生物固体流变学在外科吻合器设计及临床中的应用

吴惟民，董文瑞

（健瑞宝医疗器械有限公司研发部，江苏常州213022）

0 引言

外科消化道重建和脏器切除手术中手工吻合与器械吻合主要的区别是：手工吻合中被缝合组织几乎不承受任何压榨力，但器械吻合时吻合器对组织存在一定的压榨力，组织上压榨力的大小，压榨的时间，压榨的形式对组织将产生何影响？在压榨下组织将会发生怎样的变化？这些问题是器械设计人员和临床医生都必须要深刻了解的。器械夹持生物固体时具有一定的压力，许多设计人员错误地认为组织上加压是为了得到更好的止血效果。笔者认为对组织加压主要是在钉合时确保组织不移动，确保缝钉能正确成型，器械的钳口对组织过度的加压丝毫没有止血的效果，反而会造成组织的压力性损伤或压力性爆破损伤。

用各类缝（吻）合器来完成消化道重建和脏器的切除手术时，会经常碰到临床上的三大并发症：出血、吻合口漏/瘘、吻合口狭窄。这些并发症与病人本身的原因及医生手技有关外，与吻合器也有直接的关系。

目前很少有吻合器设计人员关注这类问题。在器械的设计或在临床上所见，器械使用上的概念也比较混乱。例如器械对组织的快速压榨或过度压榨，快速击发，不考虑组织厚度变化，统一以一个厚度来应对所有厚度的生物固体，一个蓝钉仓（指吻合器的固定间隙在1.5 mm左右）应用在所有厚度的组织上，或无器械上的最小间隙设定等错误设计屡见不鲜。究其原因是在吻合器行业中绝大多数都是“依葫芦画瓢”，但很多时候也并没画好，国外的有些设计并没有真正理解，很少有自己的创新。主要体现在缺乏生物固体受压后，因压榨方式、压榨速度、压力大小等不同而流变不同的观察与理解。在吻合器研发过程中缺少一个理论的支持。笔者认为建立一个外科吻合器研发的基础理论体系来指导吻合器的设计工作越发显得重要，即生物固体流变学。

生物固体受压后流变的特点和愈合过程是怎样的？这些问题不仅临床医生需要了解，同样吻合器的研发人员也要予以高度重视，才能设计出更能符合临床使用要求的器械。为此笔者提出建立生物固体流变学的概念，该观念的建立是初步的，可能还不完整，甚至有缺陷。健瑞宝公司开创吻合器行业中的先河，为提升国内吻合器行业的整体研发水平奠定基础。

首先必须对手术中所涉及组织的特性有清晰理解。常见的胃肠、血管、脂肪结缔组织的特性，其所属生物固体类别及物理特性，在受压榨变化时将遵循的原则等，在吻合器设计或应用中应尽可能避免这些特性带来的负面影响。并在器械设计时应充分考虑和利用这些组织的固有物理特性，以达到理想的组织缝合效果，减少各类并发症的发生。

1 生物流变学

生物流变学（Biorheology)是研究生物系统的流动及变化特性、变形及其在生命活动中意义的边缘学科力学的一个分支［1］。例如有人将人体的血液黏度，血压及血管内壁的粗糙程度结合起来研究血液的流变来解释血栓及血管破裂的相互关系。

吻合器使用中会涉及人体胃肠道的肌性组织，肝、脾、胰的实质性组织，脂肪结缔组织等，这些组织是不同于体液的一种组织，既有固体也有液体，如胶原蛋白等。将这些组织定义为生物固体，也有人称其为软固体，它不同于一般固体（固体具有弹性特征F=E×ΔX），是一种非胡克弹性体。而生物固体其应变特性为：应力和应变曲线不仅不是直线的，而且应力和加荷曲线不重合形成滞回曲线［2］（见图1）。研究这些非胡克生物弹性体的特异变形性和各向异性及其产生原因，条件和影响因素及之间的关系，则被称为是生物固体流变学（Biologic Solid Rheology)。

图1 滞回曲线

总应变是弹性应变+黏性应变之和：

σ=E×ε+μ×（dε/dt）

式中：E为弹性模量（组织所固有的）；ε为变形量；μ为黏度系数（组织所固有的）；dε/dt为变形量对时间的导数关系。

1.1 生物固体的黏弹性

生物固体的一个显著特性——黏弹性（Viscoelasticity），用直线切割吻合器作生物固体黏弹性实验。在器械的钳口中夹一个生物固体（猪胃），在夹持组织的0 s时有一个组织的厚度值，随着时间的推移（约15 s），压榨的厚度发生了压缩0.55 mm的变化（见图2），该变化与压力值及时间有关系，称之为生物固体的黏弹性。

图2 压榨0～15 s，生物固体的厚度发生了0.55 mm变化

常见具有黏弹性的物质有混凝土、高聚合材料、生物组织等。生物固体的组成主要由水、弹性蛋白、胶原质体等组成。生物固体既具有弹性性质，又具有黏性性质。通常服从于胡克定律和非牛顿黏性定律。黏弹性体在一定外力的作用下，产生弹性变形，且变形随一定的时间而变化,称之为生物固体的黏弹性（Viscoelasticity）。其变形的特征呈滞后性（Hysteresis），是黏弹性体的一个基本特征。由试验可知，当器械在生物固体上（离体猪胃）加压时，压力基本保持不变，15 s后其厚度随时间的推移而发生变化（0.50～0.55 mm），但过了变化期，其厚度又基本保持不变（见图1）。即在消化道重建和脏器的切除手术中所涉及的各类组织都具有黏弹性特征，并由黏弹性导出的其他生物固体变形的特征，其3个特性都是生物固体受压后其黏弹性的具体表现形式（见图3）。

图3 由生物固体的黏弹性导出的基本变形特征

1.1.1 生物固体的双阶段性（Biphasic）

当生物固体受外力挤压时，要产生黏弹性变形，在一定的时间作用下，由于流变，被挤压生物固体会趋于固体特性，呈现弹性体特征，遵循虎克定律（ΔF=k×ΔX）。生物固体受压的初始阶段其变形是瞬间发生的，与加压的时间无关，呈现出弹性特征，继续变形与时间有关，呈现出黏弹性特征。当变形达到一定量时，如外力保持不变，它将趋于一个平衡态。时间将与平衡态无关，即当处于一个平衡态时，在组织上压榨的时间并不影响组织的压榨厚度。

由该特性可知，在使用吻合器时，夹持生物固体后应等待一段时间，让生物固体充分发生流变。实验证明等待15～20 s最佳，等待时间太久也没必要，因为生物固体的双阶段性，受压达到平衡时，其压榨的厚度几乎不再变化。这就是吻合器夹持生物固体后要等待一段时间（10～15 s）的原因。但太多的等待时间不会使生物固体压榨厚度进一步变化，且在临床上过多时间的等待也是不现实的。

1.1.2 生物固体的蠕变性（Creeping）

蠕变即为缓慢地流动变化。当生物固体受外力挤压时，其组织内的液体（如血液、淋巴液、黏液等）发生流变，与该物体的固有特性和力作用的时间有关。生物固体的流变需要足够的流变时间及空间，生物固体的蠕变直接与时间有关，与生物固体的双阶段性也有内在的联系。当过大外力的瞬间施加或流变过快时，生物固体内的液体流动变化跟不上生物固体上压力的变化，被挤压的物质会找生物固体最薄弱之处爆破，即造成压力性爆破损伤，其原因是加压过快，超出其蠕变所需要的足够时间（见图4）。如，用手缓慢挤压气球，它不会爆破，但非常快速地挤压，内在的气体来不及流变，气球很可能爆破。

图4 加压过快造成生物固体的压力性爆破损伤

当被压榨生物固体的周边缺少流变空间时，虽然没有快速施加压力但因为没有足够空间来容纳被挤出的液体，同样也有可能会对生物固体造成压力性爆破损伤（见图5）。如吻合器对生物固体的压缩比过大（大于3倍以上），过大的压缩比会造成生物固体的黏膜断裂。

图5 缺少流变空间造成生物固体的压力性爆破损伤

由该特性可知，对生物固体的压榨不能太快且还要有足够的流变空间。吻合口间应保持足够的距离（要有足够的流变空间），否则也会造成生物固体的压力性爆破损伤。

在器械设计时应尽可能避免组织的急速变形，给组织厚度突然间的变化，这是器械设计时必定要考虑的问题之一。

1.1.3 生物固体的顺应性（Compliance）

当生物固体在外界的一定压力下压榨时，卸荷后（类似吻合器完成击发后，从组织上移开），生物固体回复至原先状态的程度及所需时间的长短，称之为组织的顺应性（如肌性组织的顺应性应大于实质性组织）。如过度、持续挤压造成生物固体的缺血、缺氧、毛细血管通透性增加，当外界压力解除后，局部血液循环重建，组织间隙出血。很多时候虽然生物固体有很强的自我修复功能，也能愈合，但往往也会是一种疤痕性愈合过程。生物固体压榨性损伤与生物固体的顺应性（回复性）与外界压力大小、外力作用的时间长短及生物固体的本身结构有关。生物固体的顺应性强弱在临床上的意义为：应清楚地知道哪些组织不能过分压榨，它们间的差别是很明显的。对生物固体的压榨必须要有一个度，生物固体压榨的压缩比过大（指生物固体原始厚度与被压榨后的厚度之比）、时间过长、压榨过程变化过快，都将对生物固体造成不可逆的压榨性损伤。如何避免生物固体的压榨性损伤，尽可能消除疤痕性愈合过程是吻合器设计者必须要考虑的重要问题。

由该特性可知，在实质性组织上（肝、脾、胰等）因为没有肌性组织，缺少胶原蛋白，经不起过度或长时间的压榨。吻合器在实质组织上应用要慎重，绝对不能压榨过度。同样使用吻合器时并不是将生物固体挤压得越紧密越好，当超出组织所能承受的极限后，压力释放后它也不可能恢复原状，造成不可逆的压榨性损伤。如猪的动物实验，对猪胃过度压榨后，组织被缝合上了，但其胃黏膜被压断，造成黏膜下出血，如图6所示。

图6 过度压榨造成胃组织的黏膜断裂损伤

这种压榨性损伤虽然也可能愈合，但也是疤痕性愈合，会有造成吻合口狭窄的可能。

2 外科吻合器研发中的关注点及应该遵循的生物固体流变学基本原则

在吻合器的设计工作中必须要很好地理解生物固体组织在受压状态下的各种变化及其特点，例如吻合器设计时器械的最小压榨间隙的设定是必要的。没有该最小间隙的设计，加上使用者对生物固体流变学的不理解，一定会对生物固体造成一些不可逆的组织损伤。设计人员除了要有很好的机械工程学、材料学、工艺学等知识外，也应具备较强的外科学、人体解剖学的知识。

2.1 消化道重建时吻合口或缝合口的六大基本要求

（1）适当的吻合口径（并非口径越大越好）。

（2）组织间无张力（器械上无法保证，这是手术对术者的基本要求）。

（3）最小的组织损伤（尽可能不让组织造成疤痕性愈合）。

（4）无组织的出血。

（5）良好的血供（能有效地将营养输送到切端）。

（6）无吻合/缝合口漏或瘘的发生（手工缝合与机械缝合的临床要求相同）。

2.2 吻合器设计中的基本技术参数

在禁食状态下消化道各段节律活动时腔内压力的平均值不超过5.33 kPa。这是所有吻合器的设计都必须遵循的基本设计参数。消化道重建恢复肠、胃蠕动后，消化腔内会产生一定的压力。如果重建的消化道吻合口不能承受所产生的压力值（可能达5.33 kPa）会造成吻合口（重建处）崩裂而导致吻合口漏的严重并发症，消化道重建手术后常规在腔内放置减压管减压也是这一道理。

行业标准中规定的肠腔压强是3.6 kPa（2.7 cmHg柱），该压强值是因一些非技术原因而定得过低。该数值的出现无科学依据，因此会存在一定问题。笔者建议在进行吻合器设计验证确认阶段时，按5.33 kPa压强值进行会更可靠、更安全，如果能按破坏性试验来进行确认会更可靠。

双排缝钉错列的设计比单排缝钉的设计更安全，有学者做过二者的比较。单排缝钉缝合后在腔内压力达到1.60 kPa时，吻合口即发生渗漏。另一种双排缝钉缝合后，它能达到6.00 kPa而无渗漏［3］。

2.3 生物固体流变学指导下吻合器的设计制造

学会从生物固体流变学角度来分析问题，辨别器械设计制造中可能存在的风险。在设计中尽可能地避免二大因生物固体流变而产生的压力性爆破损伤和压榨性损伤的弊端。

生物固体压榨间隙可调节的器械设计是一个针对生物固体不同厚度变化的好方法，可以有效防止生物固体发生压榨性损伤。当有些器械的设计其间隙不能调节时，应将器械设计成有不同间隙的规格器械来适应生物固体的不同厚度。用一种间隙尺寸来应对不同厚度的生物固体会造成组织的压榨性损伤或缝合钉成型过高而产生的吻合口耐压值过低，从而发生吻合口漏/瘘或出血并发症。

认真编写吻合器的使用说明书，能将生物固体流变学的原理在说明书里用文字表达清楚（目前的说明书大多描述不清楚），一定是清晰、易懂、具有可操作性，让使用者参照说明书即能正确操作器械。

在市场上应对医生进行外科吻合器概论及使用方法的专业教育，最大限度地减低因吻合器使用问题而发生的手术并发症。这项工作是长期要做的工作，永远不会过时。美国强生与柯惠公司专业教育的工作是相当成功的。

3 生物固体流变学指导下的临床应用

3.1 生物固体的厚度多样性

外科解剖学明确了各段的消化道器官其壁厚是不尽相同的，相同器官其部位不同，厚度也会不同，例如胃体从胃窦向胃底方向，其厚度逐渐变薄，胃小弯向大湾方向，其厚度逐渐变薄。此外因人种、性别及病患的营养状况都会造成生物固体的壁厚有不同的变化。

在临床中使用单一间隙的器械来应对不同的生物固体厚度，所谓的“一杆枪打天下”，是完全错误的观念，应摒弃。它会造成生物固体的压榨性损伤，要能根据生物固体厚度不同，学会不同钉仓的规格（缝钉不同“B“型成型高度）应对生物固体的不同厚度。对于医生来说，吻合器的选择是临床上的基本问题。

同样要注意的是如何防止吻合口的压力性爆破损伤，因为生物固体的流变需要空间，如果两个吻合口离得太近，缺少流变空间，很可能在做第二个吻合口时，因缺少流变空间而导致吻合口的某处（生物固体的薄弱处）破裂损伤。两个吻合口都有存在爆破损伤的可能。

3.2 外科医生要养成正确使用器械的良好习惯

生物固体的黏弹性有双阶段性、蠕变性、顺应性的特征，器械夹持生物固体后要等待10～15 s后再完成器械的击发，是一个临床上器械操作的基本原则。

器械使用者应注意，吻合器的工程师设计了组织间隙可调器械来应对不同厚度的组织或将器械设计成相对应组织厚度的不同规格的器械。器械本身无法判断组织的厚度，这是需要外科医生的解剖学知识对将要吻合的生物固体作一个事先判断，决定选用何种不同的对应器械。如果医生对生物固体厚度判断错误将会带来更糟糕的结果。

所以在临床中要根据生物固体的厚度给予其适当的压榨，如果一个吻合器没有被设计成有最小组织压榨间隙，那表明其在设计的基本理念上就出现问题。这类没有最小间隙吻合器在使用时应特别小心（是正确选择器械的标准之一）。

4 结语

手工缝合有一个特点，它对要缝合的组织几乎不会造成压榨性损伤，这里就向工程技术人员提出了一个挑战，如何在机械缝合时消除压榨性损伤或降到最低，并做到对组织的压榨像手工缝合时的一样小。吻合器夹持生物固体是一个动态的平衡：压榨太紧密可能有生物固体压榨损伤之虞；压榨太松生物固体可能在吻合器的钳口中发生不恰当的移动而产生缝钉成型的异常（乱钉、直钉）。笔者认为吻合器设计除了临床的符合性外，临床医生对生物固体的正确判断和如何正确选用吻合器也是确保手术成功的关键之一。

笔者对生物固体的研究和认识处于起步阶段，有许多研究和实验工作亟待完成。望有志的同道们一起来研究它，将生物固体流变学加以完善，成为吻合器研发中的理论基础，让其在各类吻合器械研发中得到实际的应用，在吻合器设计及临床上真正具有指导意义。在吻合器不断的发展中努力赶超国外同类的先进水平，提高中国外科吻合器研发及制造的总体水平。