Что такое анизотропия кожи

Обновлено: 02.05.2024

ФГУЗ "Клиническая больница №119" ФМБА России, Химки

ФГУ "Екатеринбургский НИИ вирусных инфекций"

ОАО "Институт пластической хирургии и косметологии", Москва

Экспериментально-клинические исследования инъекционных материалов, используемых для контурной пластики лица

Журнал: Клиническая дерматология и венерология. 2012;10(4): 22‑29

Карпова Е.И., Глинских Н.П., Дирш А.В. Экспериментально-клинические исследования инъекционных материалов, используемых для контурной пластики лица. Клиническая дерматология и венерология. 2012;10(4):22‑29.
Karpova EI, Glinskikh NP, Dirsh AV. Experimental and clinical studies of injectable materials used for facial contour plasty. Klinicheskaya Dermatologiya i Venerologiya. 2012;10(4):22‑29. (In Russ.).

ФГУЗ "Клиническая больница №119" ФМБА России, Химки

На современном этапе развития пластической хирургии и эстетической медицины особенно остро ощущается дефицит комплекса исследований, способных повысить надежность ранней диагностики возможных осложнений контурной инъекционной пластики разных деформаций мягких тканей лица. Актуальной остается проблема, связанная с экспресс-оценкой цитотоксичности веществ и материалов, их возможной индивидуальной непереносимостью, отбором метода и уровня введения жидких имплантатов, что существенно позволило бы оптимизировать проведение этих вмешательств.

ФГУЗ "Клиническая больница №119" ФМБА России, Химки

ФГУ "Екатеринбургский НИИ вирусных инфекций"

ОАО "Институт пластической хирургии и косметологии", Москва

На современном этапе развития пластической и эстетической медицины контурная инъекционная пластика (КИП) приобретает все большую популярность. Список материалов, применяемых для этих целей, год от года увеличивается, а процесс поиска новых не прекращается. Одним из основных требований к вводимым имплантатам, особенно на длительный срок, является биоинертность, т.е. отсутствие выделения в организм различных низкомолекулярных веществ в результате их биодеструкции. Однако, согласно высказываниям ряда авторов [1], многие медицинские полимерные материалы, считавшиеся ранее практически абсолютно химически устойчивыми и никак не взаимодействующими с тканями человека, оказались не в достаточной степени биоинертными. После многолетних наблюдений установлено, что даже из твердых силиконовых имплантатов, находящихся длительно в организме человека, в тканевые жидкости выделяются низкомолекулярные продукты, образовавшиеся в результате деструктивных процессов, протекающих после имплантации [2]. Таким образом, несмотря на утверждения производителей о биоинертности предлагаемых для КИП материалов, не всегда инертность имплантируемого материала предопределяет его безопасность из-за возможной индивидуальной непереносимости и/или хронической травмы постоянно воздействующих на него мимических мышц, особенно в функционально активных зонах лица (которые чаще всего подвергаются коррекции, так как именно на этих участках раньше всего появляются возрастные изменения тканей). Безусловно, необходимы дальнейшие научные разработки и клинические исследования в данном направлении, что откроет новые перспективы для развития КИП в пластической и эстетической хирургии.

В данной статье представлен ретроспективный анализ результатов проведенных ранее экспериментально-клинических исследований на примере полиакриламидного геля (ПААГ), который более 10 лет широко применялся в нашей стране под марками интерфалл, биофарм, фармакрил, аргиформ, и в настоящее время используется в ряде стран: био-алкамед — в Италии, аквамид и эвалюшион — в Дании, аут лайн — во Франции.

Цель исследования — оценка материалов для эндопротезирования с помощью специальных методов изучения микросостояния тканей и тонких механизмов взаимодействия на границе ткань—имплантат, а также физико-химических изменений в самом имплантируемом материале в зависимости от уровня его введения.

Материал и методы

Нами использовался комплекс физических методов, дающих информацию как о тканях, так и о самом имплантате:

— акустический метод — для оценки изменения механических свойств тканей над областью введения геля;

— метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) с использованием специально подобранных спиновых зондов для исследования закономерности изменения микровязкости системы ткань—гидрогель, что позволяет судить о степени однородности микроокружения зонда и гомогенности образца и способствует объяснению механизмов развития возможных патологических процессов в тканях;

— метод капиллярного впитывания, исследующий скорость миграции водных компонентов гидрогеля в пористые пленки, как прогноза взаимодействия геля с тканями;

— адгезионный метод, основанный на кинетике формирования межфазного слоя исследуемого материала на границе контакта с подложкой, — для оценки и сравнения адгезии ПААГ до и после введения в ткани в разные сроки наблюдения;

— ИК-спектроскопия — для изучения изменения химических связей соединений в материале (исходном и удаленном из организма при осложнениях), позволяющих понять причины появления осложнений;

— поляризационно-оптический метод — для определения индивидуальной чувствительности к препарату;

— контроль качества используемых гелей с помощью тест системы Л-41-КД/84.

Результаты и обсуждение

Контроль качества гелей проводили с использованием стандартной тест-культуры штамма перевиваемых лейкоцитов человека Л-41-КД/84 [3], обладающего стабильностью культуральных и морфологических свойств, что обеспечивает стандартность проводимой оценки качества препарата. Методика применена нами для оценки качества ПААГ и препарата Рестилайн (Restylane), гель Х (на основе силоксановой жидкости). Далее все ПААГ, которые подвергались исследованию, идут под номерами, так как наша цель — показать возможности примененных методов исследования. При исследовании серии ПААГ и препарата Рестилайн не выявлено статистически значимых изменений пролиферативной активности культуры. Под воздействием геля Х отмечено снижение пролиферации клеток, особенно выраженное к 5-м суткам роста (табл. 1, 2). Проведены морфологические исследования. Установлено, что во всех наблюдениях, в том числе и в контроле, клетки имеют светлую цитоплазму, без включений, их границы четко различимы, ядра округлые, содержат 2—3 ядрышка (рис. 1). Рисунок 1. Неизменная культура клеток Л-41-КД/84 при воздействии препарата Рестилайна и ПААГ. Окрашивание гематоксилином и эозином (×100). Наблюдались лишь единичные 2- и 3-ядерные клетки. Гигантских клеток и клеток с некрозами ядра не выявлено, патологические митозы не обнаружены (рис. 2). Рисунок 2. Колхициноподобные метофазы в культуре клеток Л-41-КД/84: 5-й пассаж. Окрашивание гематоксилином и эозином (×900). Внесение в среду роста геля Х вызвало изменение морфологии клеток: вакуолизацию ядра и цитоплазмы, стирание клеточных границ, появление большого числа многоядерных и гигантских клеток, что свидетельствует о нарушениях в механизме митотического деления клеток (рис. 3). Рисунок 3. Многоядерные и гигантские клетки в культуре Л-41-КД/84 при воздействии геля Х: 5-й пассаж. Окрашивание гематоксилином и эозином (×200). Основными видами патологии митозов были отставание хромосом, колхициноподобные, трехполюсные метафазы (рис. 4, 5). Рисунок 4. Трехполюсные и К-метафазы в культуре клеток Л-41-КД/84 при воздействии геля Х: 5-й пассаж. Окрашивание гематоксилином и эозином (×900). Рисунок 5. Отставание хромосом, хромосомные мосты в клетках Л-41-КД/84 при воздействии геля Х: 5-й пассаж. Окрашивание гематоксилином и эозином (×900). При этой патологии только колхициноподобные метафазы являются, безусловно, летальными для пораженных клеток. Отставание хромосом и трехполюсные митозы могут являться одной из основ для дальнейшей злокачественной трансформации культуры клеток, так как приводят к увеличению (полиполоидизации) некоторых хромосом или всего хромосомного набора. Такие проявления в культуре являются показателем возможной мутагенной активности испытуемого препарата.

Таким образом, выявлена статистически достоверная нетоксичность для клеточных культур ПААГ интерфалл, формакрил и препарата Рестилайн. Вместе с тем отмечен токсический эффект силиконового геля для культивируемых клеток, сопровождающийся появлением в них летальных форм митозов, что, возможно, объясняется недостаточной степенью очистки препарата. Следовательно, использование стандартных клеточных культур не только открывает новые возможности для исследования на цитотоксичность инъекционных материалов, применяемых в контурной пластике лица и тела, но и свидетельствует об их готовности к использованию в эстетической и восстановительной косметологической хирургии. Предлагаемые методики позволяют в течение 5—8 сут провести первичную оценку цитотоксичности веществ и материалов, что в свою очередь позволяет сократить количество или избежать на этом этапе дорогостоящих и не всегда доступных экспериментов на животных.

Введение гидрогелей в ткани вызывает перераспределение их механического напряжения, которое оценивалось по степени выраженности механической (акустической) анизотропии кожи в области введения. Механическая анизотропия кожи в области введения определяется ориентацией, формирующейся капсулы. Капсула ориентируется по направлению наибольшей выраженности акустической анизотропии. Выявлена «положительная» анизотропия, которая более выражена (на 22%) при подкожном введении геля, чем при внутримышечном (рис. 6). Рисунок 6. Динамика скорости распространения акустических волн вдоль направления Y и X через 30 сут после введения. п/к — подкожное введение, в/м — внутримышечное. Следовательно, подкожное введение является предпочтительным.

При исследовании изменения микровязкости системы ткань—гидрогель, полученной после подкожной и внутримышечной имплантации, обнаружено, что она существенно отличается как от вида используемого гидрогеля, так и от уровня его введения. Наблюдалось выраженное изменение микровязкости окружения спинового зонда, наибольшей однородностью обладали образцы ПААГ №3 (интерфалл) по сравнению с №1, 2 (аргиформ, биофарм; рис. 7). Рисунок 7. Зависимость изменения микровязкости окружения зонда после подкожного и внутримышечного введения ПААГ. Однако во всех трех случаях после подкожного введения отмечалась большая однородность имплантата, чем после внутримышечного.

Для определения активности протекания патологических процессов в тканях после введения инъекционного материала исследовали радикальную активность образцов по скорости «гибели» спиновых зондов. Для оценки возможной радикальной активности материалов, экстрагированных после подкожного и внутримышечного введения, следили за кинетикой уменьшения амплитуды сигнала спинового зонда, вводимого в исследуемую систему: чем быстрее уменьшается амплитуда, тем активнее протекают процессы образования свободных радикалов в препарате исследуемой ткани. При анализе результатов установлено, что после подкожного введения по сравнению с внутримышечным скорость гибели спинового зонда уменьшается для всех трех видов исследованных гидрогелей (рис. 8). Рисунок 8. Кинетические зависимости изменения амплитуды сигнала ЭПР спинового зонда через 30 сут после внутримышечного (а) и подкожного (б) введения ПААГ.

Таким образом, методом спинового зонда показано, что при подкожном введении процессы встраивания гидрогеля в ткань и образования структуры ткань—имплантат сопровождаются меньшей активностью в отношении образования свободных радикалов и сохраняется большая однородность материала, чем после внутримышечного введения. Следовательно, для получения долгосрочного результата подкожное введение предпочтительнее, а гидрогель №3 в большей мере отвечает задаче интеграции в ткань, что совпадает с данными акустического метода.

В период активного применения ПААГ все специалисты отмечали разную степень «усадки» созданных объемов в течение первых 6 мес в зависимости от вида и партии используемого материала. Кроме того, оставался открытым вопрос о возможности проникновения самого материала через полупроницаемые мембраны тканей организма и миграции его по всему организму. В связи с этим для оценки скорости проникновения гидрогелей был использован метод капиллярного впитывания.

При анализе применения пористых носителей, имитирующих полупроницаемые мембраны биологических тканей (поры d=0,65, 1,2, 5 мкм) установлено:

— содержание свободной (несвязанной) воды в разных видах геля количественно отличается и наименьшее наблюдается в геле №3, следовательно, после его введения «усадка» также будет наименьшей;

— процесс проникновения гидрогелей через пористую мембрану затруднен, поэтому вероятность его миграции через полупроницаемые мембраны минимальна.

Адгезионный метод исследования удаленного из тканей гидрогеля после его смещения в окружающие или глубже лежащие ткани позволил установить, что адгезионная прочность ПААГ в этих случаях снижается. Это, возможно, способствует появлению осложнений (рис. 9). Рисунок 9. Зависимость площади проникновения (S) от времени контакта исследуемых гидрогелей с фильтрующей мембраной.

Кроме того, еще одним из серьезных осложнений является асептическое воспаление, возникающее в зоне нахождения геля, на фоне полного здоровья через годы после его введения. Так, при возникновении асептического воспаления с помощью ИК-спектроскопии установлено, что в этом случае имеется изменение в спектрах, проявляющееся в снижении интенсивности пика в области 1640—1680 см -1 и новым пиком 1720 см -1 с постепенно возрастающей интенсивностью (рис. 10). Рисунок 10. Спектр ИК-поглощения ПААГ до введения в организм (а) и удаленного при осложнении (б). Подобное изменение может быть интерпретировано как постепенное снижение интенсивности поглощения карбонильной группой амида и появление поглощения карбонила карбоксильной группы. Учитывая, что исходный полимер — это сшитый сополимер акриламида, звенья его могут превращаться в звенья акриловой кислоты с выделением аммиака. Вероятнее всего последний и оказывает раздражающее воздействие на ткани с проявлением клинически асептического воспаления.

Осложнения после применения ПААГ, возможно, связаны и с индивидуальными особенностями организма пациента (которые, вероятно, обусловлены деструкцией липидного матрикса мембран клеток, находящихся в контакте с гидрогелем). Обычные клинические анализы, выполняемые перед оперативным вмешательством у практически здоровых лиц, не позволяют выявить факторы риска негативных эффектов на структурном уровне. Скрытыми причинами нарушения гидрофобно-гидрофильного баланса липидов мембран в контакте с ПААГ (с точки зрения биофизики мембран) могут быть:

— изменение проницаемости биослоя вследствие имеющихся нарушений его структуры (кальциевых каналов) и сопряженные с этим нарушения калий-натриевого ионного обмена;

— нарушение ориентации молекул липида в фазах геля и жидких кристаллов в функциональном состоянии мембраны, так как нормальным функциональным состоянием мембраны является динамический переход гель—жидкий кристалл, слегка сдвинутый в сторону жидкокристаллического состояния.

Нами проведен поиск априорной оценки биосовместимости геля с учетом наличия патологии в организме пациента. Для выявления индивидуальной реакции на имплантат был применен морфокинетический метод поляризационно-оптического изучения текстуры биосред в динамике с определением морфотипов и последующим компьютерным анализом клинико-морфологических данных. Исследовано взаимодействие ПААГ с системой «лецитин—вода», моделирующей липидный матрикс клеточной мембраны, со стандартными образцами сыворотки крови (ГСО 7095-93Д, Реестр РФ) и нативными биожидкостями. Биожидкости являются многокомпонентной системой, проявляющейся структурной гетерогенностью (неоднородностью) и обладающей высокой чувствительностью к составу и форме существования компонентов. Эти изменения на тонком молекулярном уровне проявляются, в частности, в особенностях агрегирования на уровне микроструктур. Морфология текстур жидкокристаллической фазы коррелирует с состоянием организма и изменяется при патологии. Одной из информативных биологических жидкостей в организме человека является ротовая жидкость. Соотношение К и Na в ротовой жидкости отражает состояние вегетативной нервной системы. Для определения индивидуальных реакций биожидкости на взаимодействие с гелем изучено структурообразование в 200 препаратах ротовой жидкости пациентов и их сыворотки крови по 20 морфологическим признакам в четырех группах пациентов: контрольной (практически здоровые люди), больных с невоспалительными заболеваниями (дисфункции, дисплазии), пациентов с инфекционными артропатиями и воспалительными полиартопатиями. Согласно полученным данным, даже у практически здоровых людей возможно формирование патологических структур (рис. 11), Рисунок 11. Атипичная текстура на подложке с гелем. а при сопутствующей патологии эта доля значительно выше (83%). Установлено, что у пациентов с осложнениями, возникшими после имплантации геля, практически во всех случаях наблюдалось нарушение структурообразования в системе «ротовая жидкость—лецитин» (рис. 12). Рисунок 12. Разрушение и атипичная текстура на подложке с гелем. Можно предположить, что в этих случаях взаимодействие геля с биожидкостью будет аномальным. Таким образом, поляризационно-оптический метод (метод кристаллографии) при оценке риска возможных осложнений при использовании биополимерных материалов позволяет учесть индивидуальные особенности пациента, получить информацию о воздействии препарата, что в целом позволит снизить негативные последствия после КИП. Кроме того, данный метод одновременно является диагностическим тестом состояния здоровья пациента. При выявлении изменений текстурообразования специалисту, проводящему подготовку к КИП лица, необходимо прежде всего подумать не об эстетических вмешательствах, а об углубленном обследовании пациента.

К сожалению, мы не можем прогнозировать отдаленную безопасность гелей и не указывать на их непредсказуемость (или предсказуемость) в плане развития многочисленных побочных эффектов и осложнений, несмотря на публикации, в которых на весьма высоком авторитетном уровне неоднократно подтверждались данные о биоинертности, нетоксичности, отсутствии канцерогенности, аллергической и выраженной фиброзной реакции того или иного геля. Следовательно, необходим системный подход, требующий разработки ряда организационных вопросов, начиная с контроля качества используемых материалов с применением современных технологий, разработки единой формы ведения документации, позволяющей централизованно проводить анализ использования инъекционных материалов и качества полученных результатов, и заканчивая правовым аспектом ответственности (между производителем и исполнителем) в случае возникновения осложнений.

Представлен обзор исследования механических свойств кожи акустическими методоми. В коже выявлена акустическая анизотропия. Выраженность и преимущественное направление, в котором проявляется анизотропия, обусловлены ориентацией линий натяжения кожи, которые часто называют линиями Лангера. Обобщены экспериментальные результаты по исследованию анизотропии в различных участках тела человека.

Ключевые слова: акустический метод, механическая акустическая анизотропия, линии Лангера, натяжение кожи в различных участках тела человека.

В последние годы в различных областях медицины используются акустические методы, позволяющими определять скорость (V, м/с) распространения поверхностных волн акустического (звукового) диапазона в коже. Численное значение этого параметра зависит не только от объективных структурных особенностей кожи, но и от частотного диапазона каждого метода, от направления распространения поверхностных волн в ткани. Для объективного сопоставления акустических характеристик кожи необходимо выбрать такие акустические параметры, которые не зависят от указанных факторов. Одним из таких факторов является, по нашему мнению, акустическая анизотропия. Впервые анизотропия, т.е. различие механических свойств кожи по различным направлениям из-за естественного натяжения, была выявлена в работе [11], в которой представлены линии натяжения – линии Лангера. Истинная природа этих линий объясняется по-разному [12], но факт их существования не вызывает сомнения. Исследования кожи различными механическими методами так же подтвердили наличие в коже анизотропии [10].

Целью данной работы являлось обобщение исследований акустической анизотропии кожи человека в различных областях тела и выявления ее взаимосвязи с направлением линий естественного натяжения кожи – линий Лангера. Использованы данные, полученные в различных областях медицины.

Методы и объекты исследования

Методы

Исследования механических свойств кожи осуществлялось с помощью приборов: акустический анализатор тканей (АСА) [13], акустический диагностический медицинский прибор АМДП [5], рис.1

Рис.1. Приборы, в которых реализован акустический метод: а)АСА; б) АМДП

При контакте излучателя прибора с кожей возникают изгибные колебания излучающего элемента. Они вовлекают в движение участки исследуемой среды в поверхностном слое объекта, по которым распространяется поверхностное сдвиговое возмущение (волна). Поверхностная волна воспринимается принимающим элементом и с него поступает в вычислительное устройство. Здесь определяется время прохождения возбуждения t. Значение скорости распространения поверхностной волны V вычисляется по формул V = L/t, где L – расстояние между элементами. Полученные значения представляются на цифровом индикаторе. Приборы имеют высокую точность и воспроизводимость измерений со стандартным отклонением меньше 2%. Методика измерений неинвазивна, приборы портативны и удобны в применении. Процедура одного измерения не превышает 10 с.

В каждой точке измерения скорости V проводили во взаимно перпендикулярных направлениях (У) и (Х). Для количественной оценки степени выраженности акустической анизотропии был использован коэффициент акустической анизотропии, который вычислялся по формуле (К = V_у/V_х – 1), [6]. Коэффициент анизотропии принимался за положительный (К+), если V_у > V_х; при V_у  V_х коэффициент принимался за отрицательный (К-).

Объекты исследования: полимерные модели, кожа тела человека.

1. Полимерные модели

В качестве композитных моделей, имитирующих некую структурную организацию подлежащих слоев, использовались агар-агаровые гели [2], в поверхность которых на глубину 0,3-0,5 мм введены параллельно поверхности геля лавсановые нити. Нити толщиной 0,1 мм вводились параллельно друг другу таким образом, чтобы плотность упаковки (n) (число нитей на ширину щупа) составляла: 5,10,20 нитей.

2. Кожа тела человека

В настоящей работе обобщены результаты, полученные для кожи добровольцев (возраст 20,5  2,2 года) с нормальным телосложением. У них исследовалась кожа в тех областях тела, в которых проводили измерения контрольной группы при решении тех или иных задач для различных направлений медицины. В каждом конкретном случае выбиралась определенная система точек для сканирования (ниже подробно указано для каждой области). Статистическая обработка результатов производилась по распределению Стьюдента ( Р = 0,95).

Экспериментальные результаты

Анизотропия в полимерных моделях

В работе [1] в композитных гелевых моделях измерения скорости производили в двух взаимно перпендикулярных направлениях: при распространении вдоль нитей (направление У) и перпендикулярно к ним (направление Х). Данные приведены в табл. 1.

Цель работы состояла в анализе особенностей пространственного распределения натяжений кожи конечностей как коррелятов перехода в деформированное состояние ткани в условиях воздействия дозированного растяжения с целью моделирования формы и размеров сегментов по методу Илизарова. Обследованы пациенты (n=19) с врожденным укорочением бедра, врожденной синдактилией пальцев кисти (n=10) и экспериментальные животные (n=6). Натяжение кожи оценивали косвенно посредством измерения скорости распространения акустических сдвиговых волн (СПАВ) в различных направлениях с использованием акустического анализатора кожи. В условиях пролонгированной продольной тракции (бедро, голень) происходило возрастание СПАВ в продольном и диагональном направлениях. Диcтракция в поперечном направлении с целью запаса мягких тканей на кисти сопровождалась наибольшим приростом СПАВ в поперечной ориентации, т.е. параллельно тракционным воздействиям. В работе разработаны критерии, косвенно отражающие формирование напряженно-деформированного состояния кожи. Такими критериями являются: а) выраженный статистически значимый прирост СПАВ в растягиваемой коже; б) трансформация формы акустических полей в зависимости от направления вектора растяжения в условиях пролонгированной тракции. Выявлены различия конфигурации огибающих кривых в зависимости от направления вектора растяжения. Критериями ориентированного напряженно-деформированного состояния кожи являются изменение формы акустических полей, а также достоверное возрастание СПАВ относительно исходных значений. Установлено, что прирост СПАВ в коже межпальцевых промежутков кисти в 2,8–3 раза отражает натяжение кожного покрова, близкое к предельному. Это указывает на риск развития перерастяжения и нарушения микроциркуляции. В таких случаях во избежание необратимых осложнений необходимо вносить коррективы в тактику лечения.

2. Wong R., Geyer S., Weninger W., Guimberteau J.C., Wong JK. The dynamic anatomy and patterning of skin. Exp Dermatol. 2016. V. 25(2). Р. 92-98. DOI: 10.1111/exd.12832.

3. Багрянцев М.В., Павленко И.В., Щелчкова Н.А., Миронов А.А., Рябков М.Г., Бесчастнов В.В. К вопросу о влиянии дозированного тканевого растяжения на концентрацию гипоксией-индуцибельного фактора (HIF-1α) в дистрагируемом лоскуте // Вестник экспериментальной и клинической хирургии. 2017. Т. 10. №4. C. 283-287. DOI: 10.18499/2070-478X-2017-10-4-283-287.

4. Maiti R., Mech J. In vivo measurement of skin surface strain and sub-surface layer deformation induced by natural tissue stretching. Behav Biomed Mater. 2016. V. 62. Р. 556-569.

5. Laiacona D., Cohen J.M., Coulon K., Lipsky Z.W., Maiorana C., Boltyanskiy R., Dufresne E.R., German G.K. Non-invasive in vivo quantification of human skin tension lines. Acta Biomater. 2019. V. 88. Р. 141-148. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.02.003.

6. Гребенюк Л.А. Информативность акустических методов исследования покровных тканей и акустическая анизотропия кожи конечностей здорового человека // Гений ортопедии. 2000. № 1. С. 31-35.

8. Знаменская М.Г., Чикорина Н.К., Гребенюк Л.А., Исмайлов Г.Р. Лечение синдактилии кисти у детей по Илизарову (клиника, биомеханика, морфология) // Гений ортопедии. 1999. № 4. С. 448.

9. Grebenyuk L.A., Grebenyuk E.B. Express diagnosis of mechano-biological limb skin condition during prolonged dosed stretching in orthopedics Biomechanics and Biomaterials in Orthopedics. London, 2016. С. 241-251.

poulpou M. Comparison of three skin-stretching devices for closing skin defects on the limbs of dogs. J. Vet. Sci. 2015. V.16(1). Р. 99-106. DOI:10.4142/jvs.2015.16.1.99.

11. Miyazaki Y., Aikawa T., Shimatsu T., Nishimura M., Sadahiro S. Use of skin stretchers for single-stage bilateral mastectomies in a dog and a cat. Vet Surg. 2018. V. 47(3). Р. 454-458. DOI: 10.1111/vsu.12748.

12. Razzak M.A., Hossain M.S., Radzi Z.B., Yahya N.A., Czernuszka J., Rahman M.T. Cellular and Molecular Responses to Mechanical Expansion of Tissue. Front Physiol. 2016. V. 7. Р. 540. DOI: 10.3389/fphys.2016.00540.

13. Xiao Liang, Xiaolu Huang, Yiwen Zhou, Rui Jin, Qingfeng Li. Mechanical stretching promotes skin tissue regeneration via enhancing mesenchymal stem cell homing and transdifferentiation. Stem Cells Transl. Med. 2016. V. 5(7). Р. 960-969. DOI: 10.5966/sctm.2015-0274.

14. Pamplona D.C., Velloso R.Q., Radwanski H.N. On skin expansion. J. Mech. Behav. Biomed Mater. 2014. V. 29. Р. 655-662. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2013.03.023.

15. Seo H., Kim S-J., Cordier F., Choi J., Hong K. Estimating dynamic skin tension lines in vivo using 3D scans. Computer-Aided Design. 2013. V. 45, Is. 2. Р. 551-555. DOI: 10.1016/j.cad.2012.10.044Corpus ID: 17447742.

В клинической практике состояние кожного покрова, как правило, оценивается визуально и пальпаторно. Обращается внимание на цвет, эластичность, наличие отека и трофических расстройств, подвижность и наличие спаянности с нижележащими тканями. Важнейшими свойствами кожного покрова являются биомеханические характеристики, отражающие ее упруго-эластические свойства и обеспечивающие надежную механическую защиту при воздействии различных факторов. Как in vivo, так и in vitro доказано, что указанные свойства определяются различными структурными элементами кожи [1]. Такими элементами являются эластиновые сети, сети коллагена и компоненты основного вещества покровной ткани.

Известно, что сдвиговые волны весьма чувствительны к структурной организации той среды, в которой они распространяются. Кожному покрову, как и многим биологическим тканям, свойственна анизотропия. Ортопедическая патология, травмы конечностей, старение приводят к определенным изменениям микроархитектуры и физических и биохимических параметров кожи [2, 3, 4]. По мнению Laiacona D. et al. (2019), в настоящее время существуют лишь приблизительные оценки направления натяжения кожи, поскольку, как отмечают авторы, отсутствует общепризнанная система быстрого и неинвазивного определения пространственного характера натяжений кожи [5].

Цель работы состояла в изучении механо-акустических свойств кожи и выявлении особенностей пространственного распределения натяжений в кожном покрове конечностей как коррелятов вектора растяжения в условиях моделирования формы и размеров сегментов по методу Илизарова.

Материалы и методы исследования

Методика исследования акустовелосимметрии кожи основана на определении скорости распространения поверхностной сдвиговой волны (СПАВ) с помощью анализатора кожи (acoustical skin analyzer – ASA-4, разработки Москва, Белград) [3]. Диапазон замеряемых параметров – 15–300 м/с, относительная погрешность – 10%, площадь рабочей зоны при проведении замеров – 8 мм2. В процессе исследования датчик устройства прижимается к коже усилием 1,5–2,5 Н. Значения скоростей СПАВ являются векторными, это позволяет графически изображать поле анизотропии исследуемого участка в виде некоторой замкнутой линии – огибающей кривой («акустических полей») в соответствии с декартовой системой координат. Тестирование проводили продольно, поперечно (90о) и диагонально относительно продольной анатомической оси конечности.

В настоящем исследовании тестирование кожи проводилось в двух группах пациентов с ортопедической патологией и в группе экспериментальных животных (взрослые беспородные собаки). Обследованы 19 пациентов 17–23 лет с врожденным укорочением бедра (группа 1), которым с целью уравнивания анатомических размеров конечности бедро удлиняли по методу Илизарова на 4–7 см. Тестирование проводили в положении лежа. Во вторую группу вошли пациенты (n=10) с врожденной синдактилией пальцев кисти (группа 2), им осуществлялась дистракция с целью создания запаса мягких тканей на кисти. При завершении фиксации в мини-аппарате Илизарова выполнялась пластика. В третьей группе (группа 3) тестировали кожу голени экспериментальных животных (взрослые беспородные собаки, n=6), которым после закрытой флексионной остеоклазии большеберцовой кости в средней трети диафиза осуществляли удлинение голени в течение 28–35 дней. Темп дистракции составлял 1 мм в сутки. Абсолютная величина удлинения составила 27–35 мм, относительная – от 12,7% до 20,2%.

Результаты исследования и их обсуждение

1. Анализ динамики параметров СПАВ кожи удлиняемого бедра в группе I обследованных выявил их максимальный прирост на втором месяце дистракции: в продольном направлении С(z) – на 53,1% (Р<0,001), в диагональных ориентациях С(45) и С(135) – на 45,4% (Р<0,01) и 46,8 % (Р<0,01) соответственно (табл. 1).

Динамика показателя СПАВ в коже удлиняемого бедра в различные периоды лечения пациентов I группы, M±m (м/с)

Ангулярное направление относительно продольной оси конечности

(диагональное 45 град.)

(диагональное 135 град.)

После лечения (1 год)

После лечения (>1 года)

Как вытекает из таблицы 1, показатель СПАВ возрастал преимущественно в продольном и диагональном направлениях, но в наибольшей степени – в продольной ориентации, т.е. параллельно вектору растягивающих усилий. В последующем, в ближайшие сроки после снятия аппарата Илизарова прослеживалось восстановление механо-акустического состояния кожного покрова удлиненного бедра. Уже к 1 году после завершения лечения характеристики СПАВ статистически не отличались от исходных значений. В продольном направлении параметр СПАВ составлял 60,5±2,9 м/с. Конфигурация акустического поля была округлой, т.е. степень неоднородности исследуемых свойств кожи была низкой.

2. Механо-акустическое состояние кожи кисти во II группе пациентов с синдактилией с пролонгированной поперечной тракцией.

При анализе полученных результатов акустического тестирования было обнаружено, что параметр СПАВ в коже по мере растяжения мягких тканей возрастал во всех направлениях (рис. 1А, Б). Однако в большей степени СПАВ увеличивалась параллельно направлению тракционных усилий, т.е. поперечно, и достигала максимума к концу дистракции – 218,4±10,3 м/с, возрастала на 178,3% (Р<0,001) (рис. 1Б). Это значение превысило исходные величины в 2,78 раза, а показатель СПАВ в продольном направлении возрастал лишь в 1,32 раза. Кожный покров ладонной поверхности кисти по сравнению с другими сегментами обладает более низкой эластичностью [6, 7]. Важным в лечении мягкотканых синдактилией является равномерное приложение дистракционных усилий на всем протяжении синдактилированного участка кисти [8, 9].

Рис. 1. Форма огибающих кривых СПАВ в коже межпальцевых промежутков кисти у больных (n=10) с врожденной синдактилией: 1А – до начала дистракции; 1Б – при завершении дистракции, осуществляемой в поперечном направлении

Выраженный прирост СПАВ в указанной группе четко отражает переход кожи в ориентированное напряженно-деформированное состояние при создании запаса мягких тканей межпальцевых промежутков кисти и указывает на необходимость его объективного контроля и своевременного выявления чрезмерного растяжения тканей для предупреждения перерастяжения и нарушения микроциркуляции. Растяжение кожи успешно используется для восстановления дефектов кожи в пластической хирургии, онкологии, при открытых травмах и лежит в основе одного из принципов оптимизации оперативного лечения в клинике и у экспериментальных животных 10.

На основе замеров показателей СПАВ, клинических наблюдений за состоянием растягиваемых тканей (отсутствие трофических нарушений) и субъективных болевых ощущений пациента установлено, что при возрастании значений СПАВ в 2,8–3 раза в любом из указанных направлений соответствующего межпальцевого промежутка целесообразно прекратить дистракцию во избежание необратимых осложнений.

3. Реакция кожи удлиняемой голени на дистракцию у экспериментальных животных.

Анализ результатов тестирования кожи удлиняемой голени в эксперименте показал, что параметр СПАВ неуклонно возрастал во всех тестированных направлениях (рис. 2–4).

Наименьшие значения СПАВ в коже удлиняемой голени у животных до наложения аппарата Илизарова с целью оперативного удлинения наблюдали при поперечной ориентации датчика акустического анализатора – 53,3±3,9 м/с (рис. 2). Величина этого показателя в продольном и диагональном (45о) направлении была выше – 63,5±4,0 и 68,8±2,9 м/с. Поэтому построенная огибающая кривая векторов скоростей в декартовой системе координат имела форму вытянутого вдоль диагональной оси эллипса. В результате проводимой дистракции кожа удлиняемой голени растягивалась и акустическое поле приобретало форму вытянутого продольно эллипса, происходил переход ткани в напряженно-деформированное состояние (рис. 3). Одним из возможных механизмов наблюдаемых изменений в характере механо-биологических свойств кожи являются пространственная перестройка коллагеновой сети и переориентация в направлении, совпадающем с вектором растяжения Ряд авторов отмечают, что при растяжении кожи активизируются процессы пролиферации в кровеносных сосудах в ткани [13] и митотической активности клеток базального слоя эпидермиса [14].

Рис. 2. Диагонально вытянутая форма огибающих кривых векторов СПАВ в коже правой голени до наложения аппарата

Рис. 3. Трансформация конфигурации акустического поля в продольно вытянутый эллипс в коже удлиняемой голени в эксперименте. Период дистракции 8 дней

Рис. 4. Сохранение эллипсовидной формы акустического поля в коже удлиненной голени в эксперименте через 30 дней после снятия аппарата Илизарова. Эллиптическая фигура вытянута параллельно дистракционным усилиям

В клинической практике в целях уравнивания длины конечностей по мере естественного роста пациентов в большинстве случаев прирост удлинения превышает указанные значения, достигнутые в описанной серии у экспериментальных животных.

После удлинения сегментов по методу Илизарова происходит переориентация коллагеновой сети дермы, о чем свидетельствует изменение формы акустических полей (рис. 3, 4).

В настоящем исследовании прослежена реакция кожного покрова в ответ на прилагаемые строго дозированно дистракцонные усилия. Кожа растягивается в соответствии с вектором растяжения. Поскольку дистракция осуществляется пролонгированно (от 20 дней до 45–60 дней), в ткани активизируются также процессы регенерации ее различных структурных элементов.

Если в начальный период дистракции преобладают процессы щадящего постепенного растяжения ткани, то к 10-му дню и в последующем в результате индукции процессов регенерации реактивные изменения включают и растяжение кожи, и активизацию митотических процессов, и формирование новых микрососудов (эффект Илизарова).

Анализ полученных результатов показал, что при завершении дистракции СПАВ в коже удлиняемых сегментов (бедра или голени) или оперированной кисти при синдактилии достигает максимальных значений. Причем в наибольшей степени прирост параметра происходит параллельно растягивающим усилиям. Однако имеются различия в направлении ориентации напряженно-деформированного состояния растянутого кожного покрова. Как было отмечено выше, для бедра максимальный прирост СПАВ выявляется при тестировании в продольной ориентации, в то время как при создании запаса мягких тканей межпальцевых промежутков на кисти – в поперечном.

В клинической практике при проведении пластических операций с целью замещения обширных дефектов мягких тканей в травматологии и онкологии важно получать объективную информацию о направлении линий натяжения в коже. От этого зависит оптимальное планирование хода операции, а в дальнейшем – исход лечения, так как в противном случае остается высоким риск развития обезображивающих рубцовых перерождений в ткани с нарушением функции сегмента. Особенно это актуально для кисти и стопы, что связано с необходимостью сохранения функции опороспособности стопы или восстановлением функциональных возможностей кисти при выполнении моторики пальцев.

Решение этой проблемы состоит в разработке новых современных диагностических методов. Так, ряд авторов предложили определять линии натяжения кожи методом смещения точечных маркеров [15]. Находит свое применение также другой методический подход – исследование в режиме online характера натяжений в коже [9].

В целом разработанные в настоящей работе критерии, основанные на результатах трех серий исследований и состоящие в: а) выраженном статистически значимом приросте СПАВ относительно исходных параметров, а также б) трансформации формы акустических полей в зависимости от направления вектора растяжения в условиях пролонгированной тракции, свидетельствуют о переходе кожи в ориентированное напряженно-деформированное состояние. Установлены различия в характере ориентации напряженно-деформированного состояния кожи: продольно ориентированное состояние кожи при удлинении бедра у пациентов и голени в эксперименте и поперечно вытянутая форма акустических полей при поперечной тракции с целью создания запаса мягких тканей при синдактилии. Особенностью дистракции кожи на кисти является тот факт, что с учетом анатомии сегмента при возрастании значений СПАВ в 2,8–3 раза в любом из указанных направлений в коже межпальцевых промежутков целесообразно приостановить дистракцию во избежание развития необратимых осложнений.

Указанные критерии являются объективными и в клинической практике целесообразно их использование, поскольку существуют пределы растяжения покровной ткани, превышение которых влечет за собой развитие микротравматизации (striae) ткани, признаков ишемии и необратимого снижения ее упруго-эластических свойств, что важно при повторных этапах оперативного моделирования размеров конечностей в процессе онтогенеза.

Кожа человека представляет собой ткань, которая проявляет анизотропные механические свойства. Эта анизотропия возникает главным образом из-за выравнивания волокон коллагена и эластина в дерме, что заставляет кожу проявлять большее напряжение в одном направлении, делая ее более жесткой.

Разнообразные рекомендации по напряжению кожи были разработаны, чтобы помочь хирургам делать разрезы, которые производят наименее заметные рубцы. Тем не менее, считается, что анизотропия кожи варьируется от субъекта к субъекту, и ни одно из руководящих принципов не является общепризнанным в качестве наилучшего для применения в хирургических целях. На сегодняшний день не существует системы, которая могла бы быстро и неинвазивно измерять линии натяжения кожи in vivo.

Линии Лангера и прочность кожи: причины, почему так важно определение линии натяжения
Роль расположения разреза относительно направлению коллагеновых волокон
Устройство для неинвазивного индивидуального определениялиний Лангера

Линии Лангера и прочность кожи: причины, почему так важно определение линии натяжения

Линии Лангера (cleavage lines) — линии натяжения кожи; линии кожи, вдоль которых она максимально растяжима; направление линий соответствует расположению пучков коллагеновых волокон.

Читайте нас в Telegram

Прочностные свойства кожи зависят от направления действующей силы относительно ориентации коллагеновых волокон (линий Лангера). Максимальное сопротивление кожа оказывает при совпадении направления воздействия с ориентацией этих волокон, удельная прочность кожи на растяжение вдоль линий Лангера требует нагрузки почти в 3 раза больше, чем в поперечном направлении.

Роль расположения разреза относительно направлению коллагеновых волокон

Кожу легче растянуть в одном направлении, чем в другом, и это было известно давно. Однако недавно было обнаружено, что эти линии имеют важную роль.

Во-первых, хирурги используют эти линии, чтобы решить, в каком направлении делать надрезы, чтобы сделать наименее заметные рубцы. Если надрез сделан в поперечном коллагену направлении, то увеличивается риск образования келоидных рубцов.

Резать в направлении выровненного коллагена и раны заживают лучше и производят меньше рубцов. Хирурги в настоящее время используют либо карты линий натяжения кожи (которых много, и часто они разные), либо ручные манипуляции для определения локальной ориентации натяжения кожи.

Ручные манипуляции часто бывают неточными, и исследования показывают, что линия натяжения кожи направления отличаются между.

Устройство для неинвазивного индивидуального определения линий Лангера

Устройство безболезненно прикладывает радиальное напряжение 17 кПа к области кожи и фиксирует радиально-асимметричные деформации кожи с помощью дермальной камеры.

Эти деформации используются для количественной оценки ориентации экстремальных деформаций и направления наибольшей жесткости кожи.

Клинические испытания также показывают, что ориентации линий Лангера сопоставимы с существующими картами, но статистически различаются между людьми.

Соотношение этих асимметричных штаммов варьируется от 1 до -0,75. Простая 2D поперечная изотропная модель фиксирует это поведение для нескольких анатомических участков. Клинические испытания показывают, что ориентации линий натяжения кожи сравнимы с существующими картами натяжения кожи и в целом согласуются между субъектами, однако ориентации статистически различаются между людьми.

Таким образом, существующие рекомендации, по-видимому, дают только приблизительные оценки ориентации натяжения кожи.

Впервые разработано устройство, способное быстро и неинвазивно измерять ориентации линий Лангера in vivo, используя один тест. Результаты используются для создания простой конститутивной модели механической анизотропии кожи.

Авторы надеются, что хирурги будут использовать это устройство для быстрого и точного определения направления линии натяжения кожи и планировать свои разрезы, чтобы минимизировать образование рубцов.

Смотрите больше важной и полезной информации у нас на YouTube:

Линии Лангера и прочность кожи: почему так важно определение линии натяжения

Читайте нас в Telegram

Роль расположения разреза относительно направлению коллагеновых волокон

Устройство для неинвазивного индивидуального определения линий Лангера

Клинические испытания также показывают, что ориентации линий Лангера сопоставимы с существующими картами, но статистически различаются между людьми.

Читайте также: