Ab ovo: факторы, влияющие на радиальную жесткость стент-графтов грудного отдела аорты

Введение

Стент-графты грудной аорты — это, как правило, синтетические сосудистые протезы с фиксированными к ним стентовыми элементами из нитинола. Они широко используются в настоящее время как для эндоваскулярной коррекции острых и хронических расслоений аорты, так и в составе гибридных протезов. Гибридная хирургия аорты — достаточно новое направление, получившее развитие с 2003 г., после того как A. Haverich с соавт. опубликовали работу [1], посвященную новой методике, которую они назвали frozen elephant trunk (FET) — замороженный хобот слона. Эта методика сочетает мини-инвазивную транскатетерную имплантацию стент-графтов в нисходящий отдел аорты с традиционным открытым хирургическим вмешательством на дуге и восходящем отделе аорты. В методике используются обычные гофрированные синтетические протезы, как правило, соединенные швами со стент-графтом еще на этапе производства (рис. 1). Это упрощает и ускоряет операцию, стандартизирует ее технические аспекты [2]. Гибридные протезы могут иметь в зоне гофрированного протеза дополнительные бранши, например брахиоцефальные и перфузионные.

---

Рис. 1. Гибридный протез грудного отдела аорты (3D-модель): 1 — стент-графт нисходящей части аорты; 2 — герметизирующая манжета; 3 — бесстентовый гофрированный протез дуги и восходящей части аорты; 4 — протез может быть дополнен брахиоцефальными браншами

---

На мировом рынке наблюдается большое разнообразие стент-графтов, предназначенных для эндоваскулярной имплантации, тогда как гибридные протезы представлены всего четырьмя моделями: это два интернациональных продукта — E-vita Оpen Plus (JOTEC Gmbh., Германия) и Thoraflex Hybrid (Terumo Aortic, Великобритания) — и два национальных — Cronus (MicroPort, Китай) и J Graft Open (Japan Lifeline, Япония). Все они различаются по конструкции и методике фиксации стентовых элементов. Графтовая, трубчатая, часть этих стент-графтов выполнена из специальных тканей на основе полиэфирных (поли­этилентерефталатных) волокон, различающихся методикой ткацкого переплетения [3].

Одной из важнейших характеристик стент-графтов служит их радиальная жесткость (РЖ), т.е. те усилия, с которыми они воздействуют на стенку истинного канала расслоенной аорты. При недостаточной РЖ стент-графт не закрепится в зоне имплантации, что чревато его смещением и эндоликами, а при избыточной РЖ дистальная часть его разрывает ткань стенки аорты, разделяющую истинный и ложный каналы, вызывая дислокацию дистального конца стент-графта в ложный канал [4–6]. Последнее осложнение хорошо освещено в мировой литературе и получило название синдрома d-SINE (distal stent-graft induced new entry).

Несмотря на то, что гибридные протезы являются топовым направлением в открытой хирургии грудного отдела аорты, что стимулирует разработку все новых конструкций стент-графтов [7–9], вопрос об их оптимальной жесткости остается открытым. Также крайне мало данных о факторах, не связанных с конструкцией стентового элемента, но влияющих на РЖ конструкции в целом, и возможностях их целенаправленного варьирования. В частности, совершенно игнорируется роль различных техник выполнения швов, фиксирующих стентовые элементы к графтовой части.

Все стенты, используемые для коммерческих стент-графтов, выполнены из проволоки, несмотря на то, что подавляющее большинство коронарных и периферических стентов (не только нитиноловых) выполняют из трубчатых заготовок методом лазерной резки и последующего формования. Этот метод позволяет получить более надежные изделия, так как при их изготовлении в отличие от проволочных отсутствует необходимость соединения краев, которое всегда является наиболее уязвимым звеном конструкции.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния ряда факторов на радиальную жесткость четырех опытных образцов стент-графтов грудного отдела аорты, стенты которых изготовлены из нитиноловых трубок методом лазерной резки и термоформования, в сравнении с характеристиками двух коммерческих моделей — Cronus и E-vita Оpen Plus.

Материалы и методы

В исследовании использовали помимо изготовленных самостоятельно опытных образцов два коммерческих стент-графта: Cronus диаметром 28 мм и E-vita Оpen Plus диаметром 19 мм (рис. 2). Стентовые элементы этих стент-графтов выполнены из нитиноловой проволоки и подшиты к графтовой части: в модели Cronus — изнутри, одиночными швами, в модели E-vita Оpen Plus — снаружи, непрерывным обвивным швом с захлестом. В модели E-vita Оpen Plus торцевые края проволоки (диаметр — 0,365 мм, площадь поперечного сечения S_ПС — 0,104 мм²) со­единены втулкой (см. рис. 2; рис. 3). В модели Cronus использована проволока диаметром 0,446 мм (S_ПС — 0,156 мм²); краевые части проволочных элементов удлинены и соединены швами (см. рис. 3).

---

Рис. 2. Стент-графтовые части гибридных протезов E-vita Open Plus (а) и Cronus (б) Cтрелка указывает на втулки, соединяющие торцевые края проволочных элементов

---

Рис. 3. Стентовые элементы гибридных протезов E-vita Open Plus (а), Cronus (б) и опытных образцов «СибГибрид» Э1 (в) и Э2 (г) Стрелками указаны соединения проволочных элементов

---

Необходимо отметить, что стентовый элемент Cronus в освобожденном от ткани состоянии имеет внутренний диаметр 42 мм. Диаметр стента E-vita Оpen Plus также больше диаметра стент-графта на 3 мм — 22 мм. Это означает, что они фиксированы к графтовой части уже в напряженно-деформированном состоянии.

Изготовление опытных образцов. При изготовлении четырех вариантов опытных образцов, получивших рабочее название «СибГибрид» (СГ), были использованы негофрированные тканые сосудистые протезы диаметром 20 мм («ПТГО Север», Россия) и стентовые элементы Э1 и Э2, изготовленные по нашему техническому заданию и нашим чертежам двумя разными (отечественным и зарубежным) производителями (табл. 1; см. рис. 3). Оба типа элементов были вырезаны лазером из нитиноловой трубки с последующим приданием формы методом термической обработки, с финальной электрополировкой. Элементы имеют сложную пространственную форму цилиндра, основания которого образованы секущими плоскостями, направленными под углом 50° к его оси (рис. 3, в, г). При фиксации к ткани такие стентовые элементы образуют форму, напоминающую Z-образную спираль.

---

Таблица 1. Параметры стентовых элементов, использованных для производства опытных образцов стент-графтов «СибГибрид»

---

Стентовые элементы фиксировали к тканевой основе снаружи ручным способом с использованием одиночных швов или непрерывных обвивных швов с захлестом нитью Premicron 6/0 (B. Braun, Германия).

Характеристика полученных четырех опытных образцов стент-графтов СГ представлена в табл. 2 и на рис. 4.

---

Таблица 2. Характеристики опытных образцов «СибГибрид»

---

Рис. 4. Опытные образцы стент-графтов «СибГибрид»: а — СГ1; б — СГ2; в — СГ3; г — СГ4

---

Испытания радиальной жесткости. Радиаль­ные силы всех исследуемых стент-графтов изучали с использованием тестера радиальных усилий RLU124 (Blockwise Engineering LLC, США) (рис. 5), сжимая их плитами по всей длине на 10 мм от исходного диаметра со скоростью 10 мм/мин.

---

Рис. 5. Тестер радиальных усилий RLU124 (Blockwise Engineering LLC, США)

---

Тестированию подвергали не только полную конструкцию стент-графтов, но и отдельные стентовые элементы Э1, Э2 и элементы обеих коммерческих моделей. Поскольку модель Cronus сжимали до 18 мм (на 10 мм от исходного диаметра 28 мм), то ее стентовый элемент также был сжат до 18 мм.

Испытания проводили при температурах окружающей среды 24–26 и 37°С в 3–4 повторениях при каждой температуре. Мониторинг измерения радиальных сил при режимах нагрузки–разгрузки осуществляли с использованием универсальной испытательной машины ESM301L (Маrk-10 Corporation, США). Результаты экспортировали в программу Microsoft Excel и выполняли перерасчет каждой точки по формулам, рекомендованным производителем тестера RLU124:

TRF = F · 2,099,

где TRF — значение радиальных сил, развиваемых испытуемым объектом; F — силы, детектируемые датчиком устройства;

ΔD = Δx · 0,9525,

где ΔD — изменение диаметра тестируемого устройства; а Δx — фиксируемое датчиком перемещение.

Полученные данные всех измерений использовали для построения кривых силы–деформации.

Определение температуры фазового перехода нитинола стентовых элементов. Температуру фазовых превращений нитинола стентовых элементов исследовали с использованием дифференциального сканирующего калориметра DSC-3 (Mettler Toledo, США). Для этого вырезали три прямых сегмента длиной 5 мм из стентовых элементов всех стент-графтов. Каждый образец охлаждали до –30°С и затем нагревали до +70°С со скоростью 10°С/мин. По точке окончания эндотермального пика на кривой нагревания определяли температуры начала T_onset и окончания T_endset перехода нитинола из мартенситного (Mf) в аустенитное (Af) состояние (рис. 6). Энтальпию фазового перехода — ΔH регистрировали по показаниям прибора, автоматически рассчитывающего данный показатель на основании значений площади пика и массы образца. После этого вновь охлаждали испытуемый объект и регистрировали температуру окончания перехода из аустенитного в мартенситное состояние.

---

Рис. 6. Типичные кривые, полученные при дифференциальной сканирующей калориметрии стентов Э1 (а), Э2 (б) и E-vita Оpen Plus (в)

---

Статистическую обработку данного эксперимента выполняли в программе Statistica 13.0 (Dell Software Inc., США). Результаты выражали в виде среднего значения и стандартного отклонения M±σ. Проверку нормальности распределения в каждой группе осуществляли с использованием критерия Шапиро–Уилка. Поскольку распределение соответствовало нормальному, о достоверности различий судили по t-критерию Стьюдента, считая различия статистически значимыми при уровне р<0,05.

Результаты

Одним из важных параметров, определяющих жесткость стентового элемента, являются свойства самого материала — нитинола, и в частности — режимы его температурной обработки, отражающейся в некоторой степени в температуре фазового перехода нитинола из мартенситного в аустенитное состояние, а также в энтальпии этого перехода. Температуры начала и окончания переходов нитинолов Э1, Э2 и E-vita Оpen Plus в аустенитную фазу, энтальпия этого перехода и температуры окончания перехода в мартенситную фазу приведены в табл. 3.

---

Таблица 3. Данные дифференциальной сканирующей калориметрии стентовых элементов (M±σ)

---

С неожиданными эффектами мы столкнулись при испытаниях нитинола модели Cronus: в диапазоне температур, используемых обычно для испытания медицинского нитинола, мы не обнаружили пиков фазового перехода. В связи с этим было предпринято сканирование в диапазоне температур от –150°С до +450°С, при котором удалось обнаружить пик в диапазоне от –120°С до –140°С.

При испытании РЖ отдельных стентовых элементов были выявлены следующие закономерности (рис. 7):

1. Кривые нагрузки–разгрузки во всех испытанных группах не зависели или зависели очень слабо от температуры, при которой выполнялась процедура, что закономерно, так как даже при 24–26°С стенты Э1, Э2 и E-vita Оpen Plus уже находятся в аустенитном состоянии и их механические свойства не должны принципиально меняться при повышении температуры до 37°С.

2. Э2 отличаются самой высокой РЖ (около 17 Н) при сжатии на 50% от диаметра (на 10 мм). Для Э1 эта величина — около 10 Н, несмотря на то что S_ПС балки в Э1 на 25% больше, чем в Э2. Стентовый элемент Cronus при 50% сжатии (до 21 мм) развивает силу в 14 Н, E-vita Оpen Plus — около 6 Н.

---

Рис. 7. Кривые нагрузки–разгрузки при деформации стентовых элементов: а — E-vita Оpen Plus; б — Cronus; в — Э1; г — Э2. Синяя линия — при 24–26°С; красная — при 37°С

---

При фиксации стентовых элементов к ткани радиальные силы резко возрастают (рис. 8, а): в конечной точке сжатия это 34 Н для модели E-vita Оpen Plus, 63 Н — для Cronus и 74 Н — для нашего СГ1.

---

Рис. 8. Кривые нагрузки–разгрузки при сжатии стент-графтов (стентовые элементы + ткань) на 10 мм. Температура испытаний — 37°С: а: коричневый — Cronus, зеленый — E-vita Оpen Plus, голубой — СГ1 (влияние конструкции в целом); б: коричневый — СГ1 («редкие» стенты) и фиолетовый — СГ2 («частые» стенты); в: зеленый — СГ3 (одиночные швы), темно-зеленый — СГ4 (непрерывные швы); г: коричневый — СГ2 (стент Э1, одиночные швы), красный — СГ3 (стент Э2, одиночные швы)

---

Весьма неожиданным оказался тот факт, что для моделей «СибГибрид» плотность стентовых элементов, фиксированных на ткани, почти не оказывала влияния на РЖ стент-графта в целом (рис. 8, б). Так, кривая нагрузки–разгрузки СГ2 практически не отличалась от таковой для СГ1, хотя СГ2 содержал в два раза больше стентовых элементов.

Влияние техники фиксирующих швов на РЖ стент-графтов представлено на рис. 8, в. На большем протяжении кривой нагрузки значения радиальных сил приблизительно на 10 Н выше для СГ4, в котором стентовые элементы фиксированы непрерывным швом, по сравнению с СГ3, который, полностью совпадая по остальным параметрам с СГ4, отличается только одиночными швами.

Конечно, основная роль в формировании различий РЖ принадлежит стентовым элементам (рис. 8, г). Образцы СГ3 и СГ2, имеющие одинаковый диаметр, фиксированные к одинаковой тканой основе одинаковыми швами через равные промежутки между элементами, имеют различную жесткость: в конечной точке сжатия это почти 140 Н для СГ3, где были использованы самые жесткие Э2, против 73 Н для СГ2, содержащего стенты Э1.

Обсуждение

Клиническое понимание «избыточной жесткости» стент-графтов отличается от биоинженерного. Для последнего избыточная жесткость связана с конструктивными особенностями стент-графтов, обуслов­ливающими механическое несоответствие имплантатов тканям патологически измененной стенки аорты. Хирурги же склонны связывать d-SINE с индивидуальной вариабельностью конусности аорты — нормального анатомического перепада диаметров между проксимальной и дистальной зонами закрепления [4]. Действительно, по мере уменьшения диаметра аорты в дистальном направлении возрастают значения радиальных сил, развиваемых стент-графтом, диаметр которого остается неизменным. Н. Jang с соавт. [10] предложили рассчитывать коэффициент оверсайзинга (превышения диаметра стент-графта над диаметром зоны имплантации) исходя из размеров истинного канала расслоенной аорты в дистальной зоне и дистального размера имплантируемого стента, показав, что оверсайзинг более 20% по диаметру является достоверным предиктором развития d-SINE.

На основании полученных нами результатов аналогом клинического оверсайзинга можно считать сжатие стент-графта на 20% от исходного диаметра, т.е. на 4 мм для E-vita Оpen Plus и всех наших моделей «СибГибрид» и на 5,6 мм — для модели Cronus. На рис. 8, а и в отчетливо видно, что при сжатии на 20% E-vita Оpen Plus развивает радиальные силы 16 Н, СГ1 — 41 Н, Cronus — 47,5 Н, СГ3 с одиночными швами — 50,5 Н, а аналогичный СГ4 с непрерывными швами — 62 Н. Таким образом, при одинаковом оверсайзинге 20% можно наблюдать почти 4-кратное различие радиальных сил между самым мягким и самым жестким из испытанных стент-графтов. Встает вопрос, какой из них предпочесть.

Очевидно, что ответить на этот вопрос невозможно, не имея сведений о механических характеристиках зоны имплантации, т.е. стенки аорты при патологических состояниях (в особенности диссекции), требующей имплантации стент-графта. В литературе очень мало работ, посвященных этому вопросу [11–17], и они касаются в основном свойств стенки аорты при аневризме, но не при диссекции. Однако, не имея представления о том, какие нагрузки могут выдержать ослабленные ткани расслоенной аорты, мы не можем определить «целевые» значения жесткости стент-графтов и оверсайзинга. Варьировать же эти параметры достаточно легко.

В настоящем исследовании мы показали, как на жесткость стент-графтов влияют конструкция и свойства материала стентового элемента, а также вид фиксирующего шва (непрерывный увеличивает жесткость более чем на 20%). При этом количество фиксированных к ткани стентовых элементов (плотность стентов) практически не оказывает влияния на жесткость стент-графта. Учитывая то, как резко возрастает РЖ стент-графта по сравнению с РЖ отдельного элемента, можем предположить, что характеристики самой ткани (толщина и состав волокна, ткацкий раппорт и т.д.), а также свойства герметизирующей пропитки могут оказывать влияние на жесткость СГ. В данной работе мы не ставили своей целью изучить этот вопрос, но он стоит в перспективных задачах наших исследований.

В отношении конструкции стента известно, что жесткость его возрастает при увеличении площади поперечного сечения S_ПС и уменьшении высоты ячеек при неизменности их формы и количества [18]. Исходя из полученных нами данных для стентов, произведенных из трубчатой заготовки, основными факторами можно считать высоту ячейки и метод термоформования нитинола. Так, в СГ1 и СГ2 были использованы элементы с S_ПС 0,25 мм² и высотой 15 мм, но они были значительно «мягче», чем СГ3 и СГ4 с ячейками высотой 12,5 мм и S_ПС 0,20 мм². Возможно, для стентов из проволоки зависимость будет несколько иной, но она также может регулироваться вариациями высоты и S_ПС ячеек. Несомненно, на жесткость таких стентов влияет и способ термической обработки нитинола [19]. Наши модели Э1 и Э2 были изготовлены двумя разными производителями с использованием различающихся технологий термоформования, и при дифференциальной сканирующей калориметрии отчетливо видны различия в температурах и энтальпии фазовых переходов, что свидетельствует о различии свойств самого материала.

Необходимо отметить, что при испытаниях каждой конструкции необходимо тестировать на радиальное сжатие весь типоразмерный ряд, не экстраполируя результаты, полученные для одного диаметра стент-графта, на все размеры модели. B. Senf с соавт. [20], тестируя циркулярные стентовые элементы, используемые в моделях Thoraflex Hybrid и Anaconda (Terumo Aortic), показали, что при одинаковой величине оверсайзинга — 20% — увеличение диаметра стента в 1,7 раза приводит к увеличению его радиальных сил в 1,5 раза, чему авторы не смогли найти обоснованного объяснения.

Стоит отметить, что производители как эндоваскулярных, так и гибридных стент-графтов не раскрывают показателей их РЖ, хотя эта характеристика является ключевой для данного класса изделий и во многом обусловливает качество клинических результатов. Мы полагаем такую практику порочной, так как в конечном счете риски осложнений ложатся на хирургов и пациентов. Характерным примером может служить клинический опыт использования гибридного протеза Thoraflex Hybrid, стент-графт которого исходно был задуман как мягкий и в силу особенностей конструкции стентов был именно так и воспринят хирургами по тактильным ощущениям. Впоследствии же выявили, что этот стент-графт оказался более жестким, чем E-vita Оpen Plus [5], и чаще вызывает развитие d-SINE [6].

Таким образом, исследование первых образцов аортальных стент-графтов, стенты которых изготовлены из нитиноловых трубок методом лазерной резки и термоформования, показало, что они обладают значительно большей РЖ при S_ПС балки ячейки, сопоставимой с S_ПС проволочных нитиноловых стентов. При этом плотность фиксированных на ткани стентовых элементов не влияет на жесткость конструкции стент-графта, а изменение техники фиксирующих швов с одиночных на непрерывные обвивные увеличивает жесткость в среднем на 10 Н. Различие технологий термоформования нитинола обусловливает существенные различия жесткости стентовых элементов и частично может быть выявлено при дифференциальной сканирующей калориметрии.

Следовательно, варьирование значений толщины трубки, ширины балки и высоты ячейки, а также вида фиксирующих швов для достижения оптимальной РЖ может быть использовано только после стандартизации метода термообработки изготовителем стентовых элементов. При этом дифференциальная сканирующая калориметрия может явиться методом контроля качества. Однако вопрос оптимальных значений самой РЖ по-прежнему остается открытым и нуждается в масштабных исследованиях в ряду механических свойств патологически измененной аорты.

К ограничениям настоящей работы следует отнести отсутствие данных о технологиях обработки нитинола опытных образцов «СибГибрид», так как на основании соглашений о конфиденциальности авторы не вправе раскрывать информацию об изготовителях и технологиях изготовления стентовых элементов. Кроме того, не изучено влияние характеристик тканой основы и герметизирующей пропитки на РЖ стент-графтов, что является задачей будущих исследований.

Заключение

При изготовлении стентовых элементов стент-графтов из трубчатой нитиноловой заготовки основным фактором, определяющим радиальную жесткость стент-графта, является технология термоформования нитинола. При стандартной технологии термоформования варьировать жесткость можно изменениями высоты ячейки и площади поперечного сечения ее балок, а также технологии фиксирующих швов.

Финансирование исследования. Внешнее финансирование данной работы отсутствует.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.