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编号:10391743
钛镍合金—硅橡胶组合式人工食管的实验研究
http://www.100md.com 《中华实用医药杂志》 2003年第23期
     【摘要】 目的 采用钛镍合金-硅橡胶组合式人工食管替代一段食管,评价其可行性。方法 以钛镍合金、硅橡胶作材料制成组合式人工食管,以18只猪作动物实验,切除一段长约7cm的胸段食管,用人工食管替代,观察动物的进食及生长情况,定期进行称重、食道吞钡检查,最后处死动物、大体观察并送病理检查。结果 10只动物未脱管,其中1只人工食管扭曲而出现梗阻;另外8只均先后脱管,其中6只出现梗阻;存活达4个月以上的5只,其中1只达9个月。“新生食管”起初以肉芽组织为主,以后肉芽组织转变成瘢痕,最后形成的“新生食管”两端接近正常;中间段则以疤瘢组织为主,其间可观察到少量肿胀、变性、排列紊乱的平滑肌,粘膜下层贫泛甚至缺如。“新生食管”能够实现上皮化。结论 钛镍合金-硅橡胶组合式人工食管是一种有进一步研究价值的食管代用品。

    关键词 钛镍合金-硅橡胶 人工食管 动物实验

    【文献标识码】 A 【文章编号】 1609-6614(2003)23-2131-03
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    Experimental study of replacement of a esophageal segment with an

    artificial prosthesis constructed with nitinol alloy and silicone

    Xie Yuancai,Zhang Bengu,Peng Pinxian,et al.

    Department of Chest Surgery,Beijing University Shenzhen Hospital,Shen Zhen518036.

    【Abstract】 Objective To replace a segment of the thoracic esophagus withan artificial esophagus constructed with Nitinol and silicone.Methods Eighteen pigs weighing27to35kilograms underwent replacement-operation.A segement of7cm long thoracic esophagus was excised and replaced by an artificial prosthesis constructed with Nitinol and silicone.The operative animals were feed by nose-stomach-tube for5days and then by mouth.Esophagrams were carried out periodically.Eventully all animals were examined by autopsy,pathology.Results 18animals surˉvived for18to270days.of then,5pigs survived for more than4months.Ten prosthesis fixed to the original position.one of them died of obstruction because of the prosthesis-twisting.8prosthesis excluded out.Of them,6pigs were found obstruction.Inhistology,Both ends of the neoesophagus are constructed with epithelium and smooth muscle cells.similar to the normal esophagus.In the middle of it,the main tissue is scar,With some degenerated smooth musˉcle cells in it.Ihe esophageal epithelium is found covering in-surface of the neoesophagus.Conclusion The prosˉthesis constructed with Nitinol and silicone is a artificial esophagus worth continued research.Key words Nitinol-Silicone artificial esophagus animal experiment
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    钛镍合金又称Nitinol,它具有非常好的生物相容性、超弹性、耐磨耐腐蚀、耐疲劳及低磁等特性,被誉为21世纪的“生物功能材料” [1] 。自2000年以来,我们采用钛镍合金-硅橡胶两种材料制成组合式人工食管并进行动物实验研究,取得了一定的效果,现报告如下。

    1 材料和方法

    用钛镍合金和硅橡胶作材料制成组合式人工食管,长8cm,内径18mm,内层为硅橡胶,外层为钛镍合金网,由北京有色金属研究总院制作提供。实验用健康普通家猪20只,重27~35kg,雌雄不拘,由广东省医学实验动物中心提供。术前禁食12h,用氯胺酮4mg/kg,咪唑安定7.5mg肌肉注射诱导麻醉,气管插管,氨氟醚吸入维持麻醉。经耳缘静脉建立静脉通道。经左侧第六肋间进胸,纵行打开纵隔胸膜,在膈上3cm处解剖游离一段食管,切除一段长约7cm的食管。用钛镍合金-硅橡胶组合式人工食管套入固有食管进行套叠式端端吻合,1 # 慕丝线间断全层缝合,术中留置胃管。严密缝合纵隔胸膜,用含有庆大霉素的生理盐水冲洗胸腔及胸壁切口,于第七肋间腹侧常规放一胸管,并接胸腔闭式引流瓶,最后逐层关胸。术后第一天,胸管引流量少于100ml,胸液颜色变淡,即拔除胸管。术后1~5天,每天给予青霉素、庆大霉素经耳缘静脉滴入;术后24h开始经胃管滴入营养液,总量每天不少于2500ml。术后第6天开始经口进流质饮食。观察指标包括:动物进食情况、动物的胸部切口愈合情况、术后每周称重、定期作食道吞钡检查、动物处死后病检,标本纵行连续取材,包括远近端吻合口。
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    2 结果

    18只动物,生存期从18天~270天不等。

    2.1 进食情况 所有动物在食管未发生狭窄以前均能正常进食,说明食物能顺利通过“无蠕动”的替代段食管。8只脱管的动物中有6只出现梗阻,2只术后6个月脱管的动物未再出现梗阻,10只未脱管的动物中1只因人工食管扭曲而梗阻,其余无呕吐、梗阻症状。

    2.2 胸部切口愈合情况 全部动物胸部切口都存在不同程度的感染,经换药、引流及应用抗生素等处理,全部愈合。

    2.3 体重变化 全组18只动物的体重都较术前增加。6只出现梗阻的动物一度增重后,当梗阻出现时,体重又有所减轻,但均较术前体重增加。

    2.4 食道吞钡检查 钡剂通过顺利,并迅速进入胃腔,未见钡剂进入胸腔。脱管的动物原食管与替代食管之间连续,替代食管远端显影良好,食管排空良好(分别于吞钡立即及30min后拍片)。未脱管的动物中,未见人工食管明显移位,人工食管形状无明显变化,与“新生食管”之间分离,其间可见钡剂滞留,似“动脉夹层瘤”。
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    2.5 动物尸检 4只动物胸壁内见小脓腔,腔内见黄白色脓液,已包裹,与胸腔不相通。1只动物人工食管脱落后滞留于胃内;1只动物因术中吻合时缝合的人工食管过多且边距不均匀,导致人工食管扭曲不通,并有一小盲管。8只脱管的动物中,新形成的“食管”中间段存在不同程度狭窄,6只最终形成梗阻导致进食困难,2只动物在术后6个月以后脱管,至处死时未出现梗阻症状;食管近端轻度扩张,扩张的程度与狭窄的严重程度呈正相关,远端无明显变化。在未脱管的动物中,人工食管与“新生食管”已分离,人工食管两端仍可见原吻合时用的缝线,部分人工食管内面的硅橡胶见黑斑点,1例人工食管内层硅橡胶与钛镍合金部分分离、但未完全脱落。所有人工食管的钛镍合金网色质及弹性无明显变化。

    2.6 组织病理学检查 “新生食管”起初以肉芽组织为主,以后逐渐瘢痕化。随着生存时间的增加,“新生食管”两端接近正常食管,但肌纤维排列紊乱,越靠近吻合口处,越接近正常。“新生食管”中间部位则以纤维结缔组织为主,其长度随生存期延长而缩短,4只生存期达150天的动物,其长度不足1cm;肌细胞变得少而细,大部分变性,排列紊乱,夹杂在纤维结缔组织之间;粘膜层以鳞状上皮细胞为主,粘膜下层代以纤维结缔组织;纤维结缔组织在以后的塑形过程中有挛缩趋势,其中以中心部位最明显。除1例标本由于食管腔表面大量的微小溃疡而仅见到短距离鳞状上皮细胞生长、爬行外,其余动物的标本中,“新生食管”腔面均见到鳞状上皮细胞生长、爬行,15只生存期达30天的动物,其鳞状上皮细胞全部覆盖、对接,越向“新生食管”中部,鳞状上皮细胞层越薄,但随着生存期的延长,各段的鳞状上皮细胞层厚度基本一致。“新生食管”全层可见数量不等的炎症细胞及异物反应巨细胞。
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    3 讨论

    3.1 人工食管的选材 多年来人工食管研究的关键问题之一,是人工食管材料的选择。通过查阅文献和临床实践,我们发现钛镍合金具有良好的组织生物相容性、超弹性、耐磨耐腐蚀等理化特性,是一种理想的人工食管材料。国内外已成功将钛镍合金支架广泛应用于各种原因引起的食管狭窄,效果满意。它与硅橡胶组合既能保证人工食管的柔韧性和径向支撑力,又能达到人工食管不渗水的要求。

    3.2 吻合口瘘 吻合口瘘是人工食管移植的早期主要并发症之一 [2] ,从以往的实验研究结果来看,发生率在0~60%不等 [3~4] 。其可能的原因:一是材料,包括材料的组织相容性和力学相容性 [2] 。以往的材料多单独使用硅橡胶类,这类材料制成的人工食管要达到足够的支撑力,管壁会变得厚而硬,很难达到柔韧性和径向支撑力的统一。钛镍合金在一定程度上能够随食管的蠕动而波动,从而与食管达到运动上的相对一致,因此在这方面显示出其独特的优 越性。二是血运,与一段无生机的人工食管吻合,如果选择的材料过硬或过软,或大小不适,则会严重影响组织细胞的生机及其生长、爬行,甚至导致固有食管的坏死。瘘的发生将不可避免。三是感染,感染一方面影响创面愈合;另一方面,感染引起的脓肿溃破,将直接导致瘘的发生。术后应用抗生素防治感染和留置胃管减少食物返流以避免吻合部位污染是重要的。本实验无1例瘘发生,一则可能与人工食管本身的优良理化特性有关;二是与术中严密缝合纵隔胸膜有关;另外也与术中、术后采取的各种防止感染的措施如胃肠减压、静脉应用抗生素等有关。
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    3.3 人工食管的脱落和脱管后狭窄 人工食管是否应永久植入体内,目前还有争议。多数实验结果表明,人工食管固定于原位时实验动物一般不会出现吞咽困难,能长期健存,一旦脱管,几乎都要发生不同程度的狭窄。本实验结果与之相似,术后10只(10/18)未脱管的动物中,仅1只因人工食管扭曲出现梗阻症状。8只脱管的动物尸解发现全部都存在不同程度的狭窄,说明人工食管固定于原位是必要的。尸检中发现,吻合用的缝线仍留在人工食管上,人工食管与“新生食管”均已分离。据此推测,缝线的切割作用使得人工食管与固有食管之间发生分离,这可能是人工食管脱落的第一步;接下来,由于固有食管的蠕动,与相对固定的人工食管发生相对运动,从而发生移位,最终的结果是脱管,脱管后纤维性“新生食管”的径向挛缩导致狭窄的产生,这可能是“新生食管”的一般演变过程。田柳堤等 [5] 的实验结果表明:只要人工食管局部固定达一定时限,局部形成的纤维壁老化、挛缩进程即停止,食管不再狭窄,他们认为人工食管固定时间不宜少于半年,本实验结果与之相似。脱管后引起狭窄的原因是多方面的,有作者提出“新生食管”的完全上皮化是防止食管狭窄的首要条件 [6] ,但本实验观察到“新生食管”完全上皮化后仍然发生狭窄,这可能与粘膜层的质(粘膜层的成分)和量(细胞的数量或粘膜层的厚度)有关。
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    3.4 新生食管的组织学结构 “新生食管”起初是一些肉芽组织,后瘢痕化。肉眼上看,“新生食管”由于瘢痕纵向收缩、牵拉作用,其长度一般比切除的食管短。组织病理学上看,靠近固有食管处“食管”各层结构基本接近正常,这可能与瘢痕的纵向牵拉作用有关;在中间部位则以致密的纤维结缔组织为主,其中夹杂少量孤立的平滑肌,与远近端的平滑肌不连续,是不是再生尚未能证实。“新生食管”表面均覆盖有鳞状上皮细胞,且生存期达30天以上的动物,上皮化均已完全,这与Takimoto Y等 [7] 的实验结果相似,说明上皮化是能够实现的。感染是严重影响上皮爬行的主要因素之一,在第2例标本中,由于感染较严重,表面存在较多微小溃疡而影响上皮细胞爬行,上皮在溃疡处即中断。对于“新生食管”有无腺体和肌层形成仍存在争议。Leininger [8] 根据病理切片所见,认为所谓“新生食管”再生的腺体和肌层,乃因原有食管被“新生食管”纤维收缩、向中间牵拉移位所致,并非再生。本实验虽未证实平滑肌能否再生,但部分动物整段“新生食管”中都能够见到平滑肌,并且在腔面均有鳞状上皮细胞覆盖,这就为食管的新生提供了可能。观察“新生食管”中间部位,粘膜层大部分只是一些上皮细胞。粘膜下层则基本缺如,这可能是为什么“新生食管”上皮化后仍发生狭窄的原因之一。本实验未观察到腺体再生。
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    3.5 人工食管今后的展望 目前我们的实验取得了一定的效果,但还不尽如人意。我们又设计了一种钛镍合金网嵌在胶原蛋白内的人工食管,希望食管鳞状上皮细胞能够在具有培养基作用的胶原蛋白上沿着人工食管的内面生长,从而使钛镍合金管成为“新生食管壁”的一部分,最终达到永久植入不脱落而解决脱管问题。这有待于进一步动物实验研究。(本文图片见附页2)

    参考文献

    1 薛淼,李一呜,顾国珍,等.钛镍记忆合金的医学基础研究.中国生物医学工程学报,1983,2(1):28.

    2 陈耀辉,张大卫,黄国俊,等.人工食管的实验研究.中华胸心血管外科杂志,1992,8(2):115.

    3 Bernard J,Leininger MD,Howard peacock,et al.Esophgeal mucosal reˉ generation following experiment prosthetic of the esophagus.Surgery,1970,3:67(3):468-473.
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    4 Salama FD.Prosthetic replacement of the esophagus.JThorac Cardiovasc Surg,1975,70:739.

    5 田柳堤,姚伯元,郭国林,等.应用哑铃型人工食管对犬的食管重建的实验研究.中国生物学工程式学报,1989,9,8(3):151.

    6 陈荫春,刘志远,严煜,等.生物材料人工食管的实验研究.南通医学院学报,1985,5(1):12.

    7 Yukinobu Takimoto,Tatsuo Nakamura,Yasumichi Yamamoto,et al.The exeperimental replacement of a cervical esophageal segmentwith an artiˉficial prosthesis with the use of collagen matrix and a silicone stent.J Thorac Cardiovasc Surg,1998,116:98-106.

    8 徐成钧,李树春,李振东,等.下咽及颈段食管癌外科治疗的新进展.实用肿瘤学杂志,1997,11(1):49.

    作者单位:518036深圳北京大学深圳医院胸外科

    广州医学院第二附属医院胸心外科

    (编辑清 泉), 百拇医药(谢远财 张本固 彭品贤 梁建辉)