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Biomedical Engineering

リバーブルバイオマテリアルの引張強度

Overview

出典:ペイマン・シャーベイギ・ルードポシュティとシナ・シャーバズモハマディ、バイオメディカル工学部、コネチカット大学、ストールズ、コネチカット州

4000年以上にわたり、縫合糸は医学的介入として使用されてきました。最も初期の記録は、リネンが選択の生体材料であったを示しています。現在も使用されているCatgutは、紀元前150年頃に剣闘士を治療するために使用されたと伝えられています。今日では、縫合糸に使用されている材料が数多くあります。縫合糸は、その組成(天然または合成)および吸収(非リバーブルまたは再吸収性)によって分類される。

再吸収可能な(または吸収可能な)縫合糸は、酵素分解またはポリマー鎖内の特定のグループとの水の相互作用によって引き起こされるプログラムされた分解のいずれかを介して体内で分解する。これらの縫合糸は、多くの場合、ポリグリコール酸、ポリジオキサノール、ポリカプロラクトンなどの合成材料、またはシルクなどの天然バイオマテリアルから作成されます。それらは通常、一般的な外科のような特定の内部処置のために使用される。吸収可能な縫合糸は、治癒のために十分な長さのために一緒に傷を保持しますが、その後、彼らは最終的に体によって崩壊します。一方、非リバーブル縫合糸は劣化せず、抽出する必要があります。それらは通常ポリプロピレン、ナイロンおよびステンレス鋼に由来する。これらの縫合糸は、通常、整形外科や心臓手術のために実装され、後日それらを除去するために医療専門家を必要とします。

ここでは、2種類の再吸収性縫合糸の引張強度を、人体内の異なるpH環境に対応する中性、酸性、アルカリ性溶液に曝露した後に試験される。テストは2つの部分で構成されます。まず、制御サンプルを準備し、引張試験を介して分析されます。その後、サンプルは、数週間にわたって様々なpHの溶液に連続的に曝露した後に試験されます。

Principles

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材料劣化は、1 つ以上の環境要因にさらされた後の引張強度、色、形状などの材料特性の性能の低下と変化を表します。これらの要因には、熱、光、機械的力、または酸、アルカリまたは塩などの化学的暴露が含まれます。劣化を制御する 1 つの方法は、サーフェス エンジニアリングです。これは、サーフェスを保護層でシールドするか、クロスリンクなどによって材料自体を修正することによって実現されます。

ここで、市販の試料のサンプルは、力トランスデューサを用いた試験機で試験される。サンプルは試験機(UTM)のクランプにしっかりと置かれ、UTMはゼロになり、故障するまで6 mm/minの変位速度が開始される。故障後、ピーク力が記録されます。実験計画を下図に示す。

Figure 1
図1:実験計画

この実験では、ポリグリコネート縫合糸とポリジオキサノール縫合糸の2つの吸収性縫合糸が使用されます。合成ポリグリコネート縫合糸は、グリコリドおよびトリメチレンカーボネートを必要とする反応から調製される。ポリ(グリコリド-共トリメチレンカーボネート)を形成すると、それらは重合されます。これらのポリグリコリドは、(C8H10O7)nの線形構造を有し、これを図2に以下に示す。一方、PDS IIバイオレットモノフィラメント縫合糸はポリジオキサノンポリマーから合成され、(C4H6O3)nの線形構造を有する。ポリジオキサンを図3に示す。

Figure 2
図2:ポリグリコネート縫合糸を重合するために用いられるポリ(グリコリド-共トリメチレンカーボネート)。

Figure 3
図3:縫合糸を重合するために使用されるポリジオキサネ。

両方の縫合糸は、分解プロセスを通じて加水分解反応に従います。ポリグリコリドの場合、2段階の加水分解が起こる。まず、ポリマーは、まずその内部エステル結合の切断によってそのモノマー(グリコール酸)に変換される。そして、ポリマーの結晶部分に加水分解攻撃が起こる。結晶領域が溶解するにつれて、ポリマーは崩壊する。同様に、ポリジオキサネ縫合糸はエステルラジカルを介して安全に分解される。両方の縫合タイプから分解された化合物は非毒性であり、排尿または呼気を通じて安全に分泌される。

時間が経つにつれて、溶液は、ヒドロキシルイオンの存在の増加に起因して、より酸性になります。カルボン酸ラジカルは、分解されたモノマーの末端から生成され、周囲の溶液のpHを低下させる。最近の研究では、ポリグリコリドおよびポリジオキサノンの構造は、インビトロよりも生体内でより速く分解し、細胞酵素活性によってもたらされることを示している2.生物学的酵素の存在による効果は、このインビトロ手順の間に観察されない。

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Procedure

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1. サンプル調製

  1. 以下の情報を含む 6 つのラベルを作成し、そのラベルをスクリュートップ試験管に取り付けます。
    1. 日付: 月と日
    2. サンプルタイプ:ポリグリコネートまたはポリジオキサネ
    3. 溶液の種類:酸性(A)、アルカリ性(B)、または中性(N)溶液は、2〜14の間のpHの範囲である。
  2. 縫合糸の包装を開き、縫合糸を取り外します。針を切り取り、シャープ容器に捨てます。
  3. 縫合糸は長さ約10~12個の3つに切ります。
  4. 縫合糸の色と物理的特性に注意してください。
  5. 各縫合糸の直径を測定するためにキャリパーを使用してください。
  6. 各縫合糸の重さを量り、各試験管に1つのサンプルを入れます。
  7. 縫合糸を覆うのに十分な脱イオン水で「N」と表示された試験管を充填し、試験管をキャップします。
  8. ピペットを使用して、「A」というラベルの付いた試験管を、縫合糸を覆うのに十分な0.001 M HCl溶液で満たします。試験管をキャップすることを忘れないでください。
  9. ピペットを使用して、「B」というラベルの付いた試験管を、縫合糸を覆うのに十分な0.001 M NaOH溶液で満たします。試験管をキャップすることを忘れないでください。
  10. 6 本の試験管をすべて 37 ºC のオーブンの金属製ラックに入れます。

2. 制御サンプル引張試験

  1. 新鮮な縫合糸、制御サンプルを取得し、UTMの器具に置き、所定の場所に安全に配置します。
  2. 試料の張力を開始する前に、F1(ゼロフォース)キーとF2(ゼロext)キーを押してUTMをゼロにします。データ シートの変位速度の設定を記録します。
  3. UTM 表示パネルにピークホールドが表示されていることを確認します。
  4. 上矢印キーを押して UTM を起動します。UTM では、力と変位が変化し始めます。
  5. 故障するまで標本をロードします。次に、UTM を停止します。
  6. UTM ディスプレイからピーク力を記録します。

3. 強度損失プロファイル

  1. 各サンプル(A、B、&N)を毎週オーブンから5週間取り出します。
  2. 試験管内の溶液のpHをpH紙で測定します。
  3. 脱イオン水で縫合糸をすすいで、各サンプルの材料に物理的または色の変化を書き留めます。
  4. 必要に応じて、サンプルをペーパータオルで乾かします。
  5. 各サンプルを計量し、新しい重量を記録
  6. 検体をUTMのグリップに入れ、所定の位置にロックします。
  7. 試料の張力を開始する前に、F1(ゼロフォース)キーとF2(ゼロext)キーを押してUTMをゼロにします。
  8. UTM 表示パネルにピークホールドが表示されていることを確認し、UTM の変位速度がコントロール サンプルをテストしたときと同じであることを確認します。
  9. 故障するまで標本をロードします。次に、UTM を停止します。
  10. UTM ディスプレイから障害発生時のピーク力を記録します。

縫合糸は、最も初期の材料がリネンや猫の腸である医療介入のために何千年も使用されています。

現在使用されている縫合糸は、最初に天然素材または合成材料の組成、吸収によって、非リバーブルまたはリソルバー可能のいずれか、2つの異なるカテゴリーに分類されています。吸収可能な材料は、主にポリマー鎖内の特定の化学基と水の相互作用によって引き起こされるプログラムされた劣化を通じて体内で分解する。したがって、これらの材料は、除去を必要とせずに治癒するのに十分な長さのために一緒に創傷を保持するために使用される。

このビデオでは、再吸収可能な材料劣化の背後にあるメカニズムについて説明し、異なる環境にさらされる材料の強度の変化を時間の経過とともに評価する方法を示します。

吸収可能な材料は、主に酸化、加水分解、酵素分解によって体内で分解します。物質は、体が異物に反応し、それを攻撃するために酸化種を放出するように、生体内で酸化を受ける可能性があります。ポリマーに対する酸化効果は、連鎖の挫傷を引き起こし、劣化に寄与する可能性があります。加水分解では、水はポリマー中の結合を受けやすいので、オリゴマーを生成し、最終的にモノマーを生成する。

ポリジオキサネのようなポリエステルは、エステル基が加水分解によって容易に分解されるため、一般的に再吸収性材料として利用される。材料が移植された後、それは水を吸収し始めます。加水分解の切り傷は、材料が水と接触しているところから始まります。親水性物質はより多くの水を吸収するので、全体を通してより急速に分解します。しかし、疎水性材料は、よりゆっくりと水を吸収し、外部から劣化する傾向があります。

体内の酵素は様々な反応を触媒し、したがって、同様に材料の加水分解を触媒します。加水分解反応は、加水分解酵素と呼ばれる酵素によって触媒され、加水分解の速度を10倍も増加させることができます。材料が劣化するにつれて、材料の機械的特性も変化します。

酸性、中性、アルカリ性環境における加水分解による再吸収性物質の強度の変化を経時間の経過とともに分析する方法を見てみましょう。

この実験では、2種類の再吸収性縫合糸を得る。ここでは、ポリグリコネートとポリジオキサネを用いります。

サンプルを配置する日付、サンプルタイプ、および溶液でラベル付けされた6本のスクリューキャップサンプルチューブを準備します。サンプルタイプごとに1つの酸性溶液、1つのアルカリ溶液、および1つの中性溶液が必要です。ここでは、各サンプルの 1 つを示します。ただし、各縫合タイプの3つのサンプルを、各時点に用意する必要があります。

次に、縫合糸包装を開き、縫合糸を取り外します。縫合糸から針を切り取り、シャープ容器に入れて処分します。縫合糸を長さ約10~12インチの3つに切ります。縫合糸の物理的特性を書き留めます。キャリパーを使用して各縫合糸の直径を測定し、初期寸法を書き留めます。

最後に、各縫合糸の重量を量り、重量を記録し、各サンプルチューブに1つの縫合糸を置きます。縫合糸が完全に水没するように、中性サンプルチューブに十分な脱イオン水を充填し、チューブをキャップします。次に、酸性管を希塩酸で充填し、アルカリ試料管を希水酸化ナトリウム溶液で充填する。最後に、6つのサンプルチューブをすべて37°Cのインキュベーターのラックに入れます。

次に、引張テストを使用して縫合糸の強度を決定する方法を見てみましょう。引張試験では、サンプルを故障まで伸ばしてロードし、材料強度の決定を可能にします。

まず、試験液にインキュベートしていない新鮮な縫合糸を試験します。縫合糸を器具の器具に入れ、所定の場所に固定します。コントロールサンプルは、約10〜12インチの機器と同じ長さでなければなりません。次に、計測器をゼロにし、変位速度の設定を記録します。コントロールパネルにピークホールドが表示されていることを確認します。その後、縫合糸の張力を開始します。力と変位は、楽器上で変化し始めます。障害が発生するまで縫合糸をロードします。次に、計器の電源を切り、ディスプレイパネルからピーク力を記録します。

次に、さまざまな pH で溶液にさらされたサンプルの引張強度を測定してみましょう。

指定した時間が経過したら、オーブンからサンプルを取り出します。pH紙を用いて各チューブ内の溶液のpHを測定する。すべての溶液のpHを測定した後、試験する縫合糸を取り出し、脱イオン水ですすぐります。材料の物理的特性を書き留めます。

サンプルをペーパータオルで乾かし、重くして新しい塊を記録します。次に、引張テスターのグリップに標本を置き、所定の位置にロックします。計測器をゼロにし、変位速度が制御サンプルに使用されるものと同じであることを確認します。ピークホールドが表示されていることを確認します。次に、故障するまで標本をロードします。ディスプレイからピーク力を記録します。時間調査の過程で、各サンプルに対して引張検定を繰り返します。

次に、データを分析してサンプルの強度を判断する方法を見てみましょう。

まず、ピーク力を縫合糸の断面積で割って各サンプルの平均引張応力を算出する。次に、示す式を用いてインキュベーション後に縫合体が保持する引張強度の割合を算出する。各サンプルの引張強度のプロットは、両方のタイプの縫合糸の強度が酸性、中性、およびアルカリ性溶液で時間の経過とともに減少したことを示しています。

ポリジオキサン構造は酸性溶液中でより劣化し、元の引張強度の41%のみが5週間後に保持され、49%と78%の強度はそれぞれ中性およびアルカリ性溶液のために保持された。ポリグリコネート縫合糸は、5週間後に酸性、中性、アルカリ性溶液の強度の約42%を保持する3つの溶液すべてで同様に分解した。この結果は、両方の材料が高低pHで増強された加水分解性切開の影響を受けやすいエステル結合を有するので期待される。

次に、バイオメディカルエンジニアリング分野で再吸収性材料が使用されている場所を見てみましょう。

このビデオでテストされた縫合糸のような吸収可能な材料は縫合物の除去の必要性を除去する間外科部位の治癒を可能にする外科処置で最も一般的に使用される。しかしながら、再吸収可能な材料は、工学的組織の足場として組織工学においても役割を果たす。吸収可能な組織足場は、組織の初期三次元構造を提供するが、細胞が成長し、独自の構造材料を作成するにつれてゆっくりと分解する。最終的には、初期足場はもはや必要なく、工学的組織は天然組織に近い。

骨移植は、大きな骨折が治癒するのを助けるために、欠損または損傷した骨を交換することを含む。本研究では、5ミリメートルの穴を掘削して頭蓋骨に欠陥を生み出した。骨片を剥離し、骨移植片をフィブリン接着剤を用いて骨に取り付けた。ドナー骨はしばしば使用されるが、吸収可能な物質は、原生骨が成長するにつれて移植片が分解することを可能にする代替手段を提示する。

あなたはちょうどJoVEの再吸収可能な材料の紹介を見てきました。これらの材料が生体内およびインビトロでどのように劣化するかを理解し、劣化による強度変化のテスト方法、および生物医学工学分野におけるこれらの材料の応用を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます!

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Results

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5週間にわたり、すべての処理された検体を試験し、分析した。全体的な試験から、平均引張強度は方程式1を使用して計算されました。

Equation 1(1)

縫合の種類と解水環境に関して、故障時のすべての力の標準偏差も計算されました。最後に、保持された引張強度率は、平均引張強度を用いて決定した。代表的な結果を示すグラフを以下に示します。

Equation 2(2)

すべてのpH範囲にわたるポリグリコネート縫合糸の平均強度損失プロファイルは、最初の4週間でそれぞれ約81%、76%、66%、54%であった。実験の最初の4週間の間に、このプロフィールはこれらの縫合糸のための製造業者の主張とほとんど同じである。また、元のポリグリコネートプロファイルは、インビトロ縫合糸の実験よりもわずかに速い速度で劣化することも明らかです。これは、酵素分解などの要因が存在する生体内試験で製造業者が行ったという事実に起因する。生物学的酵素の存在は、生体材料の分解および再吸収の速度を大幅に増加させることができる。生体内試験では、インビトロ手順に欠ける異なるストレスおよび生化学的相互作用に検体を被験者。生体内試験は、生きている被験者に対する実験の全体的な影響を観察することができるので、一般的にインビトロ試験よりも好ましい。

Figure 4
図4:酸性溶液:縫合引力。

Figure 5
図5:中性溶液、縫合引力

Figure 6
図6:アルカリ溶液、縫合引強度

Figure 7
図7:酸性溶液、引張強度保持率

Figure 8
図 8: ニュートラル ソリューション、保持された引張強度の割合

Figure 9
図 9: 基本的なソリューション、保持されているパーセント引張強度。

コントロール 7 日間 14 日間
平均pH 平均pH 平均pH
N/a 中立 ベース 中立 ベース
5 6 8 4 6 9
フォース (N) フォース (N) フォース (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 日間 28 日間 35 日間
平均pH 平均pH 平均pH
中立 ベース 中立 ベース 中立 ベース
4 6 9 4 6 8 4 6 8
フォース (N) フォース (N) フォース (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

表1:全体的な5週間ポリジオキサノーネ縫合データ、障害時の力

コントロール 7 日間 14 日間
平均pH 平均pH 平均pH
N/a 中立 ベース 中立 ベース
4 6 9 4 6 9
フォース (N) フォース (N) フォース (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 日間 28 日間 35 日間
平均pH 平均pH 平均pH
中立 ベース 中立 ベース 中立 ベース
4 6 8 4 6 8 4 5 7
フォース (N) フォース (N) フォース (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

表2:全体的な5週間のポリグリコネート縫合データ、故障時の力

時間が経つにつれて、すべての縫合片標本の引張強度が減少しました。また、ポリジオキサニン縫合糸の場合、酸性環境が最もダメージを受けたのは、元の引張強度の41.46%しか保持されておらず、元の引張強度の78.58%と48.95%はアルカリ性のポリジオキサニン縫合糸に対して保持され、それぞれ中性溶液。一方、異なるpH溶液にわたるポリグリコネート縫合体の強度保持率は、すべて同様であった。ポリグリコネート縫合糸の引張強度の最大の減少は、元の強度のわずか41.22%しか保持されなかった中性環境で観察された。酸性およびアルカリ性の環境では、ポリグリコネート縫合糸に対して、元の引張強度の42.79%および42.81%がそれぞれ保持された。

縫合糸がより高い温度でインキュベートされた場合、システム内で見つかった固有のエネルギーの増加により、より速く劣化していたでしょう。これにより、モノマーへの自発的な脱重合が起こる可能性が高くなります。つまり、温度が上昇するにつれて、引張強度が悪影響を受ける。また、縫合糸が一定のストレスで保持されている場合、腐敗の可能性も高くなります。これは、クリープの変形が原因です。縫合糸を伸ばすると、吸収の素数である弱いロケールが作成されます。縫合糸を結び目に結び付けると、同様のシナリオが発生します。

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Applications and Summary

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本実験では、異なるpH環境における縫合糸の引張強度を評価した。5週間にわたり、酸性、アルカリ性、中性溶液に曝露した後、2種類の縫合糸の引張強度を探索した。この結果は、生体吸収性縫合糸があらゆるpH環境において時間の経過とともに劣化することを圧倒的に示している。

ポリグリコネート縫合糸はより速い速度で分解するが、ポリジオキサノール縫合糸に比べて強いままである。実験結果はまた、長期の時間枠では、ポリジオキサネ縫合糸の速い分解速度がより明らかになるにつれて、ポリジオキサノン縫合糸がポリグリコネート縫合糸よりも強さを保持することを示す。それにもかかわらず、実験はインビトロで行われたので、より活性な生化学的モデルにおけるポリグリコネートまたはポリジオキサノン縫合糸の有効性について実質的な結論を導き出す余地はない。酵素分解は、考慮する必要がある重要な側面です。いずれにせよ、両方の縫合糸は外科的処置のための実行可能な候補である。本研究は、この種の研究の重要性を確認する。

吸収可能な縫合糸は一時的な創傷支持を提供し、創傷が正常な力に耐えられるほどよく治癒することを可能にする。一般に、吸収可能な縫合糸は内部処置に使用されるため、縫合糸の除去には追加の外科的処置は不要である。崩壊時には、縫合糸の痕跡はほとんど残らない。再吸収性縫合糸は、縫合除去手順のために戻ることができない患者にも使用されます。一方、非リバーブル性縫合糸は表皮で一般的に使用され、縫合糸は一定時間後に容易に除去することができる閉鎖であろう。さらに、再吸収性の高い縫合糸は、再吸収性縫合糸が十分な創傷サポートを提供できない場合、ストレスの多い内部環境でもしばしば使用される。様々な圧力や動きに一貫して耐える心臓などの内部構造は、非リバーブル縫合糸を必要とする。非吸収性縫合糸の他の適用は整形外科および心臓手術の胸骨閉鎖を含む。吸収可能な縫合糸は、体の内部およびより重要な部分で使用されているので、その強度をテストし、製品の品質を分析することが重要です。

材料一覧

名前 会社 カタログ番号 コメント
機器
縫合
定規
はさみ
キャリパー
ピンセット
スケール
ティニウス・オルセン・テスター
オーブン
サンプル コンテナ
ビーカー
ピペット
ピペットフィラー
ピペットチューブ
ガラス
化学 物質
脱イオン水
塩酸 (HCL)
水酸化ナトリウム(NaOH)

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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
リバーブルバイオマテリアルの引張強度
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