新型小锚钉优化宽缝线固定

创建小锚钉以消除网片和带状缝线中的大结

1 引言

宽缝线因其比标准缝线具有更高的抗拉强度[1]以及更强的抗缝线穿过组织能力[2]，被用于高张力组织闭合，例如疝修补术或肌腱修复。宽缝线主要有两种类型：网状缝线和带状缝线。杜马尼安等人最初研究了网状缝线，以克服疝修补术中缝线穿过组织及随之而来的复发问题[2,3]。在猪腹腔切开模型中应用时，网状缝线闭合显示出更高的至失效功和早期伤口强度[3]。在人体腹壁闭合中，网状缝线在张力条件下提供了可靠的组织对合，并且与低发生率的伤口裂开、伤口愈合延迟和疝复发相关[4]。

带状缝线是一种扁平、低孔隙、编织的宽缝线。QuikCordTM带状缝线（MedShape公司，佐治亚州亚特兰大）即为一种带状缝线，适用于软组织对合，主要用于骨科手术，其应用包括跟腱再附着、韧带修复和拇外翻重建[5]。

尽管宽缝线有许多优点，但其形成的大而突出的结是一个主要问题。大结容易导致可触性增加和异物反应[6]。此外，较大的结提供了更大的细菌黏附面积，可能增加感染风险[7,8]。因此，需要一种替代性缝线固定方法来取代宽缝线中的结。无结缝线锚是一种用于固定缝线以代替结的装置，因此缝线不会在组织中移动。它们在难以到达的部位也比打结更容易应用，并且在高张力区域可能更有效，因为结可能会松脱。目前市场上已有的缝线锚钉设备示例包括BIORAPTORTM无结缝线锚（史密斯与尼腓公司，马萨诸塞州安多弗）和Bio‐SutureTakTM缝线锚（阿西雷克斯公司，佛罗里达州那不勒斯）。这些被归类为骨科缝线锚钉，用于实现软组织到骨的固定。有趣的是，目前尚无用于软组织到软组织固定的缝线锚钉。

为弥补这一不足，我们开发了一种创新的小型缝线锚钉，用于软组织固定。该缝线锚钉的主要设计目标是低轮廓设计，并在机械性能方面优于传统打结及替代性缝线固定方法。

2 方法论

2.1 设计与生产

使用FUSION360（欧特克公司，加利福尼亚州圣拉斐尔）三维（3D）设计软件创建小型缝线锚原型。锚设计在高度、宽度和应用方法方面受到限制。锚高度选择为≈3 mm，依据是1–0缝线结打四重打结时的近似高度。锚宽度限制为≈15 mm，以尽量减少体内对邻近组织的接触。锚的基本设计包含两个相互锁定的部件，以便通过宽缝线进行应用。根据这些设计要求，对锚原型进行了迭代设计，包括形状、尺寸、锁定机制和缝线固定的多种变化。采用Carbon 3DVR打印机同时生产多个锚，实现批量原型制作。锚采用紫外光固化液态聚合物树脂打印，初始原型使用聚氨酯，最终设计测试则使用氨基甲酸乙酯甲基丙烯酸酯。聚氨酯用于初期原型制作，因其相比其他打印机兼容树脂成本更低，且所需后处理最少，有利于高效生产原型。氨基甲酸乙酯甲基丙烯酸酯树脂在研究后期提供，因其生产时间与聚氨酯相近且具有更优的机械性能，被选用于最终设计测试。打印完成后，锚按树脂类型进行特定的固化、清洗和干燥流程，以优化其机械性能。

2.2 对比性能测试

生产完成后，将原型在软组织替代物中固定宽缝线的能力（特别是防止缝线在缝线通道中滑动）与打结及其他软组织缝线固定方法进行比较。每种固定方式均应用于网状缝线和QuikCord带状缝线，并在台式软组织缝合模型中进行性能测试。网状缝线由扁平多孔聚丙烯网制成，宽度约为10 mm。选择10 mm宽度是因为该宽度是既往涉及网状缝线研究中所用宽度的中位值[2,4]。QuikCord带状缝线为扁平编织聚乙烯缝线，宽度约为3.5 mm。对该模型施加力，并使用InstronVR试验机（型号1321，伊利诺伊工具制品公司，马萨诸塞州诺伍德）测量性能。测试过程中选用硅胶作为软组织替代物，以在不同条件下提供可控的均质基底。我们选择硅胶作为软组织替代物，是因为它是一种样品间一致性高、易于获取、便于操作的均质基底，且已在其他研究中被用作机械测试中的软组织替代物[9,10]。具体而言，硅胶已被用于模拟集中载荷下肌肉组织中的应力分布[9]以及分析猪皮与硅橡胶在压缩和拉伸响应方面的对比[10]。硅胶与网状支撑结合使用，以提高其机械完整性。硅胶替代组织的尺寸为8 cm × 2 cm × 1 cm。使用临床常用的Keith针将7 cm长的网状缝线或带状缝线穿过组织中点。每个固定点位于缝线对侧末端远端1 cm处，另一端夹紧在连接到测试机的机械虎钳上，距组织表面2 cm。替代组织平行于机器的静止水平平台放置。该装置在侧面进行锚定，并对组织表面施加垂直向上的张力。图1(a)展示了实验模型的一个示例。该模型用于进行单调测试和循环疲劳测试。单调测试旨在确定最大的固定强度，而循环疲劳测试则是对固定耐久性的测量。锚定原型经过优化，并与结、钉书钉固定、2螺旋钉、3平头钉、4带扣固定5进行了比较。使用滑动接头钳在主观施加的力下将锚钉应用于缝线，直至锚钉组件完全贴合。通过器械打结方式沿网状缝线和带状缝线的长度形成结固定，初始打结为方结、外科结，随后是三个交替的方结，这是一种标准的外科方法。其他缝线固定方式均按照制造商建议进行应用。每种固定的示例见图2。

2.3 单调测试

生产完成后，锚钉原型在网状和带状缝线中进行单调拉伸测试。将锚钉的性能与结、钉书钉固定、螺旋钉、平头钉和带扣固定的性能进行比较。测试在台式软组织缝合模型中使用英斯特朗试验机进行。每种缝线固定方式测试六个样本。由于目前尚无软组织固定测试的ASTM标准，因此选择ASTM D5034作为本研究测试的基础。该标准适用于针织和编织生产的织物，因此应可适用于本研究中使用的缝线。此外，织物的方向和拉伸力的方向与我们的实验模型一致。在我们的测试中，缝线即为承受单调和循环拉伸力的纺织织物。以300 mm/min的牵开速率向上垂直于组织表面施加张力，直至发生失效。记录失效载荷和失效模式。

2.4 循环疲劳测试

实验模型和条件的设计如单调测试所述，包括将锚钉应用于网片和带状缝线。对锚钉及其他固定的循环疲劳测试采用正弦加载，在10至20 N范围内（腹部所受最大生理力为16 N/cm[11]），以1 Hz频率进行200个循环，随后以300 mm/min的速度进行循环后拉伸至失效测试。每种缝线固定方式测试六个样本。记录每种固定的完成的循环次数、锚钉的循环后失效载荷以及失效模式。

2.5 失效模式

在单调和循环疲劳测试中，除了各自的失效载荷外，还记录了所有12个锚钉固定样本的锚钉失效模式。失效定义为缝线在缝线通道中无阻碍地移动。记录的失效模式类型包括锚钉失效（断裂或解体）、组织失效和缝线失效。解体是指锚钉组件脱落。组织失效是指硅胶基底中出现缺陷产生。缝线失效是指缝线中出现缺陷产生（例如撕裂或磨损）。这些失效模式用于指导锚设计。

2.6 尺寸比较

将锚钉的尺寸与QuikCord带状缝线和网状缝线结（均为四重打结）进行了比较。测量了每个固定的长度、宽度和高度，并用于计算各自的体积。

2.7 应力‐寿命测试

在台式聚碳酸酯缝线模型上对最终锚钉进行应力‐寿命测试。该测试用于确定锚钉在不同循环张力作用下的耐久性。该测试特别测量了锚钉的疲劳强度，即最高锚钉在给定循环次数内保持缝线固定的应力。与单调和循环测试方法类似，测试过程包括将锚钉连接到缝线上（使用带状缝线），然后将缝线穿过一个直径为4毫米的孔，该孔位于一块刚性6毫米厚聚碳酸酯基板上，缝线的另一端连接到英斯特朗试验机。选择刚性基板是因为其非顺应性，可有效隔离锚钉性能，而非测试完整性。实验模型的一个示例如图1(b)所示。

对锚钉施加正弦应力。应力水平基于先前在台式聚碳酸酯缝线模型中对锚钉进行的单调测试结果确定。测试参数如前所述，采用台式软组织缝合模型，但使用聚碳酸酯基底代替硅胶。所施加的正弦应力范围为先前测试中单调失效载荷（11769牛顿）的20%至95%，频率为10赫兹。每个正弦应力水平下对六个锚钉固定样本进行测试。记录失效循环次数，并用于绘制应力幅值与完成循环次数的关系图。我们选择100,000个循环作为测试的上限。

2.8 统计分析

连续变量（如单调失效载荷、完成的循环次数以及循环后失效载荷）通过报告其均值、标准差、最小值、最大值和四分位距进行汇总。鉴于样本量相对较小，采用非参数Wilcoxon秩和检验比较连续变量之间的测量值和集中趋势。在进行多重比较时，采用Bonferroni校正来控制族系误差率。在所有情况下，评估统计显著性的阈值设定为水平α = 0.05。分析在SAS统计软件版本9.4（SAS Institute Inc.，Cary, NC）中进行。

3 结果

3.1 锚设计

最终锚钉的选择基于最小尺寸和优越的机械性能。最终锚设计（图3(c)）由两个相互啮合的雄性/雌性部件组成。雄性部件包括沿中线表面分布的两个侧向突起和一个中部突起。中部突起通过穿透缝线并连接到雌性部件来提供主要缝合固定。中部突起远端锥形变细，以实现穿过较宽缝线的穿透。两个侧向突起具有锁定元件，可在连接到雌性部件时实现锁定。除了锁定功能外，侧向突起还穿透较宽的网状缝线，协助网状缝线固定。雌性部件包含相应的孔洞以允许进入，以及内部凹槽以实现雄性凸起的锁定。图4展示了锚钉应用于网状和带状缝线的一个示例。

3.2 尺寸比较

通过体积测量的缝线固定装置的尺寸如下：锚钉‐200 mm³, 带状缝线结‐300 mm³, 和网状缝线结‐630 mm³。锚钉的体积比带状缝线结小33%，比网状缝线结小68%。锚钉的尺寸如图5(a)和5(b)所示，而锚钉与缝合结的并排比较如图5(c)所示。

使用聚碳酸酯进行的应力‐寿命测试)

3 结果（续）

3.3 单调测试

在台式软组织缝线模型的单调测试中，最终锚设计在网状和带状缝线中均表现出显著更高的锚失效载荷。在网状缝线中，锚失效载荷（4964 N）高于结（32614 N）、钉书钉固定（1463 N）、螺旋钉（1268 N）、平头钉（1864 N）和带扣固定（1965 N）（p < 0.05，n = 6）（图6(a)）。在带状缝线中，锚失效载荷（4967 N）高于结（2265 N）、钉书钉固定（1366 N）、螺旋钉（11611 N）、平头钉（2364 N）和带扣固定（1363 N）（p < 0.05，n = 6）（图6(b)）。

3.4 循环疲劳测试

在网状缝线中，完成的平均循环次数如下：锚钉—200 ± 0 次循环，结—133 ± 103 次循环，带扣固定—134 ± 103 次循环，螺旋钉—36 ± 80 次循环，平头钉—1 ± 62 次循环，钉书钉固定—0 ± 60 次循环。网状缝线中锚钉完成的循环次数显著高于钉书钉和平头钉固定（p < 0.05，n = 6）（图7(a)）。在带状缝线中，完成的平均循环次数如下：锚钉—200 ± 0 次循环，结—103 ± 106 次循环，带扣固定—1 ± 61 次循环，螺旋钉—69 ± 102 次循环，平头钉—57 ± 89 次循环，钉书钉固定—0 ± 60 次循环。带状缝线中锚钉完成的循环次数显著高于钉书钉和带扣固定（p < 0.05，n = 6）（图7(b)）。在这两种缝线类型中，只有锚钉能够 consistently 完成循环测试。

锚钉的循环后失效载荷与之前测得的两种缝线类型的单调失效载荷进行了比较。对于网状缝线，单调 (49 ± 6 N) 和循环后 (43 ± 6 N) 失效载荷之间的差异具有统计学显著性 (p < 0.05, n = 6)。对于带状缝线，单调 (496 ± 7 N) 和循环后 (436 ± 5 N) 失效载荷之间无显著差异 (p = 0.13, n = 6)。

3.5 失效模式

每种失效模式的示例如图8(a)所示。网状缝线的主要失效模式为锚断裂（50%）和组织失效（50%）（n = 12）（图8(b)）。在带状缝线中，唯一的失效模式是锚断裂（100%）（n = 12）（图8(c)）。在网状缝线中，锚断裂发生在4964 N，组织失效发生在4465 N。在带状缝线中，锚断裂发生在4666 N。

3.6 应力‐寿命测试

应力‐寿命测试显示应力与完成的循环次数之间存在一致的负相关关系。最大应力幅值为50.3 N（对应正弦载荷60.3 N至110.6 N），在此条件下完成了12615次循环。最小应力幅值为12.5 N（载荷22.4 N至34.9 N），在此条件下锚钉完成了100,000 ± 0 次循环（n = 6）（图9）。

4 讨论

最终锚钉（200 mm³）的尺寸比带状缝线结小33%，比网状缝线结小68%。在单调测试中，该锚钉的表现显著优于宽缝线结和替代固定方法。在循环疲劳测试中，它显著优于多重固定。尽管其性能并未显著超过结扎固定，但锚钉是唯一完成所有循环测试试验的固定方式。因此，锚钉在循环测试中的表现无偏差，而其他固定方式完成的循环次数各不相同，表明锚定固定具有独特的可靠性。这一点在临床上可能具有重要意义，因为锚钉在体外测试中表现出的一致耐久性，可能转化为体内持久的缝线固定效果。在网状缝线中，循环前后的锚失效载荷存在显著差异，而在带状缝线中则相似。虽然网状缝线中的差异具有统计学意义，但实际差异小于10 N，且仍高于其他固定的失效载荷。应力‐寿命测试进一步证明了缝线在不同拉伸应力下的固定耐久性。

失效模式分析揭示了锚断裂和组织失效为失效模式。最终，我们成功设计、制造并机械测试了一种新型缝线锚，其尺寸小于宽缝线结，而在机械性能上优于缝线结及其他软组织缝线固定方式。

通过3D设计和3D打印实现了我们锚钉的更小尺寸。FUSION 360软件使得缝线锚能够按照指定的形状和尺寸进行3D设计，每个设计都比宽缝线结更小。Carbon 3DVR打印机根据我们的设计规格快速而精确地生产出足够坚固的锚钉原型，可用于机械测试。这些工具共同创造了一个迭代设计与原型制作过程，持续生产出比宽缝线结更小的缝线锚。

通过锚定固定在机械测试中抵抗多种失效模式的能力，实现了更优的机械性能。缝线固定可分为三个部分：固定、缝线和组织。这三个部分中的任何一个都可能成为结构失效的来源。因此，我们在测试中区分了三种失效模式：固定失效（锚钉失效）、缝线失效和组织失效。

锚钉可能发生的两种失效方式为断裂或解体。在网状缝线中，锚断裂始终发生在凸起处，平均力为4964 N；在带状缝线中为4666 N。锚断裂的抗力可通过弯曲力学来解释。抗弯强度是指在弯曲力作用下抵抗断裂的能力。由于承重凸起在缝线受到张力时会承受弯曲应力，因此抗弯强度是锚钉设计中的关键参数。抗弯强度也是我们材料选择时考虑的因素。虽然材料选择受限于适用于打印机的液态聚合物树脂，有多种原型与最终产品用树脂可供选择。我们选择了氨基甲酸乙酯甲基丙烯酸酯，因其成本低、加工速度快且具有优良的弯曲性能。其弯曲应力为7965 MPa，弯曲模量为20106119 MPa[12]，使得凸起在测试期间能够承受高弯曲应力而不发生断裂。此外，最终锚设计在雄性部件的中线表面设置了多个凸起。多个凸起可相互分散弯曲力，进一步防止锚断裂。在整个机械测试过程中未发生解体。雄性部件的侧向凸起配有棱纹，可卡入雌性部件内部的凹槽中，从而在每个凸起的长度方向上形成三个双侧锁扣，以抵抗解体。

在我们的研究中未发生缝线失效。这归因于缝线的抗张性能以及锚钉与缝线之间的关系。网状缝线是一种由相互连接的多孔结构制成的缝线，由聚丙烯纤维构成，而QuikCord带状缝线是由聚乙烯制成的孔隙较少的编织结构。两者在测试中均表现出足够的抗拉强度，能够承受施加的应力而不发生失效。关于锚钉‐缝线关系，锚钉的中部突起能够穿透两种类型的缝线，且不影响其抗拉强度。这得益于远端突起的锥形设计，便于整合并具有光滑表面，以最大程度减少对缝线的损伤。

仅在网状缝线中发生组织失效，平均失效载荷为4465 N。为了确定临床相关性，术后腹壁所承受的最大生理力为16 N/cm[11]。这表明组织失效发生在超生理条件下，从而开始确立锚钉在腹壁闭合中的临床应用。该结果可通过锚钉‐组织界面的力分布来解释。锚钉与组织表面接触但不穿透组织，而是在施加张力时将压缩力分布在组织表面上。该锚钉‐组织界面面积为80 mm²，似乎足以分散作用力并降低单位组织面积上的压力。最终，这降低了组织失效倾向。

然而，由于使用硅胶作为软组织替代物而非人体组织，这些结果在临床转化方面的能力受到限制。尽管硅胶在测试中起到了受控基质的作用，但它缺乏人体组织的异质性，且具有更高的干燥性和顺应性。硅胶的干燥性可能导致锚钉‐组织界面的摩擦大于活体组织中的摩擦。硅胶的高顺应性还可能导致比人体组织更大的组织变形和更高的组织失效倾向。这些差异表明有必要在尸体模型中进行未来验证测试，以更准确地模拟活体组织。然而，目前合成组织由于具有更高的基质重复性，在确定器械相对强度方面更具优势。

缝合结的机械性能在所有对比测试中均低于锚钉。与锚钉类似，结在组织界面形成阻塞，当施加张力时可防止缝线移动。在此模型中，阻塞的完整性和阻塞‐组织界面的面积决定其性能。结的完整性取决于结的类型[13]、打结次数[14]，以及操作者的技能。结‐组织界面的面积取决于结的长度和宽度。较大的面积可分散受力，提高对组织失效的抵抗力。然而，该面积受缝线尺寸限制，因为额外的打结主要影响结的高度。因此，增加打结次数可能只会提高与结尺寸相关的并发症风险。

我们测试的替代无结固定装置是根据其在软组织固定中的临床应用而选择的。尽管这些装置并非专门用于缝线，但均适用于将假体材料或网片固定于软组织，包括腹壁修复。这与我们的缝线锚钉的适应证相似，即用于在软组织应用中固定宽缝线。因此，这些固定装置被选为与我们器械最具代表性的临床对照。在单调测试中，所有无结固定装置的表现均显著差于缝线锚钉，而在循环测试中，多种装置也显著优于缝线锚钉。替代固定装置的主要失效模式为组织失效，表现为硅胶损伤，而固定装置仍附着在缝线上。这可通过固定装置‐组织关系来解释：每种固定装置均穿透组织，并通过钩、螺钉或倒刺机制实现稳定。由于在组织内部锚定，这些设计导致固定装置‐组织界面面积最小化，从而在施加张力时造成应力集中，引发早期组织失效。

我们的研究设计包含一个受控实验设置，该设置在可转化为高张力软组织闭合的模型中隔离了缝线固定。在整个实验中，组织替代物、缝线类型和拉伸力在不同固定方式之间保持一致。此外，拉伸力垂直施加于组织表面。这种方向性确保缝线对组织施加的力可忽略不计，从而最小化缝线对组织失效的影响。我们选择的比较对象代表了当前的护理标准以及潜在的竞争设备。机械测试使我们能够比较最大固定强度、在生理力作用下的耐久性，以及锚钉在不同张力下的疲劳强度。

本研究的局限性包括使用硅胶作为软组织替代物，而硅胶缺乏人体组织的机械性能和异质性。此外，硅胶在干燥性和顺应性方面也与人体组织不同。硅胶的干燥性可能导致锚钉‐组织界面的摩擦大于活体组织中的情况。硅胶更高的顺应性还可能导致更多的组织变形，并比人体组织更容易发生组织失效。这些差异表明需要在尸体模型中进行未来验证测试，以更准确地模拟活体组织。另一个局限性是缝线上张力的方向。尽管我们将张力垂直施加于组织表面，但在体内，由于体位、压力和肌肉使用情况的不同，张力方向可能更具变异性。

我们也没有对锚钉所用不同材料的性能进行比较，这是由于可用于3D打印的材料有限，且打印锚钉各个组件需要高分辨率。Carbon 3DVR打印机将材料选择限制在一系列可紫外固化的液态树脂范围内，其中仅有少数适用于锚钉的功能需求。在这些适用材料中，我们未进行对比，因为只有氨基甲酸酯‐甲基丙烯酸酯和聚氨酯树脂能够精确打印出锚钉阴性组件的孔洞。本研究的另一项局限性在于锚钉应用的操作变异性。由于锚钉是手动施加的，因此其应用的稳健性在不同个体之间存在差异。因此，未来的目标是开发一种用于开放手术和腹腔镜应用的自动化锚钉施加器，以最大限度地减少锚钉应用的操作变异性。

尽管存在研究设计、锚钉材料和应用方面的局限性，但本文所描述的工作产生了一种新型的缝线固定方式。该缝线锚是一种适用于软组织闭合和对合中宽缝线的低轮廓固定装置。由于其尺寸远小于缝线结，因此可能降低包括可触性、异物反应和感染在内的临床并发症风险。其优于替代固定方法的机械性能也应在体内转化为更可靠的缝线固定效果。

然而，当前用于制造锚钉的材料不适合临床应用。最终材料应具备适当的物理和机械性能，并且具有生物相容性。这包括完成细胞毒性、基因毒性、致敏性、刺激性和血液相容性等毒性测试。理想情况下，最终锚钉将使用先前获得美国食品药品监督管理局批准的材料制造，从而提高满足生物相容性标准的可能性。可能的材料包括但不限于可降解聚乳酸（PLA）和不可降解聚醚醚酮（PEEK）。PLA是一种可生物降解的热塑性塑料，临床上用于网片向软组织的固定[15,16]。基于PLA的锚钉会逐渐降解，因此无需术后取出锚钉。PEEK是一种不可吸收的热塑性聚合物，常用于骨科缝线锚钉[17]以及脊柱融合装置等医用植入物[18]。鉴于PEEK和PLA在可吸收性和机械性能方面均存在差异，还需进一步测试以比较两者作为锚钉的表现。

临床上，锚钉将与施用器结合使用，以确保缝线应用的一致性。该施用器还将具备移除功能，以便在锚钉放置不当的情况下安全地将其拆除。锚钉的术后管理将取决于材料特性。不可降解材料若发生并发症可能需要后续取出，但并非所有不可降解植入物都必须取出，许多情况下会无限期留置于患者体内。而可降解材料则不应需要二次手术。

后续工作将包括使用美国食品药品监督管理局批准的生物相容性材料制造锚钉，并在尸体组织中进行对比测试。这些测试的结果将决定用于动物模型实验的锚钉材料。该动物模型将评估锚钉在高张力软组织闭合中的应用价值，特别是疝气和肌腱修复。这将为临床性能评价以及与大结相关的并发症分析奠定基础。

5 结论

本文所述的缝线锚钉装置在尺寸上小于宽缝线结，同时在台式软组织缝合模型中机械性能优于缝线结及其他形式的宽缝线固定。未来还需进一步工作以确定最终材料、设计施用器，并进行尸体和动物模型测试。该设计及现有数据为一种新型缝线锚钉奠定了基础，可用于替代高张力软组织缝合固定中的宽缝线结，适用场景可能包括疝气和肌腱修复。

在网状缝线中，锚钉的失效载荷（4964 N）显著高于 结（32614 N）、钉书钉固定（1463 N）、螺旋钉（1268 N）、平头钉（1864 N）和带扣固定（1965 N） （p < 0.05，n=6）。(b) 在带状缝线中，锚钉失效载荷（4967 N）显著高于结（2265 N）、钉书钉固定 （1366 N）、螺旋钉（11611 N）、平头钉（2364 N）和带扣固定（1363 N）（p < 0.05，n=6))

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