Force tendançante des biomatériaux résorbables

Biomedical Engineering

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Overview

Source : Peiman Shahbeigi-Roodposhti et Sina Shahbazmohamadi, Département de génie biomédical, Université du Connecticut, Storrs, Connecticut

Depuis plus de 4000 ans, les sutures sont utilisées comme intervention médicale. Les premiers enregistrements indiquent que le linge était le biomatériau de choix. Catgut, qui est encore en usage aujourd'hui, aurait été utilisé pour traiter les gladiateurs autour de 150 après JC. Aujourd'hui, il existe de nombreux matériaux utilisés pour les sutures. Les sutures sont classées par leur composition (naturelle ou synthétique) et leur absorption (non résorbable ou résorbable).

Les sutures résorbables (ou absorbables) se dégradent dans le corps par une dégradation enzymatique ou une dégradation programmée causée par l'interaction de l'eau avec des groupes spécifiques de la chaîne des polymères. Ces sutures sont souvent créées à partir de matériaux synthétiques, tels que l'acide polyglycolique, la polydioxanone, et la polycaprolactone, ou des biomatériaux naturels, tels que la soie. Ils sont généralement utilisés pour certaines procédures internes, comme la chirurgie générale. Sutures résorbables tiendra la plaie ensemble pendant une période assez longue pour la guérison, mais ensuite ils finissent par se désintégrer par le corps. D'autre part, les sutures non résorbables ne se dégradent pas et doivent être extraites. Ils sont généralement dérivés de polypropylène, de nylon et d'acier inoxydable. Ces sutures sont généralement mises en œuvre pour la chirurgie orthopédique et cardiaque et nécessitent un professionnel de la santé pour les enlever à une date ultérieure.

Ici, la résistance de deux types de sutures résorbables sera testée après les avoir exposés à des solutions neutres, acides et alcaline, qui correspondent aux différents environnements de pH présents dans le corps humain. Le test se composera de deux parties. Tout d'abord, les échantillons témoins seront préparés et analysés au moyen d'essais tendus. Ensuite, des échantillons seront testés après l'exposition continue à des solutions de pH variable au cours de plusieurs semaines.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie biomédical. Force tendançante des biomatériaux résorbables. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

La dégradation des matériaux décrit la perte de performance et le changement des propriétés des matériaux, tels que la force, la couleur et la forme de la tension, après l'exposition à un ou plusieurs facteurs environnementaux. Ces facteurs comprennent la chaleur, la lumière, les forces mécaniques ou l'exposition chimique, comme les acides, les alcalis ou les sels. Une façon de contrôler la dégradation est par l'ingénierie de surface. Ceci est accompli en protégeant une surface avec une couche protectrice ou en modifiant le matériau lui-même, par exemple, par le biais de liaisons croisées.

Ici, des échantillons de spécimens disponibles dans le commerce sont testés dans une machine d'essai avec un transducteur de force. Les échantillons sont placés solidement dans les pinces de la machine d'essai (UTM), l'UTM est mis à zéro, et une vitesse de déplacement de 6 mm/min est lancée jusqu'à la défaillance. Après l'échec, la force de pointe est enregistrée. La conception expérimentale est montrée dans la figure ci-dessous.

Figure 1
Figure 1 : Conception expérimentale.

Deux sutures résorbables seront utilisées dans cette expérience : les sutures polyglyconates et les sutures polydioxanone. Des sutures polyglyconates synthétiques sont préparées à partir d'une réaction nécessitant du glycolide et du carbonate de triméthylène. Lors de la formation de poly (glycolide-co-triméthylène carbonate), ils sont polymérisés. Ces polyglycolides ont une structure linéaire de (C8H10O7)n, qui est montrée ci-dessous dans la figure 2. D'autre part, les sutures de monofilament violet De PDS II sont synthétisées à partir de polymères de polydioxanone, avec une structure linéaire de (C4H6O3)n. Polydioxanone est montré ci-dessous dans la figure 3.

Figure 2
Figure 2 : Poly (glycolide-co-triméthylène carbonate) utilisé pour polymériser les sutures polyglyconates.

Figure 3
Figure 3 : Polydioxanone utilisé pour polymériser les sutures.

Les deux sutures suivent les réactions d'hydrolyse par le processus de dégradation. Pour le polyglycolide, une hydrolyse en deux étapes se produit. Tout d'abord, le polymère est d'abord converti en son monomère (acide glycolique) par le clivage de ses liaisons ester internes. Ensuite, une attaque hydrolytique sur les parties cristallines du polymère se produit. Au fur et à mesure que les régions cristallines se dissolvent, le polymère s'effondre. De même, les sutures de polydioxanone sont en toute sécurité dégradées par le radical ester. Les composés dégradés des deux types de suture sont non toxiques et sécrétés en toute sécurité par la miction ou l'expiration.

Au fil du temps, la solution devient plus acide, en raison de la présence accrue d'ions hydroxyles. Les radicaux d'acide carboxylique sont générés à partir des extrémités des monomères dégradés, ce qui abaisse le pH de la solution environnante. Des études récentes ont montré que les structures de polyglycolide et de polydioxanone se dégradent plus rapidement in vivo qu'in vitro,provoquées par l'activité enzymatique cellulaire2. Les effets dus à la présence d'enzymes biologiques ne sont pas observés au cours de cette procédure in vitro.

Procedure

1. Préparation de l'échantillon

  1. Créez six étiquettes contenant les informations ci-dessous et fixez les étiquettes sur des tubes à essai à vis.
    1. Date: mois et jour
    2. Type d'échantillon : polyglyconate ou polydioxanone
    3. Type de solution : solution acide (A), alcaline (B), ou solution neutre (N) avec pH allant de 2 à 14.
  2. Ouvrez l'emballage de suture et retirez la suture. Couper l'aiguille et la jeter dans le récipient de pointes.
  3. Couper la suture en 3 morceaux qui sont d'environ 10-12 de long.
  4. Notez la couleur et les caractéristiques physiques de la suture.
  5. Utilisez un étrier pour mesurer le diamètre de chaque suture.
  6. Peser chaque suture et placer un échantillon dans chaque tube à essai.
  7. Remplissez les tubes à essai étiquetés « N » avec suffisamment d'eau déionisée pour couvrir la suture, puis plafons les tubes à essai.
  8. Utilisez une pipette pour remplir les tubes à essai étiquetés « A » avec une solution HCl de 0,001 M pour couvrir la suture. N'oubliez pas de plafonner les tubes à essai.
  9. Utilisez une pipette pour remplir les tubes à essai étiquetés « B » avec une solution NaOH de 0,001 M suffisante pour couvrir la suture. N'oubliez pas de plafonner les tubes à essai.
  10. Placer les six tubes à essai dans la grille métallique dans un four à 37 oC.

2. Contrôledez l'essai de tension d'échantillon

  1. Obtenir une suture fraîche, l'échantillon témoin, et le placer dans l'appareil de l'UTM et fixer en place.
  2. Avant d'initier la tension sur le spécimen, zéro l'UTM en appuyant sur les touches F1 (zéro force) et F2 (zéro ext). Enregistrez le réglage de vitesse de déplacement sur la feuille de données.
  3. Assurez-vous que la tenue de pointe est affichée sur le panneau d'affichage UTM.
  4. Démarrez l'UTM en appuyant sur la touche de flèche vers le haut. La force et le déplacement commenceront à changer sur l'UTM.
  5. Chargez le spécimen jusqu'à l'échec. Puis arrêtez l'UTM.
  6. Enregistrez la force de pointe de l'écran UTM.

3. Profil de perte de force

  1. Retirer un de chaque échantillon (A, B et N) du four chaque semaine pendant cinq semaines.
  2. Mesurer le pH de la solution dans le tube à essai avec du papier pH.
  3. Rincer la suture avec de l'eau déionisée, et noter tout changement physique ou de couleur du matériau dans chaque échantillon.
  4. Si nécessaire, tapoter l'échantillon à sec avec un essuie-tout.
  5. Peser chaque échantillon et enregistrer le nouveau poids
  6. Placez le spécimen dans les poignées de l'UTM et verrouillez-le en place.
  7. Avant d'initier la tension sur le spécimen, zéro l'UTM en appuyant sur les touches F1 (zéro force) et F2 (zéro ext).
  8. Assurez-vous que la tenue de pointe est affichée sur le panneau d'affichage UTM, et vérifiez que la vitesse de déplacement sur l'UTM est la même que lorsque vous avez testé l'échantillon de contrôle.
  9. Chargez le spécimen jusqu'à l'échec. Puis arrêtez l'UTM.
  10. Enregistrez la force maximale à la défaillance de l'écran UTM.

Sutures ont été utilisés pendant des milliers d'années pour l'intervention médicale, avec les premiers matériaux étant le lin ou l'intestin de chat.

Les sutures utilisées aujourd'hui sont maintenant classées par deux catégories différentes, d'abord par composition, soit par des matériaux naturels ou synthétiques, et par absorption, non résorbables ou résorbables. Les matériaux résorbables se dégradent dans le corps principalement par dégradation programmée causée par l'interaction de l'eau avec des groupes chimiques spécifiques dans la chaîne de polymère. Ainsi, ces matériaux sont utilisés pour maintenir une plaie ensemble pendant une période assez longue pour la guérison sans avoir besoin d'enlèvement.

Dans cette vidéo, nous discuterons des mécanismes qui sous-tendent la dégradation des matériaux résorbables et démontrerons comment évaluer le changement de force des matériaux au fil du temps lorsqu'ils sont exposés à différents environnements.

Les matériaux résorbables se dégradent principalement dans le corps par la dégradation oxydative, hydrolytique et enzymatique. Les matériaux peuvent subir une oxydation in vivo lorsque le corps réagit à l'objet étranger et libère des espèces oxydantes pour l'attaquer. L'effet oxydant sur les polymères peut provoquer une scission des chaînes et contribuer à la dégradation. Dans la dégradation hydrolytique, l'eau attaque les liaisons sensibles dans le polymère pour générer des oligomères et enfin des monomères.

Les polyesters comme la polydioxanone sont couramment utilisés comme matériaux résorbables parce que le groupe ester est facilement dégradé par hydrolyse. Une fois le matériau implanté, il commence à absorber l'eau. La scission hydrolytique commence alors partout où le matériau est en contact avec l'eau. Les matériaux hydrophiles absorbent plus d'eau, et donc se dégradent plus rapidement tout au long. Cependant, les matériaux hydrophobes absorbent l'eau plus lentement et ont tendance à se dégrader de l'extérieur.

Les enzymes dans le corps catalysent diverses réactions et ainsi, catalysent la dégradation hydrolytique des matériaux aussi bien. La réaction d'hydrolyse est catalysée par des enzymes appelées hydrolases qui peuvent augmenter le taux de dégradation hydrolytique jusqu'à 10 fois. Au fur et à mesure que le matériau se dégrade, les propriétés mécaniques du matériau changent également.

Jetons un coup d'oeil à la façon d'analyser le changement de la force des matériaux résorbables au fil du temps en raison de la dégradation hydrolytique dans les environnements acides, neutres et alcalins.

Pour cette expérience, obtenir deux types de sutures résorbables. Ici, nous utilisons du polyglyconate et de la polydioxanone.

Préparer six tubes d'échantillon de bouchon de vis chacun étiqueté avec la date, le type d'échantillon et la solution dans laquelle l'échantillon sera placé. Il devrait y avoir un acide, un alcalin, et une solution neutre pour chaque type d'échantillon. Ici, nous montrons un de chaque échantillon. Cependant, vous devez préparer trois échantillons de chaque type de suture pour chaque point de temps.

Ensuite, ouvrez l'emballage de suture et retirez la suture. Couper l'aiguille de la suture et l'éliminer dans le récipient de pointes. Couper chaque suture en trois morceaux d'environ 10 à 12 pouces de long. Notez les caractéristiques physiques de la suture. Utilisez un étrier pour mesurer le diamètre de chaque suture et notez la dimension initiale.

Enfin, pesez chaque suture, enregistrez le poids et placez une suture dans chaque tube d'échantillon. Remplissez les tubes d'échantillon neutres avec suffisamment d'eau déionisée pour que la suture soit complètement submergée et plafonnez le tube. Ensuite, remplissez les tubes acides d'acide chlorhydrique dilué et remplissez les tubes d'échantillon alcalin s'ilntuent la solution diluel. Enfin, placez les six tubes d'échantillon dans un support dans un incubateur à 37 degrés Celsius.

Maintenant, nous allons jeter un oeil à la façon de déterminer la force des sutures en utilisant des tests de tension. L'essai tendu charge un échantillon en l'étirant jusqu'à l'échec, permettant la détermination de la force matérielle.

Tout d'abord, testez des sutures fraîches qui n'ont pas été incuber dans des solutions de test. Placez la suture dans l'appareil de l'instrument et fixez-la en place. L'échantillon témoin doit être de la même longueur que l'instrument qui est d'environ 10 à 12 pouces. Ensuite, zéro l'instrument et enregistrer le réglage de vitesse de déplacement. Assurez-vous que la prise de pointe est affichée sur le panneau de commande. Puis initier la tension sur la suture. La force et le déplacement commenceront à changer sur l'instrument. Chargez la suture jusqu'à l'échec. Ensuite, éteignez l'instrument et enregistrez la force de pointe du panneau d'affichage.

Maintenant, nous allons mesurer la résistance de la résistance des échantillons qui avaient été exposés à des solutions à pH variable.

Après le temps spécifié, retirer les échantillons du four. Mesurer le pH de la solution dans chaque tube à l'aide de papier pH. Après que le pH de toutes les solutions aient été mesurés, retirez la suture pour être testée et rincez-la avec de l'eau déionisée. Notez les caractéristiques physiques du matériau.

Pat l'échantillon sec avec un essuie-tout, puis le peser et enregistrer la nouvelle masse. Ensuite, placez le spécimen dans les poignées du testeur de tension et verrouillez-le en place. Zéro l'instrument et assurez-vous que la vitesse de déplacement est la même que utilisée pour l'échantillon de contrôle. Vérifiez également que la prise de pointe est affichée. Maintenant, chargez le spécimen jusqu'à l'échec. Enregistrez la force de pointe de l'écran. Répétez le test de tension pour chaque échantillon au cours de l'étude de temps.

Voyons maintenant comment analyser les données pour déterminer la résistance des échantillons.

Tout d'abord, calculer le stress tendineux moyen de chaque échantillon en divisant la force de pointe par la zone transversale de la suture. Ensuite, calculez la force de tension pour cent retenue par la suture après l'incubation à l'aide de la formule indiquée. Une parcelle de résistance au fil du temps pour chaque échantillon montre que la force des deux types de sutures a diminué au fil du temps dans les solutions acides, neutres et alcaline.

Les structures de polydioxanone se sont dégradées plus dans la solution acide, avec seulement 41% de la force de tension originale maintenue après cinq semaines, alors que 49 et 78% de la force a été maintenue pour les solutions neutres et alcalines, respectivement. Les sutures polyglyconates se sont dégradées de la même façon dans les trois solutions en conservant environ 42% de la force dans les solutions acides, neutres et alcaline après cinq semaines. Les résultats sont attendus car les matériaux possèdent tous deux des liaisons ester qui sont sensibles à la scission hydrolytique, qui est améliorée à un pH élevé et faible.

Jetons maintenant un coup d'oeil à où les matériaux résorbables sont utilisés dans le domaine du génie biomédical.

Les matériaux résorbables comme les sutures testées dans cette vidéo sont le plus couramment utilisés dans les procédures chirurgicales pour permettre la guérison des sites chirurgicaux tout en éliminant la nécessité de l'ablation des sutures. Cependant, les matériaux résorbables jouent également un rôle dans l'ingénierie tissulaire comme échafaudage pour les tissus d'ingénierie. Les échafaudages de tissu résorbables fournissent la structure tridimensionnelle initiale pour le tissu, mais se dégradent lentement pendant que les cellules se développent et créent leur propre matériel structurel. Finalement, l'échafaudage initial n'est plus nécessaire et le tissu conçu ressemble plus étroitement aux tissus indigènes.

La greffe osseuse consiste à remplacer les os manquants ou endommagés afin d'aider les grandes fractures à guérir. Dans cette étude, les chercheurs ont créé un défaut dans le crâne en perçant un trou de cinq millimètres. Le fragment d'os a été détaché et la greffe d'os attachée à l'os à l'aide de colle à fibrine. Bien que l'os de donneur soit souvent employé, les matériaux résorbables présentent une alternative permettant à la greffe de se dégrader loin pendant que l'os indigène se développe.

Vous venez de regarder l'introduction de JoVE aux matériaux résorbables. Vous devez maintenant comprendre comment ces matériaux se dégradent in vivo et in vitro, comment tester les changements de force en raison de la dégradation, et certaines applications de ces matériaux dans le domaine du génie biomédical. Merci d'avoir regardé!

Results

Pendant cinq semaines, tous les spécimens traités ont été testés et analysés. Dans l'ensemble des essais, les forces tendineuses moyennes ont été calculées à l'aide de l'équation 1 :

Equation 1(1)

Les écarts types de toutes les forces en cas d'échec en ce qui concerne le type de suture et l'environnement de solution ont également été calculés. Enfin, la force de tension pour cent retenue a été déterminée en utilisant la force moyenne de la tension. Vous trouverez ci-dessous les graphiques montrant des résultats représentatifs.

Equation 2(2)

Le profil moyen de force-perte pour les sutures polyglyconates dans toutes les gammes de pH étaient autour de 81%, 76%, 66%, et 54% pour les quatre premières semaines, respectivement. Pendant les quatre premières semaines de l'expérience, ce profil est presque identique aux allégations du fabricant pour ces sutures. Il est également évident que le profil polyglyconate original se dégrade à un rythme légèrement plus rapide que les sutures in vitro expérimentales. Ceci est attribué au fait que le fabricant a effectué des tests in vivo, où des facteurs tels que la dégradation enzymatique étaient présents. La présence d'enzymes biologiques peut augmenter considérablement le taux de dégradation et de réabsorption des biomatériaux. L'essai in vivo soumet le spécimen à différents stress et interactions biochimiques que les procédures in vitro manquent. Les tests in vivo sont généralement privilégiés par-dessus les tests in vitro, car ils permettent d'observer les effets globaux d'une expérience sur un sujet vivant.

Figure 4
Figure 4 : Solution acide : Force tendinite de suture.

Figure 5
Figure 5 : Solution neutre, force tendinite de suture.

Figure 6
Figure 6 : Solution alcaline, force tendansile de suture.

Figure 7
Figure 7 : Solution acide, pourcentage de force tensile retenue.

Figure 8
Figure 8 : Solution neutre, pourcentage de force tensile retenue.

Figure 9
Figure 9 : Solution de base, pourcentage de force tensile retenue.

Contrôle 7 jours 14 jours
PH moyen PH moyen PH moyen
N/A Acide Neutre Base Acide Neutre Base
5 6 8 4 6 9
Force (N) Force (N) Force (N)
93.63 83.67 85.67 78.40 74.63 83.53 78.40
102.07 98.53 93.50 82.77 71.73 77.30 80.83
101.43 78.13 81.03 86.77 75.08 81.73 80.33
97.80 79.50 75.73 82.40 76.50 74.67 81.17
86.43 79.93 81.63 75.33 67.00 87.10 94.80
94.23 96.80 98.07 89.27 91.43 87.47
21 jours 28 jours 35 jours
PH moyen PH moyen PH moyen
Acide Neutre Base Acide Neutre Base Acide Neutre Base
4 6 9 4 6 8 4 6 8
Force (N) Force (N) Force (N)
56.53 58.70 85.97 51.53 58.57 73.22 36.37 38.77 74.67
60.73 65.33 75.80 49.70 51.43 72.20 24.20 34.83 67.70
58.27 63.53 69.23 56.87 72.20 83.20 36.30 42.37 73.27
64.93 66.83 81.60 40.63 28.40 72.90 21.60 36.83 74.63
68.57 63.90 81.90 29.70 58.70 80.93 42.00 40.97 75.67
75.20 76.17 61.63 20.83 69.47 83.33 31.37 45.33 81.77
85.63 94.17 85.00 36.37 78.13 76.73 87.53 90.77 81.83
60.33 75.83 80.47 52.33 66.67 85.83

Tableau 1 : Données globales sur la suture en polydioxanone sur 5 semaines, forces à l'échec

Contrôle 7 jours 14 jours
PH moyen PH moyen PH moyen
N/A Acide Neutre Base Acide Neutre Base
4 6 9 4 6 9
Force (N) Force (N) Force (N)
170.80 131.37 147.03 146.23 122.07 117.87 135.17
170.93 147.70 142.60 152.63 129.30 132.13 129.87
167.70 134.00 153.80 120.13 107.93 113.13 101.57
162.37 112.90 102.87 111.07 139.63 120.47 111.20
156.70 153.20 124.63 103.80 123.80 131.47 129.57
152.87 145.90 123.33 143.57 146.13 144.57
21 jours 28 jours 35 jours
PH moyen PH moyen PH moyen
Acide Neutre Base Acide Neutre Base Acide Neutre Base
4 6 8 4 6 8 4 5 7
Force (N) Force (N) Force (N)
110.63 109.13 115.27 93.67 93.40 74.57 50.43 54.03 44.80
115.10 113.13 87.90 75.40 100.50 77.93 82.47 78.67 78.70
120.50 128.93 116.37 111.43 108.00 109.73 80.47 42.83 80.20
114.03 116.43 101.03 84.23 87.17 80.10 69.40 81.13 77.10
118.83 110.93 107.43 51.47 66.90 81.60 68.70 81.50 46.97
78.33 87.90 115.57 59.87 93.77 61.07 76.87 82.73 82.53
131.20 141.07 107.83 105.60 111.73 112.21 68.00 57.27 86.23
80.47 122.70 91.67 103.67 110.10 105.67

Tableau 2 : Données globales sur la suture en polyglyconate sur 5 semaines, forces à l'échec

Au fil du temps, les forces tensiles de tous les spécimens de suture ont diminué. En outre, pour les sutures de polydioxanone, un environnement acide a été le plus dommageable car seulement 41,46% de la force de tension originale a été maintenue, tandis que 78,58% et 48.95% de la force de tension originale a été maintenue pour les sutures polydioxan dans l'alcalin et solutions neutres, respectivement. D'autre part, les pourcentages de rétention de force au fil du temps pour les sutures polyglyconate à travers différentes solutions de pH étaient tous similaires. La plus grande diminution de la force de tension pour les sutures polyglyconates a été observée dans un environnement neutre, où seulement 41,22% de la force originale a été maintenue. Dans les environnements acides et alcalins, 42,79% et 42,81% de la force de tension originale ont été conservés pour les sutures polyglyconates, respectivement.

Si les sutures avaient été incubées à une température plus élevée, elles se seraient dégradées plus rapidement en raison de l'augmentation de l'énergie inhérente dans le système. Cela permettrait à plus de dépolymérisation spontanée en monomères de se produire. En d'autres termes, à mesure que la température augmente, la résistance est affectée négativement. En outre, si les sutures étaient maintenues à un stress constant, les risques de pourriture augmenteraient également. Cela serait dû à la déformation de la fluage; l'étirement des sutures crée des endroits plus faibles qui sont les premiers à l'absorption. Si les sutures devaient être attachées en noeuds, un scénario similaire se produirait.

Applications and Summary

Dans cette expérience, la force tendancieux des sutures dans différents environnements de pH ont été évaluées. Pendant cinq semaines, les forces tensiles de deux types différents de sutures ont été explorées après exposition aux solutions acides, alcaline, et neutres. Les résultats indiquent massivement que les sutures bioabsorbables se dégraderont avec le temps dans n'importe quel environnement de pH.

Bien que les sutures polyglyconates se dégradent à un rythme plus rapide, le rester plus fort par rapport aux sutures polydioxanone. Les résultats expérimentaux montrent également que dans les périodes prolongées, les sutures de polydioxanone conservent plus de leur force que les sutures polyglyconates, car le taux plus rapide de dégradation des sutures polyglyocnatedevient plus évident. Néanmoins, puisque l'expérience a été réalisée in vitro,aucune conclusion substantielle ne peut être tirée pour l'efficacité des sutures de polyglyconate ou de polydioxanone dans un modèle biochimique plus actif. La dégradation enzymatique est un aspect critique qui doit être pris en considération. Quoi qu'il en soit, les deux sutures sont des candidats viables pour les interventions chirurgicales. Cette étude confirme l'importance de ce type de recherche.

Les sutures résorbables fournissent un soutien temporaire des plaies, ce qui permet à la plaie de guérir suffisamment bien pour résister aux forces normales. Généralement, les sutures résorbles sont employées pour des procédures internes, ainsi des procédures chirurgicales additionnelles seraient inutiles pour l'enlèvement de suture. Lors de la désintégration, peu ou pas de traces de la suture restent. Des sutures résorbables sont également employées dans les patients qui ne peuvent pas retourner pour une procédure d'enlèvement de suture. D'autre part, les sutures non résorbles sont couramment utilisées dans la fermeture épidermique, où les sutures peuvent être facilement enlevées après un certain laps de temps. En outre, les sutures non résorbles sont souvent utilisées dans des environnements internes stressants, lorsque les sutures résorbables sont incapables de fournir un soutien suffisant des plaies. Les structures internes telles que le cœur, qui résiste constamment à diverses pressions et mouvements, nécessitent des sutures non résorbables. D'autres applications des sutures non résorbles incluent des chirurgies orthopédiques et la fermeture sternale dans les chirurgies cardiaques. Étant donné que les sutures résorbables sont utilisées dans les parties internes et plus critiques du corps, il est important de tester leur résistance et d'analyser la qualité du produit.

Liste des matériaux

Nom Société Numéro de catalogue Commentaires
Équipement
Suture
Règle
Ciseaux
Étriers
Pincettes
Échelle
Testeur Tinius Olsen
Four
Conteneur d'échantillon
Béchers
Pipette
Remplisseurs de pipette
Tube Pipette
Verrerie
Produits chimiques
Eau désionisée
Acide chlorhydrique (HCL)
Hydroxyde de sodium (NaOH)

References

  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

1. Préparation de l'échantillon

  1. Créez six étiquettes contenant les informations ci-dessous et fixez les étiquettes sur des tubes à essai à vis.
    1. Date: mois et jour
    2. Type d'échantillon : polyglyconate ou polydioxanone
    3. Type de solution : solution acide (A), alcaline (B), ou solution neutre (N) avec pH allant de 2 à 14.
  2. Ouvrez l'emballage de suture et retirez la suture. Couper l'aiguille et la jeter dans le récipient de pointes.
  3. Couper la suture en 3 morceaux qui sont d'environ 10-12 de long.
  4. Notez la couleur et les caractéristiques physiques de la suture.
  5. Utilisez un étrier pour mesurer le diamètre de chaque suture.
  6. Peser chaque suture et placer un échantillon dans chaque tube à essai.
  7. Remplissez les tubes à essai étiquetés « N » avec suffisamment d'eau déionisée pour couvrir la suture, puis plafons les tubes à essai.
  8. Utilisez une pipette pour remplir les tubes à essai étiquetés « A » avec une solution HCl de 0,001 M pour couvrir la suture. N'oubliez pas de plafonner les tubes à essai.
  9. Utilisez une pipette pour remplir les tubes à essai étiquetés « B » avec une solution NaOH de 0,001 M suffisante pour couvrir la suture. N'oubliez pas de plafonner les tubes à essai.
  10. Placer les six tubes à essai dans la grille métallique dans un four à 37 oC.

2. Contrôledez l'essai de tension d'échantillon

  1. Obtenir une suture fraîche, l'échantillon témoin, et le placer dans l'appareil de l'UTM et fixer en place.
  2. Avant d'initier la tension sur le spécimen, zéro l'UTM en appuyant sur les touches F1 (zéro force) et F2 (zéro ext). Enregistrez le réglage de vitesse de déplacement sur la feuille de données.
  3. Assurez-vous que la tenue de pointe est affichée sur le panneau d'affichage UTM.
  4. Démarrez l'UTM en appuyant sur la touche de flèche vers le haut. La force et le déplacement commenceront à changer sur l'UTM.
  5. Chargez le spécimen jusqu'à l'échec. Puis arrêtez l'UTM.
  6. Enregistrez la force de pointe de l'écran UTM.

3. Profil de perte de force

  1. Retirer un de chaque échantillon (A, B et N) du four chaque semaine pendant cinq semaines.
  2. Mesurer le pH de la solution dans le tube à essai avec du papier pH.
  3. Rincer la suture avec de l'eau déionisée, et noter tout changement physique ou de couleur du matériau dans chaque échantillon.
  4. Si nécessaire, tapoter l'échantillon à sec avec un essuie-tout.
  5. Peser chaque échantillon et enregistrer le nouveau poids
  6. Placez le spécimen dans les poignées de l'UTM et verrouillez-le en place.
  7. Avant d'initier la tension sur le spécimen, zéro l'UTM en appuyant sur les touches F1 (zéro force) et F2 (zéro ext).
  8. Assurez-vous que la tenue de pointe est affichée sur le panneau d'affichage UTM, et vérifiez que la vitesse de déplacement sur l'UTM est la même que lorsque vous avez testé l'échantillon de contrôle.
  9. Chargez le spécimen jusqu'à l'échec. Puis arrêtez l'UTM.
  10. Enregistrez la force maximale à la défaillance de l'écran UTM.

Sutures ont été utilisés pendant des milliers d'années pour l'intervention médicale, avec les premiers matériaux étant le lin ou l'intestin de chat.

Les sutures utilisées aujourd'hui sont maintenant classées par deux catégories différentes, d'abord par composition, soit par des matériaux naturels ou synthétiques, et par absorption, non résorbables ou résorbables. Les matériaux résorbables se dégradent dans le corps principalement par dégradation programmée causée par l'interaction de l'eau avec des groupes chimiques spécifiques dans la chaîne de polymère. Ainsi, ces matériaux sont utilisés pour maintenir une plaie ensemble pendant une période assez longue pour la guérison sans avoir besoin d'enlèvement.

Dans cette vidéo, nous discuterons des mécanismes qui sous-tendent la dégradation des matériaux résorbables et démontrerons comment évaluer le changement de force des matériaux au fil du temps lorsqu'ils sont exposés à différents environnements.

Les matériaux résorbables se dégradent principalement dans le corps par la dégradation oxydative, hydrolytique et enzymatique. Les matériaux peuvent subir une oxydation in vivo lorsque le corps réagit à l'objet étranger et libère des espèces oxydantes pour l'attaquer. L'effet oxydant sur les polymères peut provoquer une scission des chaînes et contribuer à la dégradation. Dans la dégradation hydrolytique, l'eau attaque les liaisons sensibles dans le polymère pour générer des oligomères et enfin des monomères.

Les polyesters comme la polydioxanone sont couramment utilisés comme matériaux résorbables parce que le groupe ester est facilement dégradé par hydrolyse. Une fois le matériau implanté, il commence à absorber l'eau. La scission hydrolytique commence alors partout où le matériau est en contact avec l'eau. Les matériaux hydrophiles absorbent plus d'eau, et donc se dégradent plus rapidement tout au long. Cependant, les matériaux hydrophobes absorbent l'eau plus lentement et ont tendance à se dégrader de l'extérieur.

Les enzymes dans le corps catalysent diverses réactions et ainsi, catalysent la dégradation hydrolytique des matériaux aussi bien. La réaction d'hydrolyse est catalysée par des enzymes appelées hydrolases qui peuvent augmenter le taux de dégradation hydrolytique jusqu'à 10 fois. Au fur et à mesure que le matériau se dégrade, les propriétés mécaniques du matériau changent également.

Jetons un coup d'oeil à la façon d'analyser le changement de la force des matériaux résorbables au fil du temps en raison de la dégradation hydrolytique dans les environnements acides, neutres et alcalins.

Pour cette expérience, obtenir deux types de sutures résorbables. Ici, nous utilisons du polyglyconate et de la polydioxanone.

Préparer six tubes d'échantillon de bouchon de vis chacun étiqueté avec la date, le type d'échantillon et la solution dans laquelle l'échantillon sera placé. Il devrait y avoir un acide, un alcalin, et une solution neutre pour chaque type d'échantillon. Ici, nous montrons un de chaque échantillon. Cependant, vous devez préparer trois échantillons de chaque type de suture pour chaque point de temps.

Ensuite, ouvrez l'emballage de suture et retirez la suture. Couper l'aiguille de la suture et l'éliminer dans le récipient de pointes. Couper chaque suture en trois morceaux d'environ 10 à 12 pouces de long. Notez les caractéristiques physiques de la suture. Utilisez un étrier pour mesurer le diamètre de chaque suture et notez la dimension initiale.

Enfin, pesez chaque suture, enregistrez le poids et placez une suture dans chaque tube d'échantillon. Remplissez les tubes d'échantillon neutres avec suffisamment d'eau déionisée pour que la suture soit complètement submergée et plafonnez le tube. Ensuite, remplissez les tubes acides d'acide chlorhydrique dilué et remplissez les tubes d'échantillon alcalin s'ilntuent la solution diluel. Enfin, placez les six tubes d'échantillon dans un support dans un incubateur à 37 degrés Celsius.

Maintenant, nous allons jeter un oeil à la façon de déterminer la force des sutures en utilisant des tests de tension. L'essai tendu charge un échantillon en l'étirant jusqu'à l'échec, permettant la détermination de la force matérielle.

Tout d'abord, testez des sutures fraîches qui n'ont pas été incuber dans des solutions de test. Placez la suture dans l'appareil de l'instrument et fixez-la en place. L'échantillon témoin doit être de la même longueur que l'instrument qui est d'environ 10 à 12 pouces. Ensuite, zéro l'instrument et enregistrer le réglage de vitesse de déplacement. Assurez-vous que la prise de pointe est affichée sur le panneau de commande. Puis initier la tension sur la suture. La force et le déplacement commenceront à changer sur l'instrument. Chargez la suture jusqu'à l'échec. Ensuite, éteignez l'instrument et enregistrez la force de pointe du panneau d'affichage.

Maintenant, nous allons mesurer la résistance de la résistance des échantillons qui avaient été exposés à des solutions à pH variable.

Après le temps spécifié, retirer les échantillons du four. Mesurer le pH de la solution dans chaque tube à l'aide de papier pH. Après que le pH de toutes les solutions aient été mesurés, retirez la suture pour être testée et rincez-la avec de l'eau déionisée. Notez les caractéristiques physiques du matériau.

Pat l'échantillon sec avec un essuie-tout, puis le peser et enregistrer la nouvelle masse. Ensuite, placez le spécimen dans les poignées du testeur de tension et verrouillez-le en place. Zéro l'instrument et assurez-vous que la vitesse de déplacement est la même que utilisée pour l'échantillon de contrôle. Vérifiez également que la prise de pointe est affichée. Maintenant, chargez le spécimen jusqu'à l'échec. Enregistrez la force de pointe de l'écran. Répétez le test de tension pour chaque échantillon au cours de l'étude de temps.

Voyons maintenant comment analyser les données pour déterminer la résistance des échantillons.

Tout d'abord, calculer le stress tendineux moyen de chaque échantillon en divisant la force de pointe par la zone transversale de la suture. Ensuite, calculez la force de tension pour cent retenue par la suture après l'incubation à l'aide de la formule indiquée. Une parcelle de résistance au fil du temps pour chaque échantillon montre que la force des deux types de sutures a diminué au fil du temps dans les solutions acides, neutres et alcaline.

Les structures de polydioxanone se sont dégradées plus dans la solution acide, avec seulement 41% de la force de tension originale maintenue après cinq semaines, alors que 49 et 78% de la force a été maintenue pour les solutions neutres et alcalines, respectivement. Les sutures polyglyconates se sont dégradées de la même façon dans les trois solutions en conservant environ 42% de la force dans les solutions acides, neutres et alcaline après cinq semaines. Les résultats sont attendus car les matériaux possèdent tous deux des liaisons ester qui sont sensibles à la scission hydrolytique, qui est améliorée à un pH élevé et faible.

Jetons maintenant un coup d'oeil à où les matériaux résorbables sont utilisés dans le domaine du génie biomédical.

Les matériaux résorbables comme les sutures testées dans cette vidéo sont le plus couramment utilisés dans les procédures chirurgicales pour permettre la guérison des sites chirurgicaux tout en éliminant la nécessité de l'ablation des sutures. Cependant, les matériaux résorbables jouent également un rôle dans l'ingénierie tissulaire comme échafaudage pour les tissus d'ingénierie. Les échafaudages de tissu résorbables fournissent la structure tridimensionnelle initiale pour le tissu, mais se dégradent lentement pendant que les cellules se développent et créent leur propre matériel structurel. Finalement, l'échafaudage initial n'est plus nécessaire et le tissu conçu ressemble plus étroitement aux tissus indigènes.

La greffe osseuse consiste à remplacer les os manquants ou endommagés afin d'aider les grandes fractures à guérir. Dans cette étude, les chercheurs ont créé un défaut dans le crâne en perçant un trou de cinq millimètres. Le fragment d'os a été détaché et la greffe d'os attachée à l'os à l'aide de colle à fibrine. Bien que l'os de donneur soit souvent employé, les matériaux résorbables présentent une alternative permettant à la greffe de se dégrader loin pendant que l'os indigène se développe.

Vous venez de regarder l'introduction de JoVE aux matériaux résorbables. Vous devez maintenant comprendre comment ces matériaux se dégradent in vivo et in vitro, comment tester les changements de force en raison de la dégradation, et certaines applications de ces matériaux dans le domaine du génie biomédical. Merci d'avoir regardé!

JoVE Science Education is free through June 15th 2020.

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