Сравнительное исследование по оценке эффективности герметиков отдельно и в комбинации с коллагеновой пластиной в модели утечки воздуха в изолированном легком свиньи

Утечка воздуха из легких — частое осложнение после легочной резекции в торакальной хирургии [1, 2]. Обычно она возникает из-за аномального сообщения между альвеолами дистальных бронхиол и плевральной полостью [3]. При сохранении утечки ≥5 дней состояние определяется как длительная утечка воздуха (ДУВ) и ассоциируется с тяжелыми осложнениями, включая ателектаз, дыхательную недостаточность и эмпиему плевры [4]. Исследования показывают, что после видеоторакоскопической резекции легких частота ДУВ колеблется от 5 до 26,3% [5—7], что не только увеличивает длительность дренирования и пребывания пациента в стационаре, но и повышает риск инфицирования и экономическую нагрузку.

Традиционные методы, такие как механическое укрепление швов или плевродез [8], имеют ограничения: техническая сложность, длительность выполнения, риск вторичного повреждения хрупкой легочной ткани или расхождения швов, что ухудшает повторное расширение легких [9]. Эти недостатки особенно критичны у пациентов со сниженной функцией легких.

Развитие биоматериалов открыло новые возможности применения хирургических герметиков. Эти материалы формируют защитный слой на раневой поверхности, обеспечивая гемостаз и герметизацию [10]. Однако динамические свойства легких (растяжимость, изменение объема) снижают эффективность изолированного использования герметиков. При интраоперационной вентиляции или кашле высокое давление часто приводит к нарушению адгезии.

Для повышения стабильности предложена стратегия комбинации герметиков с резорбируемыми коллагеновыми пластинами, обеспечивающими механическую поддержку. Предварительные данные подтверждают улучшение герметизации [11], однако в литературе отсутствуют систематические сравнения несущей способности различных комбинаций материалов. Кроме того, остаются неясными механизмы синергии и пределы механической устойчивости композитных материалов при физиологических нагрузках.

В настоящем исследовании мы выбрали три репрезентативных медицинских герметика с различиями для оценки: латексный, фибриновый и цианакрилатный.

Латексный клей на основе акрилатного латекса и поливинилового спирта обладает гидрофильными свойствами, что обеспечивает стабильную адгезию в условиях высокой влажности. Фибриновый клей формирует стабильный сгусток за счет взаимодействия тромбина и фибриногена, что способствует механической обтурации дефекта. Цианакрилатный клей быстро полимеризуется при контакте с тканями благодаря анионной полимеризации, создавая прочное соединение.

Цель исследования: оценка эффективности трех герметиков (акрилатного латекса, фибрин-тромбинового клея и цианакрилатного клея), применяемых отдельно или в комбинации с коллагеновой пластиной, при герметизации утечки воздуха из легких в модели изолированных легких свиней.

Для достижения цели мы оценили герметизирующую эффективность применения хирургических клеев отдельно и в комбинации с коллагеновой пластиной путем создания стандартизированной модели ex vivo сквозных легочных дефектов на изолированных свиных легких, имитирующей условия клинически значимой искусственной вентиляции (PEEP=5 см вод. ст., I:E=1:2).

В исследовании использована стандартизированная модель изолированного свиного легкого для оценки эффективности герметизации утечки воздуха из дефекта легкого с помощью трех герметиков (на основе акрилатного латекса, фибрин-тромбинового комплекса и производного цианакрилата) отдельно или в сочетании с коллагеновой биопластикой.

Дополнительно использовали коллагеновую пластину в качестве биомеханического каркаса. Она обеспечивает трехмерную поддерживающую структуру, способствующую инфильтрации фибробластов и усилению герметизации [12].

Для исследования использовано 18 свежих свиных легких, которые были обработаны в течение 2 ч после забоя, включая промывание изотоническим раствором хлорида натрия, удаление пораженных тканей и хранение при комнатной температуре. Кроме герметики, использовали рассасывающуюся коллагеновую пластину размером 3×3 см и толщиной 0,5 мм, предоставленную Научно-технологическим парком биомедицины Сеченовского Университета. Основное оборудование включало дыхательный аппарат Mindray Animal Care Veta 5 и хирургические инструменты. Исследование одобрено ЛЭК Сеченовского Университета протокол №09 — 24 от 03.04.2024.

Экспериментальную модель создавали путем формирования трех сквозных дефектов диаметром 2 см в паренхиме каждого легкого с помощью скальпеля для имитации клинической альвеоло-плевральной утечки. Локализация дефектов рандомизированно распределялась по легочным долям с исключением зон, прилегающих к крупным сосудам или бронхам. Поврежденные доли подключали к аппарату искусственной вентиляции легких (ИВЛ) со следующими параметрами: частота дыхания 15 циклов/мин, соотношение вдох:выдох (I:E) 1:2, положительное давление в конце выдоха (PEEP) 5 см вод. ст., что имитировало условия искусственной вентиляции. Образцы рандомизированы в 6 групп (по 3 в группе): группы применения герметиков отдельно и комбинированные группы (герметик + коллагеновая пластина).

Протокол вмешательства состоял из трех этапов: подготовка, нанесение герметика и фиксация пластины. На этапе подготовки область дефекта промывали изотоническим раствором хлорида натрия и высушивали стерильной марлей. Герметик равномерно наносили на поверхность дефекта с последующей выдержкой времени полимеризации согласно рекомендациям производителей: латексный клей — 5—10 мин, фибриновый клей — 2—5 мин, цианакрилатный клей — 0,5—1,5 мин. В комбинированных группах коллагеновую пластину накладывали до полного отверждения герметика с приложением постоянного давления в течение 10 с для усиления адгезии на границе раздела.

Оценку герметизирующего эффекта выполняли методом ступенчатого повышения давления: начальное давление 20 см вод. ст. с ежеминутным увеличением на 5 см вод. ст. до достижения максимального давления 50 см вод. ст. (максимальный предел ИВЛ). Утечку воздуха определяли визуально по образованию непрерывных пузырьков (≥3 с) при распылении изотонического раствора хлорида натрия, регистрируя максимальное переносимое давление при первом обнаружении утечки. Стабильность пластины оценивали по градационной системе: 0 — отсутствие дефектов, 1-я степень — краевое расслоение <10% площади, 2-я степень — выраженное расслоение или отслоение. Дополнительно фиксировали время полимеризации герметиков, удобство их применения и прочность адгезии на границе ткань—материал.

В исследовании использовано 18 изолированных свиных легких, разделенных на 6 групп по 3 образца в каждой, что определено на основе практической осуществимости эксперимента и опыта предыдущих исследований для проведения сравнительной оценки эффективности различных герметиков и их комбинаций с коллагеновой пластиной. Учитывая, что это предварительное исследование, основной целью было получение начальных данных для планирования более крупных экспериментов в будущем. Для анализа данных максимальное переносимое давление фиксировали как максимальное значение, при котором не наблюдалось утечки воздуха, с последующим сравнением между группами для выявления наиболее эффективных герметиков; частоту утечек и стабильность пластины оценивали визуально по шкале от 0 до 2 баллов (0 — отсутствие дефектов, 1 — краевое расслоение <10%, 2 — выраженное расслоение или отслоение) и сравнивали между группами качественным образом для определения различий; время полимеризации и удобство применения каждого герметика регистрировали и описывали с точки зрения их практического использования.

Проведена оценка эффективности герметизации утечки воздуха из дефекта легкого при использовании трех герметиков отдельно и в комбинации с коллагеновой пластиной (см. рисунок). Результаты продемонстрировали достоверное влияние герметика и его комбинации с коллагеновой пластиной на максимальное переносимое давление и стабильность герметизации.

Максимальное переносимое давление трех герметиков.

Изол. — изолированный герметик; Комб. — комбинация с пластиной; ИВЛ — искусственная вентиляция легких.

Цианакрилатный клей обеспечивал наилучшие результаты. При использовании без пластины его максимальное переносимое давление составило 40 см вод. ст., превысив показатели латексного (20 см вод. ст.) и фибринового (30 см вод. ст.) клея. Однако при достижении давления ≥40 см вод. ст. во всех группах наблюдалась частичная потеря герметизации, проявляющаяся краевым отслоением материала или образованием трещин.

Комбинация цианакрилатного клея с коллагеновой пластиной продемонстрировала исключительную эффективность. При максимальном давлении 50 см вод. ст. (технический предел ИВЛ) в данной группе сохранялась полная герметизация (отсутствие утечек в 100% случаев) без признаков расслоения или смещения пластины на границе ткань—материал (стабильность: 0 степень).

В группе фибринового клея с пластиной при 40 см вод. ст. зафиксировано краевое расслоение (1-я степень стабильности) с сопутствующим локальным образованием пузырьков воздуха. Наименее эффективной оказалась комбинация латексного клея с пластиной: полное отслоение пластины (2-я степень стабильности) и массивная утечка, охватывающая всю площадь дефекта, регистрировались уже при 25 см вод. ст.

Быстрая полимеризация цианакрилатного клея (30—90 с) достоверно сократила время операции, а его цианакрилатный компонент сформировал бесшовную композитную структуру с коллагеновой пластиной, продемонстрировав наивысшую прочность адгезии на границе раздела. В отличие от него фибриновый клей, зависящий от реакции фибриногена с тромбином (время полимеризации 120—300 с), обеспечивал слабую адгезию на границе раздела, что предрасполагало к краевому отслоению пластины под механической нагрузкой. Латексный клей с самым длительным временем полимеризации (300—600 с) и низкой адгезивной способностью приводил к быстрому нарушению герметизации при повышении давления.

В аспекте удобства применения цианакрилатный клей оказался оптимальным: его нанесение не требовало повторной коррекции толщины слоя. В то же время при использовании латексного клея возникала необходимость в многократном регулировании наносимого объема. Примечательно, что в процессе полимеризации цианакрилатный клей генерировал незначительное тепловыделение, однако видимых повреждений тканей не зафиксировано.

В настоящем исследовании с использованием модели ex vivo изолированного легкого свиньи проведена системная оценка эффективности трех герметиков отдельно и в комбинации с коллагеновой пластиной для устранения утечки воздуха, что выявило значительные различия в герметизирующей способности различных комбинаций материалов в условиях искусственной вентиляции. Результаты демонстрируют, что комбинация цианакрилатного клея с коллагеновой пластиной значительно превосходит другие группы по устойчивости к давлению (50 см вод. ст.) и стабильности на границе раздела. Это обусловлено быстрой полимеризацией, высокой адгезивной прочностью и механической поддержкой со стороны пластины. Подтверждением эффективности цианакрилатного клея служит исследование Н.В. Сергеевой и соавт. [13]. Авторы продемонстрировали, что этот медицинский клей обеспечивает надежную фиксацию хрящевого аутотрансплантата при септопластике, способствуя его приживлению без токсического воздействия на ткани. Эти результаты согласуются с нашими данными, свидетельствующими, что комбинация цианакрилатного герметика с коллагеновой пластиной обеспечила высокую устойчивость к давлению и адгезивную прочность.

Цианакрилатный герметик формирует высокопрочный адгезивный слой за 30—90 с благодаря анионному механизму полимеризации. Это свойство позволяет ему адаптироваться к динамическим условиям интраоперационного вмешательства, образуя жесткую пленку, устойчивую к отслоению под высоким давлением даже на увлажненных тканевых поверхностях [14, 15]. При комбинации с коллагеновой пластиной мощная адгезия цианакрилата обеспечивает бесшовную интеграцию пластины с легочной тканью, минимизируя риск механического разрушения из-за сдвиговых нагрузок. Аналогичные результаты получены G. Pascual и соавт. [16], которые доказали эффективность цианакрилатных адгезивов в усилении фиксации пластин при герниопластике, снижая частоту развития послеоперационных рецидивов.

Механическая структура коллагеновой пластины не только распределяет давление вентиляции, но и синергетически улучшает краткосрочную герметизацию и долгосрочное заживление тканей. Однако, несмотря на отсутствие видимых повреждений тканей в эксперименте, экзотермическая реакция при полимеризации требует осторожности в клинических условиях.

Неудовлетворительные результаты применения латексного и фибринового комплексов, вероятно, связаны с их биологическими свойствами и кинетикой полимеризации. Фибриновый клей как продукт ферментативной реакции фибриногена с тромбином характеризуется пролонгированным временем полимеризации и формирует фибриновую сеть с низким модулем упругости, что снижает устойчивость к концентрическому растяжению при высоком давлении вентиляции. Дополнительным фактором может быть интерфазное набухание фибринового слоя, ослабляющее адгезивную прочность в зоне контакта с пластиной. Латексный клей, несмотря на гидрофильную стабильность акрилатного латекса, обладает вязко-упругостью, недостаточной для компенсации растяжения в легочной паренхиме при акте дыхания. Особенно критичным становится динамическое воздействие механической вентиляции в период неполного отверждения материала, приводящее к преждевременному отслоению пластины.

Исследование имеет ряд ограничений. Модель ex vivo не полностью воспроизводит динамическую физиологическую среду in vivo, включая кровоток и иммунные реакции. Малый размер выборки может ограничивать статистическую мощность выводов. Кроме того, не оценены долгосрочные эффекты, такие как деградация коллагеновой пластины, биосовместимость остаточных компонентов герметиков и процессы тканевого ремоделирования.

В дальнейших исследованиях необходимо расширить выборку и провести эксперименты на животных моделях in vivo для оценки долговременной эффективности герметизации. Одновременно следует провести мониторинг биологических маркеров, включая воспалительные реакции, ангиогенез и фиброз, в зоне аппликации материалов. Отдельное внимание требуется уделить изучению толерантности тканей к нагреванию при использовании цианакрилатных герметиков, учитывая их экзотермические свойства.

Настоящее исследование подтвердило, что комбинация цианакрилатного клея с коллагеновой пластиной демонстрирует превосходную герметизирующую эффективность в условиях высокого давления в модели ex vivo, в которой быстрая полимеризация и высокая прочность адгезии на границе раздела представляют перспективное решение для клинического устранения утечки воздуха. Однако экзотермические свойства цианакрилата и долгосрочная биосовместимость данного материала требуют дальнейшей валидации в условиях in vivo для гарантии безопасности и эффективности при клиническом применении.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Ма Ц., Тарабрин Е.А., Тимашев П.С., Берикханов З.Г.

Сбор и обработка материала — Ма Ц., Христидис Я.И., Иванова М.Ю., Ершов Б.П.

Статистическая обработка — Ма Ц., Тарабрин Е.А., Лю Ц.

Написание текста — Ма Ц., Берикханов З.Г.

Редактирование — Ма Ц., Тарабрин Е.А., Берикханов З.Г.

Participation of authors:

Concept and design of the study — Ma Ts., Tarabrin E.A., Timashev P.S., Berikkhanov Z.G.

Data collection and processing — Ma Ts., Khristidis Ya.I., Ivanova M.Yu., Ershov B.P.

Statistical processing of the data — Ma Ts., Tarabrin E.A., Liu Ts.

Text writing — Ma Ts., Berikkhanov Z.G.

Editing — Ma Ts., Tarabrin E.A., Berikkhanov Z.G.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.