido poliglicolico, polidioxanone e policaprolattone, o biomateriali naturali, come la seta. Di solito sono utilizzati per alcune procedure interne, come la chirurgia generale. Le suture riassorbibili terranno insieme la ferita per un periodo di tempo abbastanza lungo per la guarigione, ma poi alla fine si disintegrano dal corpo. D'altra parte, le suture non riassorbibili non si degradano e devono essere estratte. Di solito sono derivati da polipropilene, nylon e acciaio inossidabile. Queste suture sono solitamente implementate per la chirurgia ortopedica e cardiaca e richiedono un medico per rimuoverle in un secondo momento.

Qui, la resistenza alla trazione di due tipi di suture riassorbibili sarà testata dopo averle esposte a soluzioni neutre, acide e alcaline, che corrispondono ai diversi ambienti di pH presenti all'interno del corpo umano. Il test sarà composto da due parti. In primo luogo, i campioni di controllo saranno preparati e analizzati tramite prove di trazione. Quindi, i campioni saranno testati dopo l'esposizione continua a soluzioni di pH variabile nel corso di diverse settimane.

La degradazione del materiale descrive la perdita di prestazioni e il cambiamento delle proprietà del materiale, come la resistenza alla trazione, il colore e la forma, dopo l'esposizione a uno o più fattori ambientali. Questi fattori includono calore, luce, forze meccaniche o esposizione chimica, come acidi, alcali o sali. Un modo per controllare il degrado è l'ingegneria delle superfici. Ciò si ottiene schermando una superficie con uno strato protettivo o modificando il materiale stesso, ad esempio attraverso la reticolazione.

Qui, campioni di campioni disponibili in commercio vengono testati in una macchina di prova con un trasduttore di forza. I campioni vengono posizionati saldamente nei morsetti della macchina di prova (UTM), l'UTM viene azzerata e viene avviata una velocità di spostamento di 6 mm / min fino al guasto. Dopo il fallimento, viene registrata la forza di picco. Il disegno sperimentale è mostrato nella figura seguente.

Figura 1: Progettazione sperimentale.

In questo esperimento verranno utilizzate due suture riassorbibili: suture poligliconate e suture polidiossanone. Le suture di poligliconato sintetico sono preparate da una reazione che richiede gliolide e carbonato di trimetilene. Dopo aver formato il poli(gliolide-co-trimetilene carbonato), vengono polimerizzati. Questi poliglicolidi hanno una struttura lineare di (C₈H₁₀O₇)_n,, che è mostrata di seguito nella Figura 2. D'altra parte, le suture di monofilamento viola PDS II sono sintetizzate da polimeri polidiossanoni, con una struttura lineare di (C₄H₆O₃)_n. Il polidioxanone è mostrato di seguito nella Figura 3.

Figura 2: Poli(carbonato di glicilide-co-trimetilene) utilizzato per polimerizzare le suture di poligliconato.

Figura 3: Polidioxanone utilizzato per polimerizzare le suture.

Entrambe le suture seguono reazioni di idrolisi attraverso il processo di degradazione. Per il poliglicolide, si verifica un'idrolisi in due fasi. In primo luogo, il polimero viene prima convertito nel suo monomero (acido glicolico) mediante scissione dei suoi legami estere interni. Quindi, si verifica un attacco idrolitico sulle porzioni cristalline del polimero. Quando le regioni cristalline si dissolvono, il polimero collassa. Allo stesso modo, le suture di polidioxanone sono degradate in modo sicuro attraverso il radicale estere. I composti degradati di entrambi i tipi di sutura non sono tossici e secernono in modo sicuro attraverso la minzione o l'espirazione.

Nel tempo, la soluzione diventa più acida, a causa della maggiore presenza di ioni idrossile. I radicali dell'acido carbossilico sono generati dalle estremità dei monomeri degradati, che abbassano il pH della soluzione circostante. Recenti studi hanno dimostrato che le strutture di poliglicolide e polidiossanone si degradano più velocemente in vivo che in vitro,a causa dell'attività enzimatica cellulare^2. Gli effetti dovuti alla presenza di enzimi biologici non sono osservati durante questa procedura in vitro.

1. Preparazione del campione

1. Creare sei etichette contenenti le informazioni riportate di seguito e attaccare le etichette alle provette a vite.
   1. Data: mese e giorno
   2. Tipo di campione: poligliconato o polidioxanone
   3. Tipo di soluzione: soluzione acida (A), alcalina (B) o neutra (N) con pH compreso tra 2-14.
2. Aprire la confezione della sutura e rimuovere la sutura. Tagliare l'ago e gettarlo nel contenitore dei taglienti.
3. Tagliare la sutura in 3 pezzi lunghi circa 10-12.
4. Nota il colore e le caratteristiche fisiche della sutura.
5. Utilizzare una pinza per misurare il diametro di ciascuna sutura.
6. Pesare ogni sutura e posizionare un campione in ogni provetta.
7. Riempire le provette etichettate "N" con abbastanza acqua deionizzata per coprire la sutura, quindi tappare le provette.
8. Utilizzare una pipetta per riempire le provette etichettate "A" con una soluzione HCl sufficiente a 0,001 M per coprire la sutura. Ricordarsi di tappare le provette.
9. Utilizzare una pipetta per riempire le provette etichettate "B" con una soluzione naOH sufficiente a 0,001 M per coprire la sutura. Ricordarsi di tappare le provette.
10. Posizionare tutte e sei le provette nella griglia metallica in un forno a 37 ºC.

2. Controllo della prova di trazione del campione

1. Ottenere una sutura fresca, il campione di controllo, e posizionarlo nel dispositivo dell'UTM e fissarlo in posizione.
2. Prima di azzerare la tensione sul campione, azzerare l'UTM premendo i tasti F1 (forza zero) e F2 (zero ext). Registrare l'impostazione della velocità di spostamento sulla scheda tecnica.
3. Assicurarsi che il picco di attesa sia visualizzato sul pannello di visualizzazione UTM.
4. Avviare l'UTM premendo il tasto freccia su. La forza e lo spostamento inizieranno a cambiare sull'UTM.
5. Caricare il campione fino al guasto. Quindi interrompere l'UTM.
6. Registrare la forza di picco dal display UTM.

3. Profilo di perdita di forza

1. Rimuovere uno di ogni campione (A, B e N) dal forno ogni settimana per cinque settimane.
2. Misurare il pH della soluzione nella provetta con carta pH.
3. Risciacquare la sutura con acqua deionizzata e annotare eventuali cambiamenti fisici o di colore del materiale in ciascun campione.
4. Se necessario, tamponare il campione con un tovagliolo di carta.
5. Pesare ogni campione e registrare il nuovo peso
6. Posizionare il campione nelle impugnature dell'UTM e bloccarlo in posizione.
7. Prima di azzerare la tensione sul campione, azzerare l'UTM premendo i tasti F1 (forza zero) e F2 (zero ext).
8. Assicurarsi che il picco di attesa sia visualizzato sul pannello di visualizzazione UTM e verificare che la velocità di spostamento sull'UTM sia la stessa di quando è stato testato il campione di controllo.
9. Caricare il campione fino al guasto. Quindi interrompere l'UTM.
10. Registrare la forza di picco al guasto dal display UTM.

Nel corso di cinque settimane, tutti i campioni trattati sono stati testati e analizzati. Dalle prove complessive, le resistenze medie alla trazione sono state calcolate utilizzando l'equazione 1:

(1)

Sono state calcolate anche le deviazioni standard di tutte le forze al guasto rispetto al tipo di sutura e all'ambiente di soluzione. Infine, la resistenza alla trazione percentuale mantenuta è stata determinata utilizzando la resistenza alla trazione media. Di seguito sono riportati i grafici che mostrano i risultati rappresentativi.

(2)

Il profilo medio di perdita di forza per le suture di poligliconato in tutti gli intervalli di pH era di circa l'81%, il 76%, il 66% e il 54% per le prime quattro settimane, rispettivamente. Durante le prime quattro settimane dell'esperimento, questo profilo è quasi identico alle affermazioni del produttore per queste suture. È anche evidente che il profilo poligliconato originale si degrada ad un ritmo leggermente più veloce rispetto alle suture sperimentali in vitro. Ciò è attribuito al fatto che il produttore ha eseguito test in vivo, in cui erano presenti fattori come la degradazione enzimatica. La presenza di enzimi biologici può aumentare notevolmente il tasso di degradazione e riassorbimento dei biomateriali. I test in vivo sottoponono il campione a diversi stress e interazioni biochimiche che mancano nelle procedure in vitro. Il test in vivo è generalmente preferito rispetto al test in vitro perché consente di osservare gli effetti complessivi di un esperimento su un soggetto vivente.

Figura 4: Soluzione acida: resistenza alla trazione di sutura.

Figura 5: Soluzione neutra, resistenza alla trazione della sutura.

Figura 6: Soluzione alcalina, resistenza alla trazione della sutura.

Figura 7: Soluzione acida, resistenza alla trazione percentuale mantenuta.

Figura 8: Soluzione neutra, resistenza alla trazione percentuale mantenuta.

Figura 9: Soluzione di base, resistenza alla trazione in percentuale mantenuta.

Tabella 1: Dati complessivi di sutura di polidioxanone a 5 settimane, forze al fallimento

Tabella 2: Dati complessivi di sutura poligliconata di 5 settimane, forze al fallimento

Nel corso del tempo, la resistenza alla trazione di tutti i campioni di sutura è diminuita. Inoltre, per le suture di polidioxanone, un ambiente acido è stato il più dannoso in quanto è stato mantenuto solo il 41,46% della resistenza alla trazione originale, mentre il 78,58% e il 48,95% della resistenza alla trazione originale è stato mantenuto per le suture di polidioxanone in soluzioni alcaline e neutre, rispettivamente. D'altra parte, le percentuali di ritenzione della forza nel tempo per le suture di poligliconato in diverse soluzioni di pH erano tutte simili. La maggiore diminuzione della resistenza alla trazione per le suture poligliconate è stata osservata in un ambiente neutro, dove è stato mantenuto solo il 41,22% della resistenza originale. In ambienti acidi e alcalini, il 42,79% e il 42,81% della resistenza alla trazione originale sono stati mantenuti rispettivamente per le suture di poligliconato.

Se le suture fossero state incubate a una temperatura più elevata, si sarebbero degradate più velocemente a causa dell'aumento dell'energia intrinseca trovata all'interno del sistema. Ciò consentirebbe una depolimerizzazione più spontanea in monomeri. In altre parole, all'aumentare della temperatura, la resistenza alla trazione ne risente negativamente. Inoltre, se le suture fossero tenute a stress costante, aumenterebbero anche le possibilità di decadimento. Ciò sarebbe dovuto alla deformazione del creep; l'allungamento delle suture crea locali più deboli che sono i primi per l'assorbimento. Se le suture dovessero essere legate in nodi, si verificherebbe uno scenario simile.

In questo esperimento, è stata valutata la resistenza alla trazione delle suture in diversi ambienti a pH. Nell'arco di cinque settimane, le resistenze alla trazione di due diversi tipi di suture sono state esplorate dopo l'esposizione a soluzioni acide, alcaline e neutre. I risultati indicano in modo schiacciante che le suture bioassorbibili si degraderanno nel tempo in qualsiasi ambiente a pH.

Sebbene le suture poligliconate si degradino a un ritmo più veloce, rimangono più forti rispetto alle suture polidiossanone. I risultati sperimentali mostrano anche che in intervalli di tempo prolungati, le suture polidiossanoniche mantengono più della loro forza rispetto alle suture poligliconate, poiché il tasso di degradazione più rapido delle suture poligliocnate diventa più evidente. Tuttavia, poiché l'esperimento è stato eseguito in vitro,non è possibile trarre conclusioni sostanziali sull'efficacia delle suture di poligliconato o polidiossanone in un modello biochimico più attivo. Il degrado enzimatico è un aspetto critico che deve essere considerato. Indipendentemente da ciò, entrambe le suture sono candidati validi per le procedure chirurgiche. Questo studio conferma l'importanza di questo tipo di ricerca.

Le suture riassorbibili forniscono un supporto temporaneo della ferita, consentendo alla ferita di guarire abbastanza bene da resistere alle forze normali. Generalmente, le suture riassorbibili vengono utilizzate per le procedure interne, quindi ulteriori procedure chirurgiche non sarebbero necessarie per la rimozione della sutura. Dopo la disintegrazione, rimangono poche o nessuna traccia della sutura. Le suture riassorbibili sono utilizzate anche in pazienti che non possono tornare per una procedura di rimozione della sutura. D'altra parte, le suture non riassorbibili sono comunemente usate nella chiusura epidermica, dove le suture possono essere facilmente rimosse dopo un certo periodo di tempo. Inoltre, le suture non riassorbibili sono spesso utilizzate anche in ambienti interni stressanti, quando le suture riassorbibili non sono in grado di fornire un supporto sufficiente per le ferite. Strutture interne come il cuore, che resiste costantemente a varie pressioni e movimenti, richiedono suture non riassorbibili. Altre applicazioni di suture non riassorbibili includono interventi chirurgici ortopedici e chiusura sternale in chirurgia cardiaca. Poiché le suture riassorbibili vengono utilizzate nelle parti interne e più critiche del corpo, è importante testarne la resistenza e analizzare la qualità del prodotto.

Elenco dei materiali

1. Wise, Donald L., et al. Encyclopedic Handbook of Biomaterials and Bioengineering. Marcel Dekker, Inc., New York. 1995. 567-569.
2. Dattilo, P.P., King, M.W., Cassill, N.L., et al. Medical Textiles: Application of an Absorbable Barbed Bi-directional Surgical Suture. J. Text. & App., Tech. & Mgmt. 2002, 2, 1