生物固體流變學在外科吻合器設計及臨床中的應用

吳惟民，董文瑞

（健瑞寶醫療器械有限公司研發部，江蘇常州213022）

0 引言

外科消化道重建和臟器切除手術中手工吻合與器械吻合主要的區別是：手工吻合中被縫合組織幾乎不承受任何壓榨力，但器械吻合時吻合器對組織存在一定的壓榨力，組織上壓榨力的大小，壓榨的時間，壓榨的形式對組織將產生何影響？在壓榨下組織將會發生怎樣的變化？這些問題是器械設計人員和臨床醫生都必須要深刻了解的。器械夾持生物固體時具有一定的壓力，許多設計人員錯誤地認為組織上加壓是為了得到更好的止血效果。筆者認為對組織加壓主要是在釘合時確保組織不移動，確保縫釘能正確成型，器械的鉗口對組織過度的加壓絲毫沒有止血的效果，反而會造成組織的壓力性損傷或壓力性爆破損傷。

用各類縫（吻）合器來完成消化道重建和臟器的切除手術時，會經常碰到臨床上的三大并發癥：出血、吻合口漏/瘺、吻合口狹窄。這些并發癥與病人本身的原因及醫生手技有關外，與吻合器也有直接的關系。

目前很少有吻合器設計人員關注這類問題。在器械的設計或在臨床上所見，器械使用上的概念也比較混亂。例如器械對組織的快速壓榨或過度壓榨，快速擊發，不考慮組織厚度變化，統一以一個厚度來應對所有厚度的生物固體，一個藍釘倉（指吻合器的固定間隙在1.5 mm左右）應用在所有厚度的組織上，或無器械上的最小間隙設定等錯誤設計屢見不鮮。究其原因是在吻合器行業中絕大多數都是“依葫蘆畫瓢”，但很多時候也并沒畫好，國外的有些設計并沒有真正理解，很少有自己的創新。主要體現在缺乏生物固體受壓后，因壓榨方式、壓榨速度、壓力大小等不同而流變不同的觀察與理解。在吻合器研發過程中缺少一個理論的支持。筆者認為建立一個外科吻合器研發的基礎理論體系來指導吻合器的設計工作越發顯得重要，即生物固體流變學。

生物固體受壓后流變的特點和愈合過程是怎樣的？這些問題不僅臨床醫生需要了解，同樣吻合器的研發人員也要予以高度重視，才能設計出更能符合臨床使用要求的器械。為此筆者提出建立生物固體流變學的概念，該觀念的建立是初步的，可能還不完整，甚至有缺陷。健瑞寶公司開創吻合器行業中的先河，為提升國內吻合器行業的整體研發水平奠定基礎。

首先必須對手術中所涉及組織的特性有清晰理解。常見的胃腸、血管、脂肪結締組織的特性，其所屬生物固體類別及物理特性，在受壓榨變化時將遵循的原則等，在吻合器設計或應用中應盡可能避免這些特性帶來的負面影響。并在器械設計時應充分考慮和利用這些組織的固有物理特性，以達到理想的組織縫合效果，減少各類并發癥的發生。

1 生物流變學

生物流變學（Biorheology)是研究生物系統的流動及變化特性、變形及其在生命活動中意義的邊緣學科力學的一個分支［1］。例如有人將人體的血液黏度，血壓及血管內壁的粗糙程度結合起來研究血液的流變來解釋血栓及血管破裂的相互關系。

吻合器使用中會涉及人體胃腸道的肌性組織，肝、脾、胰的實質性組織，脂肪結締組織等，這些組織是不同于體液的一種組織，既有固體也有液體，如膠原蛋白等。將這些組織定義為生物固體，也有人稱其為軟固體，它不同于一般固體（固體具有彈性特征F=E×ΔX），是一種非胡克彈性體。而生物固體其應變特性為：應力和應變曲線不僅不是直線的，而且應力和加荷曲線不重合形成滯回曲線［2］（見圖1）。研究這些非胡克生物彈性體的特異變形性和各向異性及其產生原因，條件和影響因素及之間的關系，則被稱為是生物固體流變學（Biologic Solid Rheology)。

圖1 滯回曲線

總應變是彈性應變+黏性應變之和：

σ=E×ε+μ×（dε/dt）

式中：E為彈性模量（組織所固有的）；ε為變形量；μ為黏度系數（組織所固有的）；dε/dt為變形量對時間的導數關系。

1.1 生物固體的黏彈性

生物固體的一個顯著特性——黏彈性（Viscoelasticity），用直線切割吻合器作生物固體黏彈性實驗。在器械的鉗口中夾一個生物固體（豬胃），在夾持組織的0 s時有一個組織的厚度值，隨著時間的推移（約15 s），壓榨的厚度發生了壓縮0.55 mm的變化（見圖2），該變化與壓力值及時間有關系，稱之為生物固體的黏彈性。

圖2 壓榨0～15 s，生物固體的厚度發生了0.55 mm變化

常見具有黏彈性的物質有混凝土、高聚合材料、生物組織等。生物固體的組成主要由水、彈性蛋白、膠原質體等組成。生物固體既具有彈性性質，又具有黏性性質。通常服從于胡克定律和非牛頓黏性定律。黏彈性體在一定外力的作用下，產生彈性變形，且變形隨一定的時間而變化,稱之為生物固體的黏彈性（Viscoelasticity）。其變形的特征呈滯后性（Hysteresis），是黏彈性體的一個基本特征。由試驗可知，當器械在生物固體上（離體豬胃）加壓時，壓力基本保持不變，15 s后其厚度隨時間的推移而發生變化（0.50～0.55 mm），但過了變化期，其厚度又基本保持不變（見圖1）。即在消化道重建和臟器的切除手術中所涉及的各類組織都具有黏彈性特征，并由黏彈性導出的其他生物固體變形的特征，其3個特性都是生物固體受壓后其黏彈性的具體表現形式（見圖3）。

圖3 由生物固體的黏彈性導出的基本變形特征

1.1.1 生物固體的雙階段性（Biphasic）

當生物固體受外力擠壓時，要產生黏彈性變形，在一定的時間作用下，由于流變，被擠壓生物固體會趨于固體特性，呈現彈性體特征，遵循虎克定律（ΔF=k×ΔX）。生物固體受壓的初始階段其變形是瞬間發生的，與加壓的時間無關，呈現出彈性特征，繼續變形與時間有關，呈現出黏彈性特征。當變形達到一定量時，如外力保持不變，它將趨于一個平衡態。時間將與平衡態無關，即當處于一個平衡態時，在組織上壓榨的時間并不影響組織的壓榨厚度。

由該特性可知，在使用吻合器時，夾持生物固體后應等待一段時間，讓生物固體充分發生流變。實驗證明等待15～20 s最佳，等待時間太久也沒必要，因為生物固體的雙階段性，受壓達到平衡時，其壓榨的厚度幾乎不再變化。這就是吻合器夾持生物固體后要等待一段時間（10～15 s）的原因。但太多的等待時間不會使生物固體壓榨厚度進一步變化，且在臨床上過多時間的等待也是不現實的。

1.1.2 生物固體的蠕變性（Creeping）

蠕變即為緩慢地流動變化。當生物固體受外力擠壓時，其組織內的液體（如血液、淋巴液、黏液等）發生流變，與該物體的固有特性和力作用的時間有關。生物固體的流變需要足夠的流變時間及空間，生物固體的蠕變直接與時間有關，與生物固體的雙階段性也有內在的聯系。當過大外力的瞬間施加或流變過快時，生物固體內的液體流動變化跟不上生物固體上壓力的變化，被擠壓的物質會找生物固體最薄弱之處爆破，即造成壓力性爆破損傷，其原因是加壓過快，超出其蠕變所需要的足夠時間（見圖4）。如，用手緩慢擠壓氣球，它不會爆破，但非常快速地擠壓，內在的氣體來不及流變，氣球很可能爆破。

圖4 加壓過快造成生物固體的壓力性爆破損傷

當被壓榨生物固體的周邊缺少流變空間時，雖然沒有快速施加壓力但因為沒有足夠空間來容納被擠出的液體，同樣也有可能會對生物固體造成壓力性爆破損傷（見圖5）。如吻合器對生物固體的壓縮比過大（大于3倍以上），過大的壓縮比會造成生物固體的黏膜斷裂。

圖5 缺少流變空間造成生物固體的壓力性爆破損傷

由該特性可知，對生物固體的壓榨不能太快且還要有足夠的流變空間。吻合口間應保持足夠的距離（要有足夠的流變空間），否則也會造成生物固體的壓力性爆破損傷。

在器械設計時應盡可能避免組織的急速變形，給組織厚度突然間的變化，這是器械設計時必定要考慮的問題之一。

1.1.3 生物固體的順應性（Compliance）

當生物固體在外界的一定壓力下壓榨時，卸荷后（類似吻合器完成擊發后，從組織上移開），生物固體回復至原先狀態的程度及所需時間的長短，稱之為組織的順應性（如肌性組織的順應性應大于實質性組織）。如過度、持續擠壓造成生物固體的缺血、缺氧、毛細血管通透性增加，當外界壓力解除后，局部血液循環重建，組織間隙出血。很多時候雖然生物固體有很強的自我修復功能，也能愈合，但往往也會是一種疤痕性愈合過程。生物固體壓榨性損傷與生物固體的順應性（回復性）與外界壓力大小、外力作用的時間長短及生物固體的本身結構有關。生物固體的順應性強弱在臨床上的意義為：應清楚地知道哪些組織不能過分壓榨，它們間的差別是很明顯的。對生物固體的壓榨必須要有一個度，生物固體壓榨的壓縮比過大（指生物固體原始厚度與被壓榨后的厚度之比）、時間過長、壓榨過程變化過快，都將對生物固體造成不可逆的壓榨性損傷。如何避免生物固體的壓榨性損傷，盡可能消除疤痕性愈合過程是吻合器設計者必須要考慮的重要問題。

由該特性可知，在實質性組織上（肝、脾、胰等）因為沒有肌性組織，缺少膠原蛋白，經不起過度或長時間的壓榨。吻合器在實質組織上應用要慎重，絕對不能壓榨過度。同樣使用吻合器時并不是將生物固體擠壓得越緊密越好，當超出組織所能承受的極限后，壓力釋放后它也不可能恢復原狀，造成不可逆的壓榨性損傷。如豬的動物實驗，對豬胃過度壓榨后，組織被縫合上了，但其胃黏膜被壓斷，造成黏膜下出血，如圖6所示。

圖6 過度壓榨造成胃組織的黏膜斷裂損傷

這種壓榨性損傷雖然也可能愈合，但也是疤痕性愈合，會有造成吻合口狹窄的可能。

2 外科吻合器研發中的關注點及應該遵循的生物固體流變學基本原則

在吻合器的設計工作中必須要很好地理解生物固體組織在受壓狀態下的各種變化及其特點，例如吻合器設計時器械的最小壓榨間隙的設定是必要的。沒有該最小間隙的設計，加上使用者對生物固體流變學的不理解，一定會對生物固體造成一些不可逆的組織損傷。設計人員除了要有很好的機械工程學、材料學、工藝學等知識外，也應具備較強的外科學、人體解剖學的知識。

2.1 消化道重建時吻合口或縫合口的六大基本要求

（1）適當的吻合口徑（并非口徑越大越好）。

（2）組織間無張力（器械上無法保證，這是手術對術者的基本要求）。

（3）最小的組織損傷（盡可能不讓組織造成疤痕性愈合）。

（4）無組織的出血。

（5）良好的血供（能有效地將營養輸送到切端）。

（6）無吻合/縫合口漏或瘺的發生（手工縫合與機械縫合的臨床要求相同）。

2.2 吻合器設計中的基本技術參數

在禁食狀態下消化道各段節律活動時腔內壓力的平均值不超過5.33 kPa。這是所有吻合器的設計都必須遵循的基本設計參數。消化道重建恢復腸、胃蠕動后，消化腔內會產生一定的壓力。如果重建的消化道吻合口不能承受所產生的壓力值（可能達5.33 kPa）會造成吻合口（重建處）崩裂而導致吻合口漏的嚴重并發癥，消化道重建手術后常規在腔內放置減壓管減壓也是這一道理。

行業標準中規定的腸腔壓強是3.6 kPa（2.7 cmHg柱），該壓強值是因一些非技術原因而定得過低。該數值的出現無科學依據，因此會存在一定問題。筆者建議在進行吻合器設計驗證確認階段時，按5.33 kPa壓強值進行會更可靠、更安全，如果能按破壞性試驗來進行確認會更可靠。

雙排縫釘錯列的設計比單排縫釘的設計更安全，有學者做過二者的比較。單排縫釘縫合后在腔內壓力達到1.60 kPa時，吻合口即發生滲漏。另一種雙排縫釘縫合后，它能達到6.00 kPa而無滲漏［3］。

2.3 生物固體流變學指導下吻合器的設計制造

學會從生物固體流變學角度來分析問題，辨別器械設計制造中可能存在的風險。在設計中盡可能地避免二大因生物固體流變而產生的壓力性爆破損傷和壓榨性損傷的弊端。

生物固體壓榨間隙可調節的器械設計是一個針對生物固體不同厚度變化的好方法，可以有效防止生物固體發生壓榨性損傷。當有些器械的設計其間隙不能調節時，應將器械設計成有不同間隙的規格器械來適應生物固體的不同厚度。用一種間隙尺寸來應對不同厚度的生物固體會造成組織的壓榨性損傷或縫合釘成型過高而產生的吻合口耐壓值過低，從而發生吻合口漏/瘺或出血并發癥。

認真編寫吻合器的使用說明書，能將生物固體流變學的原理在說明書里用文字表達清楚（目前的說明書大多描述不清楚），一定是清晰、易懂、具有可操作性，讓使用者參照說明書即能正確操作器械。

在市場上應對醫生進行外科吻合器概論及使用方法的專業教育，最大限度地減低因吻合器使用問題而發生的手術并發癥。這項工作是長期要做的工作，永遠不會過時。美國強生與柯惠公司專業教育的工作是相當成功的。

3 生物固體流變學指導下的臨床應用

3.1 生物固體的厚度多樣性

外科解剖學明確了各段的消化道器官其壁厚是不盡相同的，相同器官其部位不同，厚度也會不同，例如胃體從胃竇向胃底方向，其厚度逐漸變薄，胃小彎向大灣方向，其厚度逐漸變薄。此外因人種、性別及病患的營養狀況都會造成生物固體的壁厚有不同的變化。

在臨床中使用單一間隙的器械來應對不同的生物固體厚度，所謂的“一桿槍打天下”，是完全錯誤的觀念，應摒棄。它會造成生物固體的壓榨性損傷，要能根據生物固體厚度不同，學會不同釘倉的規格（縫釘不同“B“型成型高度）應對生物固體的不同厚度。對于醫生來說，吻合器的選擇是臨床上的基本問題。

同樣要注意的是如何防止吻合口的壓力性爆破損傷，因為生物固體的流變需要空間，如果兩個吻合口離得太近，缺少流變空間，很可能在做第二個吻合口時，因缺少流變空間而導致吻合口的某處（生物固體的薄弱處）破裂損傷。兩個吻合口都有存在爆破損傷的可能。

3.2 外科醫生要養成正確使用器械的良好習慣

生物固體的黏彈性有雙階段性、蠕變性、順應性的特征，器械夾持生物固體后要等待10～15 s后再完成器械的擊發，是一個臨床上器械操作的基本原則。

器械使用者應注意，吻合器的工程師設計了組織間隙可調器械來應對不同厚度的組織或將器械設計成相對應組織厚度的不同規格的器械。器械本身無法判斷組織的厚度，這是需要外科醫生的解剖學知識對將要吻合的生物固體作一個事先判斷，決定選用何種不同的對應器械。如果醫生對生物固體厚度判斷錯誤將會帶來更糟糕的結果。

所以在臨床中要根據生物固體的厚度給予其適當的壓榨，如果一個吻合器沒有被設計成有最小組織壓榨間隙，那表明其在設計的基本理念上就出現問題。這類沒有最小間隙吻合器在使用時應特別小心（是正確選擇器械的標準之一）。

4 結語

手工縫合有一個特點，它對要縫合的組織幾乎不會造成壓榨性損傷，這里就向工程技術人員提出了一個挑戰，如何在機械縫合時消除壓榨性損傷或降到最低，并做到對組織的壓榨像手工縫合時的一樣小。吻合器夾持生物固體是一個動態的平衡：壓榨太緊密可能有生物固體壓榨損傷之虞；壓榨太松生物固體可能在吻合器的鉗口中發生不恰當的移動而產生縫釘成型的異常（亂釘、直釘）。筆者認為吻合器設計除了臨床的符合性外，臨床醫生對生物固體的正確判斷和如何正確選用吻合器也是確保手術成功的關鍵之一。

筆者對生物固體的研究和認識處于起步階段，有許多研究和實驗工作亟待完成。望有志的同道們一起來研究它，將生物固體流變學加以完善，成為吻合器研發中的理論基礎，讓其在各類吻合器械研發中得到實際的應用，在吻合器設計及臨床上真正具有指導意義。在吻合器不斷的發展中努力趕超國外同類的先進水平，提高中國外科吻合器研發及制造的總體水平。