花瓣状磁吻合装置的设计与实验验证

陈 环，单丽宇，马 涛，王 越，吕 毅*

（1.西安交通大学第一附属医院精准外科与再生医学国家地方联合工程中心，西安 710061；2.西安交通大学第一附属医院肝胆外科，西安 710061）

0 引言

吻合口狭窄（anastomotic stricture，AS）是消化道重建术后的常见并发症，尽管各种重建技术已标准化，改善血运[1-2]、减少异物[3-4]和优化吻合方式[5]等措施也越来越受到重视，但术后AS仍难以避免，其发生率从3.2%到40%不等[6-9]。内镜下球囊扩张[10-11]和支架置入[12-13]是外科切除之外的重要再通手段，虽然创伤小、见效快，但是溃疡、出血和穿孔等并发症难以避免，且再通率低、再狭窄率高，严重影响患者的生活质量。

磁吻合（magnetic compression anastomosis，MCA）通过磁场介导的磁体间引力对靶组织产生压力，致其缺血—坏死—脱落，已被证明可实现多种管道重建[14-20]。磁力的非接触性决定了MCA不依赖贯穿组织的针线，规避了异物刺激和针眼渗漏，对解决AS具有潜在价值。前期研究发现，圆形磁吻合装置（magnetic compression device，MCD）的外径达到肠道内径的1.2倍时，可实现吻合口的长期通畅[21]。然而，过大的MCD尺寸增加了手术难度，不利于微创操作，因此，以更小尺寸MCD实现吻合口的长期通畅至关重要。

鉴于二维平面上等面积封闭曲线中圆的周长最短，本研究对传统的圆形MCD进行分型迭代，设计花瓣状MCD，在外径不变的条件下增加MCD周长，从而实现“小吻合器，大吻合口”，保障吻合口的长期通畅。

1 设计思路

如图1所示，花瓣状MCD由母环和子环组成，且母环与子环结构一致，主体为花瓣状光敏树脂外壳，是由6个等尺寸圆环单元两两相切构成。为使吻合线平滑，各圆环单元相切处的外侧缘采用倒角设计。圆环单元内镶嵌磁极方向一致的N54钕铁硼磁柱，以提供吻合力，该设计可避免MCD绕轴向发生旋转错位。MCD中央的孔洞可形成临时肠内旁路，利于肠内营养管或肠液通过。

图1 花瓣状MCD的设计与制造

相较于等外径的传统圆形MCD，花瓣结构将MCD周长增大了20%，因此，使用时根据消化道内径选择等尺寸的花瓣状MCD，可实现吻合口的长期通畅。

2 有限元分析

以应用于新西兰兔为例，对花瓣状MCD的物理参数和热力学稳态进行计算和仿真分析。根据实验兔肠道内径，圆环单元外径定为2.5 mm，单个磁柱外径定为1.8 mm、高为2.0 mm。此时，MCD最大外径为7.5 mm，最小外径为6.9 mm，周长为27.6 mm，是外径7.5 mm和6.9 mm的传统圆形MCD周长的1.17倍和1.27倍。

在设计磁环过程中，为使子母环的六瓣良好对合而不绕轴向发生旋转错位[如图2（a）所示]，采用镶嵌柱形磁体来提供磁力，而非采用一整块磁体。为验证其有效性，通过COMSOL软件对花瓣状MCD在配对吻合过程中的热力学稳态进行仿真分析。图2（b）～（h）为子环旋转0°～60°时的不同对位状态，可见每旋转60°，子母环恢复良好对位，因此仅分析错位0°～60°时系统的能量变化。分析结果如图3所示。可见，子环顺时针旋转0°～30°过程中，系统总能量逐渐从14.96 mJ增加至15.38 mJ；子环顺时针旋转30°～60°过程中，系统总能量从15.38 mJ降至14.96 mJ。由热力学第二定律可知，子母环良好对位是唯一的稳态。

图2 不同旋转角度下子母环对位情况

图3 不同对位状态下系统能量随错位角度变化趋势

3 实验验证

以新西兰兔十二指肠侧侧吻合为研究场景，验证等外径下花瓣状MCD所形成的吻合口在长期通畅性方面是否优于传统圆形MCD。

3.1 实验动物

选取正常成年新西兰大白兔24只，体质量控制在2.5～3.0 kg。所有实验兔均由西安交通大学实验动物中心提供，在普通动物环境中饲养管理。本实验由西安交通大学动物伦理委员会批准。

3.2 实验分组

将24只实验兔随机均匀分配至实验组（采用花瓣状MCD进行吻合，最大外径7.5 mm）和对照组（采用传统圆形MCD进行吻合，外径7.5 mm）。根据标本获取时间（术后30 d和180 d），各组又分别分为2个亚组，每个亚组6只动物。

3.3 动物麻醉与手术

将3%戊巴比妥钠（1.0 mL/kg）经耳缘静脉推注麻醉实验兔后，呈仰卧位固定。正中切口行开腹术，腹部探查无异常后，采用肠钳夹闭十二指肠近端，将十二指肠内肠液轻柔地排入空肠，而后用肠钳夹闭十二指肠远端。在十二指肠中段处对系膜缘做7.5 mm切口，从切口置入子母环，分别送至切口近端和远端5 cm左右。子母环配对后，实现十二指肠对系膜缘的侧侧磁吻合，如图4（a）、（b）所示。用6-0缝线横向缝合十二指肠纵切口，并逐层关腹。术后立即行X射线腹部检查，确认子母环是否准确耦合。

3.4 术后护理与标本获取

术后应用青霉素钠（40万单位）抗感染，连续使用5 d。术后30 d和180 d，过量麻醉分别处死各组中一个亚组实验兔。获取吻合口标本，采用ImageJ_v 1.8.0（National Institutes of Health）测量吻合口大小，并以周长表示。采用4%多聚甲醛固定并保存标本，石蜡包埋、切片后，采用HE和Masson染色。

3.5 统计学方法

使用SPSS 23.0软件（IBM Corporation，Armonk，NY，USA）进行统计分析。满足正态分布的连续变量使用均值±标准差（xˉ±s）表示，统计检验选择Student-t检验，P＜0.05表示差异具有统计学意义。

3.6 实验结果

如图4（c）所示，2组手术均顺利进行，实验兔术中出血少，术后MCD对位良好。对照组实验兔死亡1只，死亡原因不明。

图4 花瓣状MCD吻合过程及子母环配对情况

各组吻合口大体及镜下观如图5所示，吻合口周长如图6所示。术后30 d和180 d，实验组吻合口周长均大于对照组[30 d：（21.53±1.75）mm vs（16.76±2.63）mm，P=0.001；180 d：（20.87±1.87）mm vs（11.00±1.99）mm，P＜0.001]。对照组吻合口周长随时间的推移而减小；实验组吻合口周长在各时间点无统计学差异，具备长期稳定性。

图5 吻合口大体及镜下观

图6 术后30 d和180 d 2组吻合口周长对比

4 讨论

MCA凭借其原理独特的优点，术后吻合口并发症的发生率较传统术式有所下降[22-23]。然而，MCA术后吻合口的长期通畅性仍难以得到保证，Yamanouchi等[24]、Kamada等[14]和Jang等[25]研究显示MCA术后吻合口狭窄发生率在4.5%～20%之间。

增加MCD尺寸可有效预防吻合口狭窄，但可导致以下弊端：过大尺寸影响MCD的置入，增加手术难度，不利于微创操作；较大的MCD可能难以通过消化道狭窄处，导致梗阻。因此，如何利用更小的MCD实现MCA并保障术后吻合口长期通畅至关重要。本研究将MCD从传统的圆形[26]改为花瓣状，在等外径下将MCD周长增加了20%。

为避免花瓣状MCD的子母环在吻合过程中发生轴向旋转错位，通过在3D打印的光敏树脂外壳内镶嵌多个磁柱提供吻合力。压榨吻合过程中，6对磁柱两两配对耦合，实现了轴向旋转的制动。这在有限元分析中得到了论证，当子母环发生旋转错位时，每个磁柱均受轴向力矩，促使MCD自动对位。

与等尺寸传统圆形MCD的对照研究结果显示，花瓣状MCD压榨形成的吻合口周长较大且长期稳定，并未发生狭窄。因此，花瓣状MCD可在一定程度上实现“小吻合器，大吻合口”，保证缩小MCD尺寸的同时吻合口长期通畅，具有很大的临床应用潜力。

本研究的不足在于虽然采用新西兰大白兔对花瓣状MCD实现吻合口长期通畅的有效性进行了验证，但是应用场景单一且缺乏大动物验证，后期还需开展相关临床研究。