方法論記事

創傷被覆材と陰圧閉鎖療法システムとの適合性を評価するためのベンチトップモデルの開発

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DOI：

10.3791/67890

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2025年5月2日

 ,  ,  , 
1Joint Graduate Biomedical Engineering Program, University of Memphis-University of Tennessee Health Science Center

この記事について

サマリー

この研究では、連続的および断続的な圧力設定の下で 72 時間を超える圧力と体液の収集を評価することにより、創傷被覆材と陰圧創傷治療システムとの適合性を評価するように設計されたベンチトップ モデルを紹介します。

要約

陰圧閉鎖療法(NPWT)システムは、創傷床に大気圧以下の圧力を加えることで創傷治癒を促進し、肉芽組織の形成を促進し、炎症を軽減します。創傷被覆材は、これらのシステムと一緒に使用して治癒を促進することができます。ただし、NPWTデバイスの性能に対するドレッシングの影響を評価するのは困難です。この研究の目的は、創傷被覆材とNPWTデバイスの適合性をテストするためのベンチトップ肉体アナログモデルを開発することでした。この研究では、キトサンベースの高度な創傷ケアデバイスが、最大および最小の治療圧力下でのNPWTパフォーマンスへの影響について評価されました。目標は、モデルを使用して、キトサン創傷ケアデバイスの有無にかかわらず、サンプルの圧力測定値と体液収集を比較することでした。ベンチトップモデルは、複数の圧力計に接続されたプラスチックの箱を使用して構築されました。豚バラ肉の一部に円形の欠陥が作成され、肉の類似物として使用され、箱に挿入されました。欠陥は、標準的なNPWTフォームまたは創傷被覆材と組み合わせたフォームで埋められました。ウシ血清を含む模擬体液を箱に加え、最大圧力(-200mmHg)または最小圧力(-25mmHg)で72時間試験しました。圧力と流体の収集は12時間ごとに記録されました。NPWTシステムは、テストドレッシングの有無にかかわらず、72時間のテスト期間にわたって圧力を維持することに成功しました。創傷被覆材の追加は、体液の収集に影響を与えませんでした。このテストボックスは、72時間のテスト期間中、密閉して真空状態を維持できるため、ベンチトップモデルとして効果的であることが証明されました。このモデルは、創傷被覆材とNPWTシステムとの適合性を評価する上での有用性を成功裏に実証しました。

概要

創傷の管理と治癒プロセスを支援するために、さまざまな治療アプローチが存在します。このような治療アプローチには、高度な創傷被覆材、成長因子、高圧酸素療法、皮膚代替品、および陰圧閉鎖療法(NPWT)1が含まれます。NPWTとは、創傷の表面に負圧を与える大気圧以下の圧力を連続的または断続的に加える創傷被覆材システムを指します。NPWTは、急性または慢性の創傷の管理のための一般的な治療法となっています2。NPWTシステムは、オープンセルフォーム、粘着性創傷被覆材、流体収集システム、および吸引ポンプ3で構成されています。吸引ポンプ(真空)は、創傷部への一定の圧力を維持するために使用され、血流を増加させ、感染のリスクを減らすのに役立ちます4。NPWTは、創傷から体液を除去し、腫脹を減少させることにより、肉芽組織の形成を促進します1。臨床的には、創傷に使用される吸引圧力の量は-20 mmHgから-200 mmHgの範囲ですが、テストされる最も関連性の高い圧力は-125 mmHgです5。

NPWTの生体外実験は、試験に適したベンチトップモデルがないため、課題となっています。NPWTシステムをテストするための現在の方法には、NPWTが切開部位にどのように影響するかをテストするために使用されてきた有限要素解析(FEA)コンピューターシミュレーションが含まれます6。他のモデルには、ベンチトップ寒天ベースの創傷モデルがあり、これは流体の取り込みをテストするために使用できる7。In vivoでは、ブタモデルは創傷治癒を調べるためにも使用されています8。これらのモデルには、コンピュータ上でシミュレーションしやすく、理論的に傷の治癒方法を予測できるほか、モデル材料を通じて流体が引き込まれる試験ができるなどの利点があります。生体内試験は、システムが生きた被験者で機能するかどうかを決定するための決定的なものです8。これらのモデルにはすべて欠点もあります。コンピュータシミュレーションでは、傷が現実にどのように治癒するかを正確に表現できない場合があります。寒天ベースのモデルは、創傷を通して引き出される良好な体液の収集を示すかもしれないが、組織や筋肉7を通して体液がどのように引き込まれるかを表していないかもしれない。In vivoモデルは高価であり、研究を完了するには多大なリソースが必要です。また、動物を半動けなくしておくのは難しい場合があるため、動物がシステムを引っ張るという課題があり、混乱する結果が生じる可能性があります。

NPWTには、実際の組織を使用して新しい材料をシステムで使用するためのテストを行うために、ベンチトップモデルが必要です。新しいモデルは、体液の収集が組織や筋肉によってどのように影響を受けるかを反映できる必要があります。また、新しいモデルは、真空ポンプが供給しているのと同じ量の圧力を創傷が受けているかどうかを判断するために、創傷床内の圧力を読み取ることができるはずです。追加の創傷被覆材、さまざまな種類のフォーム、創傷上部のさまざまな接着被覆材など、新しい材料/デバイスもテストされる場合があります。

特定の創傷では、感染のリスクを減らすことにより治癒過程を助けるために、追加の創傷被覆材が必要です。追加の創傷被覆材が必要となる別の理由は、創傷床の表面と連続気泡フォームとの間の組織の内部成長を防ぐことです。この追加のドレッシングは、創傷床が連続気泡フォームに付着するリスクを低減し、NPWTシステム9を停止する際の損傷と痛みを軽減するのに役立つ。これらの追加のドレッシングは、創傷床とフォームとの間のバリア膜として機能するために、連続気泡フォームの周囲に配置できます。創傷床と発泡体との間の界面として、パラフィンやワセリン包埋ガーゼなどの特定の材料が使用されています。パラフィンは、システムからウンド9への圧力の伝達に影響を与えないことにより、創傷被覆材としてプラスの可能性を示しています。しかし、ワセリン包埋ガーゼは体液の溜まりを阻害すると報告されており、したがって適切な追加材料とは見なされなかった9。

キトサンベースの創傷被覆材は、その抗菌効果と生体適合性10,11のために、NPWT中に追加するのに適した追加の被覆材である可能性があります。キトサンは、真菌や節足動物に見られる天然の多糖類であるキチンのN-脱アセチル化誘導体である12,13。キトサンは、広範囲のグラム陰性菌およびグラム陽性菌14に固有の抗菌特性を示しています。したがって、キトサン膜は、容易に製造でき、貯蔵寿命が長く、生来の抗菌効果を示すため、創傷の治療に普及しています10。これらの膜はまた、良好な生体適合性生分解性を示し、無毒です10。

この研究では、キトサンおよびグリコサミノグリカンの高度な創傷ケアデバイスであるFoundation DRSを調べて、NPWTとの生体適合性を決定しました。Foundation DRSは、理想的な取り扱い特性と多孔性のために製造された生分解性の皮膚再生足場で、創傷の細胞浸潤と新血管新生を促進します。このデバイスは、さまざまな怪我や用途での治癒に有利です。これは、褥瘡、糖尿病性足潰瘍、第1度の火傷、外傷、裂開創、および外科的創傷10,11など、広範囲の創傷での使用を目的として作成されました。Foundation DRSは、その製造プロセスにより、デバイスが濡れたときにヒドロゲルに変わるのを防ぐため、NPWTでの使用に適したオプションです。この装置は、濡れた状態で開いた細孔構造を維持し、NPWT12,13の塗布中に流体が流れるようにする必要があります。

この研究の目的は、創傷被覆材とNPWTデバイスとの適合性をテストするために使用できるベンチトップ肉体アナログモデルを開発することでした。臨床的には、ほとんどのNPWTアプリケーションで圧力は-80mmHgから-125mmHgの範囲です4。最悪の臨床使用条件をシミュレートするために、より高い圧力設定と低い圧力設定(-25 mmHgおよび-200 mmHg)が使用されました。この研究の別の目的は、キトサン創傷ケアデバイスの追加がNPWTの圧力測定値と体液収集に干渉したかどうかを判断することでした。NPWT中の体液収集の中断や圧力の損失は、創傷治癒と臨床転帰の低下につながる可能性があります。体液の収集は、キトサン創傷ケアデバイスの有無にかかわらず、テストグループと同様にする必要があります。.圧力測定値も、72時間にわたるテストグループ間でほぼ同じである必要があります。臨床現場では、創傷被覆材は 48 時間から 72 時間ごとに交換されるため、この研究では各サンプルを 72 時間テストしました3。テスト中は、圧力が低下していないことを確認するために、圧力測定値を観察する必要があります。

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プロトコル

本試験で使用した試薬および装置の詳細は、 材料表に記載されています。

1. テストボックスの作成

  1. 3.2カップのプラスチック容器を入手します。
  2. 容器の蓋の中央に直径2インチの穴を開けます。また、容器の蓋のエッジシールから約1/2インチの2つの角に2つの3/8穴を開けます。ホールソーを使用して穴を作成します。
    注:図 1に、実験室で製造されたベンチトップ肉体アナログボックスに接続された市販のNPWTマシンを使用した全体的なテストセットアップを示す概略図を示します。この概略図は、ボックスが実験にどのように使用されるかを概説しています。この実験用に作成したボックスを 図 2 に示します。
  3. 3/8穴の最初の穴で、圧力計を穴に直接接続します。
    注:このゲージは、組織の漏れを示すテスト組織の外側の圧力降下を監視するために使用されました。
  4. 2番目の3/8穴に、外径が3/8未満の小さな柔軟なIVチューブを穴から蓋の内側に7インチの長さまで送ります。次に、圧力管を容器の外側の低圧計に取り付けます。
    注:圧力管は、テスト中に創傷床に配置されました。

2.肉のアナログ調製

  1. 市販の塩漬け豚バラ肉(以下、ティッシュ)を使用して、NPWTテスト用の筋肉と脂肪組織をシミュレートします。
  2. 幅約1.5インチ、深さ0.75インチの#21ブレードメスを使用して、組織の表面に円形の創傷欠損を作成します。次に、#21ブレードメスで両側の脂肪を通して組織を開窓にします。
  3. 創傷欠損ができたら、組織を拭き取って皮膚から余分な脂肪を取り除き、脱イオン水に一晩浸して余分な塩分を取り除きます。

3.テストチャンバーのローディング

  1. テストチャンバーの底に、厚さ1.5インチの連続気泡フォームを充填します。次に、ティッシュをフォームの上に置きます。
    注:組織サンプルを手動で中央に配置して、作成された創傷欠陥が蓋の上部の穴の真下になるようにします。
  2. 実験群では、キトサン創傷ケアデバイスを創傷欠損部の内部に追加して、欠損部の底部と側面が覆われるようにします。次に、残りの欠陥を連続気泡フォームで埋めます。
  3. 試験チャンバーの圧力計に接続されている圧力管を、欠陥を埋めるために使用される連続気泡フォームに挿入します。このチューブが創傷欠損の表面から約半分下に配置されていることを確認してください。
  4. ティッシュを粘着性創傷被覆材で覆います。次に、連続気泡フォームの中央に直接、接着ドレッシングに小さな切り込みを入れ、創傷の欠陥を埋めます。
  5. 真空ノズルを試験チャンバーの蓋に通し、小さなカットが行われた接着剤ドレッシングの上に置きます。真空ノズルを配置した後、試験チャンバーの蓋を閉めて、接着剤創傷被覆材と真空ノズルを押し下げると、シールが作成されます。
  6. 500 mLの液体収集キャニスターを真空ポンプに接続し、次に真空ノズルを液体収集キャニスターに接続します。

4. 模擬体液の作成

  1. Marques et al.15に従ってシミュレートされた体液を作成します。
  2. 8.035 gのNaCl、0.355 gのNaHCO3、0.225 gのKCl、0.231 gのK2HPO43H2O、0.311 gのCl2Mg6H2O、0.292 gのCaCl、0.072 gのNaSO42-、6.118 gの(HOCH2)3CNH2を組み合わせて、模擬体液を作成します。 39 mLの1 M HClを960 mLの脱イオン水にすると、全溶液が1 Lになります。
    注:シミュレートされた体液の組成を 表1に示します。
  3. 次に、シミュレートされた体液とウシ血清を3:1の比率で組み合わせます。最終溶液に5%の10x抗生物質/抗真菌薬を添加して、微生物防除を行います。ウシ血清と抗生物質/抗真菌薬を加えた後、溶液を攪拌し、冷蔵庫で保存してください。
    注: 最終的なソリューションは、完全なソリューションと呼ばれます。この溶液は無菌状態に保つべきではなく、各サンプルを試験する前に新鮮にする必要があります。

5. 試験条件

  1. 試験条件に応じて、サンプルの真空ポンプの設定を調整します。
    注:テストグループは次のとおりです:グループ1コントロール(n = 3):-200 mmHgで連続吸引するフォームのみ。グループ2コントロール(n = 3):0〜-200 mmHgの断続的な吸引を伴うフォームのみ。グループ 3 (n = 3): -200 mmHg で連続吸引を行うフォーム下のキトサン創傷ケアデバイス。グループ 4 (n = 3): 0 から -200 mmHg までの間欠的に吸引するフォーム下のキトサン創傷ケアデバイス。グループ 5 コントロール (n = 3): フォームのみ、-25 mmHg で連続吸引。グループ6コントロール(n = 3):0〜-25mmHgの断続的な吸引を伴うフォームのみ。グループ 7 (n = 3): -25 mmHg で連続吸引を行うフォーム下のキトサン創傷ケアデバイス。グループ 8 (n = 3): 0 から -25 mmHg までの間欠的に吸引するフォーム下のキトサン創傷ケア装置。
  2. 最大圧力テストグループの場合は、圧力を-200mmHgに設定します。最小圧力試験グループの場合は、圧力を-25mmHgに設定します。次に、真空ポンプの設定を断続的または連続的な圧力に設定します。すべてのサンプルを72時間実行します。
    注:連続設定は、72時間連続して圧力を加えました。断続的な設定では、5/2の比率(圧力を5分間、圧力なしで2分間)で圧力を72時間加えました。最大値と最小値は、臨床 NPWT システムが使用できる圧力範囲に基づいて選択されました。72時間サイクルは、包帯交換3を行う前にNPWTが通常臨床的に使用される時間の長さに基づいて選択されました。
  3. テスト中は、圧力計の圧力と、12時間ごとに72時間にわたって液体収集キャニスター内の液体の量を記録します。
  4. 体液アナログの量が、視覚的に観察されるように、試験チャンバーの上部の75%を下回った場合は、二次圧力計を取り外し、チャンバーに完全な溶液を追加します。
    注:サンプルの準備とテストのセットアップを 図3に示します。
  5. 72時間後、真空ポンプをオフにし、液体収集キャニスターを真空ノズルから外します。真空ポンプから液体収集キャニスターを取り外します。
  6. 試験チャンバーからティッシュを取り出し、接着剤の創傷被覆材を引っ張ります。次に、オープンセルフォームを取り出し、キトサン創傷ケアデバイスが無傷であったかどうかを観察します。破損、裂け目、または引き裂かれることなく取り外すことができる場合は、無傷であると見なされます。ただし、メンブレンを完全に取り除くことができれば、わずかな裂け目や薄化は許容されます。

6. 統計分析

  1. 試験期間中、試験条件ごとに3つの試験片から12時間ごとに記録された圧力値を統計分析に使用します。統計分析のために、3つの試験片からの最終的な流体収集値を試験条件ごとに使用しました。
    注:すべての統計分析について、有意水準はα = 0.05に設定されました。
  2. 各時点の平均と標準偏差(n = 3/グループ)を計算します。統計分析を実行する前に、Shapiro-Wilk 検定を使用して各グループの正規性検定 (-200 mmHg での連続吸引、-25 mmHg での連続吸引、-200 mmHg での断続吸引、-25 mmHg での断続吸引など) を実行して、ANOVA 検定と Kruskal-Wallis 検定が適切かどうかを判断します。
  3. 同じ圧力試験条件(例:-200 mmHgでの連続吸引、-25 mmHgでの連続吸引、-200 mmHgでの間欠吸引、または-25 mmHgでの間欠吸引)にさらされた実験群と対照群のデータを、メンブレンの種類と時間を主な要因とする二元配置ANOVAまたはKruskal Wallis試験を使用して分析します。
  4. 統計的な違いが特定された場合は、事後分析を実行します。分散分析(ANOVA)の後のテューキーのHSD事後検定またはKruskal-Wallis検定の後のダンの事後検定を使用して、どのグループが異なるかを判断します。
  5. 対照群と実験群の各サンプルの最終的な流体収集値を使用して、分散が等しくないと仮定した両側のt検定を実行します。
    注:テスト期間中、圧力の大幅な低下がなかったことを確認するために、各時点で圧力を分析しました。体液の収集は毎回調査されましたが、分析されたのは最終的な時点でのみでした。これは、各組織の脂肪と筋肉のプロファイルが異なるため、体液の収集率が異なるため、時間的な時点での体液の収集よりも全体的な体液の収集が分析に有用であるためです。

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結果

この研究の目標は、組織アナログを使用する NPWT のベンチトップ モデルを開発し、そのモデルを使用して創傷被覆材と陰圧創傷治療装置との適合性を調査することでした。このモデルは、NPWTマシンが創傷ケアデバイスを追加することで時間の経過とともに圧力を維持できるかどうかを調べるために使用されました。このモデルは、創傷ケアデバイスの存在下でNPWTマシンによって生成される圧力と収集された液体が、デバイスの不在と比較して異なるかどうかを判断するためにも使用されました。

平均±標準偏差の圧力は、各対照群および実験群の72時間の試験において、各時点で計算された。各グループについて、圧力測定値を比較して、時間の経過とともに圧力降下または圧力上昇があるかどうかを判断しました。最大圧力と最小圧力での4つの試験条件すべてについて、対照群と実験群の両方で、72時間の試験期間中、圧力の統計的変化はありませんでした(p > 0.7)。72時間の試験期間中、どのグループでも圧力降下は見られなかったため、キトサン膜の添加は試験中の真空ポンプの性能に影響を与えませんでした。

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ディスカッション

NPWTにはいくつかのベンチトップモデルがありますが、大きな制限があります。Loveluckらは、NPWTが縫合切開部位にどのように影響したかを決定するためのFEAコンピュータモデルを開発しましたが、追加の創傷被覆材は考慮していませんでした6。Rycerz et al. NPWT7 中の創傷への点滴液分布を評価するための寒天ベースのモデルを開発しました。寒天は、さまざまなモデルにおける水溶性材料/染料の分布を評価するための媒体を提供しましたが、NPWTにさらされた筋肉および脂肪組織が関与する創傷の複雑な不均一構造を再現しない単純な均質材料です。また、これらの試験は、最大3.5時間という比較的短い時間で実施されたが、臨床状態では、創傷被覆材を交換する前に真空が48〜72時間オンになるのが一般的である3。あるいは、 in vivoでは、ブタモデルを使用することができるが、高価であり、使用前に特別な監視および承認プロ...

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開示事項

この研究は、Bionova Medical, Inc.(テネシー州ジャーマンタウン)からの助成金によって支援されました。

謝辞

この研究は、メンフィス大学生物医学工学科とBionova Medicalの協力を得て実現しました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
100x 抗生物質/真菌剤Gibco15240062これは、模擬体液 3 M KCI ACTIV に使用される 100X 抗生物質/抗真菌剤
。A.Cセラピーシステム KCI Mdical ProductsVFTR006619これは、この研究で使用された真空ポンプです。 
3 M KCI InfoV.A.C キャニスター ゲル付き 500 mLeSutures.comM8275063これらは、研究で使用された液体収集キャニスターです
3 M KCI V.A.C GranuFoam Medium Dressing Kit, SensaT.R.A.CM8275052 これらは、オープンセルフォームを含む真空ノズルを備えた創傷ドレッシングパックです。
ウシ血清Gibco16170086これは、シミュレートされた体液と抗生物質/抗真菌薬と混合するために使用されました
塩化カルシウムフィッシャーサイエンティフィックC614-500これは、シミュレートされた体液を作成するために使用されました
Excel/PowerpointMicrosoft OfficeN/Aこれは、統計を実行し、図1
Foundation DRS Solo バイオノバメディカル N/Aこれは、この研究で使用された高度なキトサン創傷ケアデバイスです。 
塩酸フィッシャー・サイエンティフィSA54-1これは、シミュレートされた体液を作成するために使用されました
塩化マゲンシウムフィッシャー・サイエンティフィックM33-500これは、シミュレートされた体液
リン酸緩衝生理食塩水サーモ・サイエンティフィックJ62036を作成するために使用されました。K3これは、100倍抗生物質/抗真菌薬を10倍塩化カリウムに希釈するために使用されました
塩化カリウムSIGMA P-3911これは、シミュレートされた体液
カリウムリン酸二塩基性フィッシャーBioReagentsBP363-500使用されました これは、Hg
PRMろ過でシミュレートされた体液PRM真空ゲージ0〜-10PGCNBTY630652J10HG試験チャンバーには2つの圧力計が必要です。
塩漬け豚バラHormel Food CorporationsUPC: 0003760037988塩漬け豚バラ肉はクローガーから購入できます。スライスすることはできません。脂肪が少なく、筋肉が多いサンプルを選ぶのが最善です。 
重炭酸ナトリウムSIGMAS5761-500Gこれは、シミュレートされた体液を作成するために使用されました
塩化ナトリウムフィッシャーサイエンティフィックS640-500これは、シミュレートされた体液を作成するために使用されました
硫酸ナトリウムフィッシャーサイエンティフィックBP166-100これは、シミュレートされた体液
ス(ヒドロキシメチル)アミノメタンフィッシャーサイエンティフィックBP152-500を作成するために使用されましたこれは、シミュレートされた体液を作成するために使用されました
タッパーウェア ブランド Corp, キシミー , FLタッパーウェアN/Aこれは、試験室として使用されるボックスです。 
です eSutures.com ック を作成するためにを作成するために使用されました肉 トリ

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