Forschungsprojekt E-Suture 2.0 Elastisches Nahtmaterial soll Insuffizienzen reduzieren

Weiches Gewebe, wie es im menschlichen Verdauungstrakt vorkommt, kann durch gewöhnliche, feste Nahtfäden verletzt werden. Um dies zu verhindern, entwickeln Forscher der RWTH Aachen und des Universitätsklinikums Aachen ein elastisches Nahtmaterial.

In der Viszeralchirurgie bzw. Abdominalchirurgie werden operativ Entfernungen (Resektionen) oder Teilentfernungen von Organen durchgeführt. Ursache hierfür kann beispielsweise die Entfernung von Tumoren oder chronischen Entzündungen sein. Der Verschluss solch aufgetrennter Organe erfolgt hierbei meist mittels manueller Naht.

Eine ideale Naht zeichnet sich durch eine hohe Gewebenachgiebigkeit, ohne in das zu nähende Gewebe einzuschneiden, und eine optimale Biokompatibilität aus [1]. Das Vernähen der Schnitte muss unter größter Sorgfalt durchgeführt werden, da eine unvollständige oder fehlerhafte Naht zu einer Leckage und damit einhergehend zu einer so genannten Anastomoseninsuffizienz (=Undichtigkeit) führen kann. Diese schwerwiegende Komplikation führt zum Austritt von Verdauungsflüssigkeiten in den Bauchraum, was in einer Entzündung des Bauchfells (Peritonitis) endet. Durch die intrakorporale Entzündung kann eine lebensbedrohliche Situation für den betroffenen Patienten entstehen.

Nahtspannungen können Insuffizienzen hervorrufen

Als eine Ursache hoher Insuffizienzraten können u. a. die durch mechanische Belastungen hervorgerufenen Spannungen der Anastomosennaht (Nahtspannung) ausgemacht werden [2]. Bei einem chirurgischen Eingriff wird daher eine Anlage der Naht ohne mechanischen Zug des Chirurgen angestrebt [3]. In einigen Fällen ist das spannungsfreie Vernähen der Anastomose aufgrund der anatomischen Lage oder empfindlicher Gewebeverhältnisse jedoch nur schwer realisierbar.

Aufgrund ihrer Lage und Beschaffenheit ist beispielsweise die Pankreasanastomose als besonders problematisch einzuordnen. Das Gewebe ist sehr weich, während die Lage der Pankreas im Körper fixiert ist und kaum Bewegung zulässt [4]. Die Insuffizienz einer Pankreasanastomose führt zum Austritt des aggressiven Pankreassekrets in den Bauchraum, genannt Pankreasfistel. Dies kann wiederum zu Abszessen, Gefäßarrosionen und weiteren schwerwiegenden Komplikationen führen. Für die Pankreaslinksresektion sind in der Literatur beispielsweise Fistelraten von bis zu 50 Prozent beschrieben [5].

Die mechanische Belastung der Anastomosennaht wird durch die Interaktion zwischen verwendetem Nahtmaterial und anastomosiertem Gewebe bestimmt. Um das Auftreten solcher Insuffizienzen vermeiden zu können, wurde am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen und in der Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Transplantationschirurgie des Universitätsklinikums Aachen im Rahmen des Projektes E-Suture diese Problematik untersucht. Die Nahtspannung wurde als ein entscheidender Faktor bei der Entstehung solcher Insuffizienzen in dem Projekt adressiert.

Geringeres Einschneiden sorgt für bessere Heilung

In E-Suture konnte durch die Verwendung von thermoplastischem Polyurethan (TPU) eine Reduktion der Nahtspannung erreicht werden. Diese Reduktion resultierte in geringerem Einschnitt der Naht ins Gewebe. Hierfür wurde die Verwendung spannungsoptimierender Materialien und Fadenstrukturen als chirurgisches Nahtmaterial untersucht. Es wurden TPU- und Polyvinylidenfluorid(PVDF)-Filamente im Hinblick auf materialtechnische Eigenschaften im Vergleich ausgesponnen und in ihrem Querschnitt variiert. Die Variation des Querschnittes ließ Rückschlüsse des Einflusses der Fadenoberfläche auf die auftretende Spannung im Gewebe zu. Relevante Einflussfaktoren des Projektes waren sowohl Querschnitt als auch Material des Nahtguts. [1,6–8]

Es stellte sich heraus, dass die gleichmäßigere Verteilung der Nahtspannung und damit verbesserte Nachgiebigkeit des Nahtmaterials gegenüber wechselnden mechanischen Belastungen zu einer Verringerung der auftretenden Komplikationen führt [4]. Da die spannungsoptimierte TPU-Naht jedoch nicht vom menschlichen Körper resorbiert wird, muss diese im Nachgang in einer weiteren Operation entfernt werden oder verbleibt dauerhaft als Fremdkörper im Patienten. Dies kann jedoch negative Reaktionen hervorrufen.

E-Suture 2.0 untersucht elastisches, resorbierbares Nathmaterial

Herkömmliche resorbierbare Materialien wie Polyglykolsäure oder Polydioxanon weisen einen hohen Elastizitätsmodul auf, d. h. sie dehnen sich nicht relevant in Längsrichtung [9,10]. Diese vergleichsweise geringe Elastizität resultiert in dem oben beschriebenen Problem des Einschneidens. Im Folgeprojekt E-Suture 2.0 sollen daher resorbierbare TPU für den Einsatz als Nahtmaterial ausgesponnen und geprüft werden. Das Forschungsprojekt führt zu einer Kombination der positiven mechanischen Eigenschaften mit den Vorteilen der Degradation des Nahtmaterials.

Im Rahmen des Projektes E-Suture 2.0 wird von den Forschern des Instituts für Textiltechnik Aachen und des Universitätsklinikums Aachen an einem elastischen, resorbierbaren Nahtmaterial zur Anwendung in der Pankreasanastomose geforscht. Hierfür werden bisher nicht verarbeitete, resorbierbare Polyurethane im Schmelzspinnprozess ausgesponnen und auf Kompatibilität und Degradationsverhalten untersucht. Die Erkenntnisse und Erfahrungen aus dem Vorprojekt bilden das Fundament einer zielgerichteten mechanischen Auslegung des Prozesses. Die Verarbeitung des bisher neuartigen Materials ist zentraler Baustein des Projekts.

Die Fasern sollen im Anschluss im Hinblick auf ihre Degradationseigenschaften untersucht werden. Potenzielle Kandidaten werden vom Universitätsklinikum Aachen im Hinblick auf ihre Zellverträglichkeit und Interaktion mit dem Gewebe untersucht.

Projektziel: Erforschung, Validierung und Innovationen

Projektziel ist die Erforschung und Validierung einer resorbierbaren, elastischen Naht für die Problemanastomose der Bauchspeicheldrüse. Langfristig soll das Nahtmaterial den Weg in die Medizin finden und so vielen Ärzten die Behandlung erleichtern und die Patienten vor Komplikationen bewahren.

Die Forscher erhoffen sich neben der Anwendung tiefgehende Erkenntnisse über die Verarbeitung und die Zellinteraktion der neuartigen Materialien. Diese Erkenntnisse sollen in nachfolgenden Projekten in der Forschung und mit Industriepartnern zu weiteren Forschungsfeldern führen, um weitere Innovationen im Medizinsektor anzustoßen.

Literaturhinweise:

[1] Schmitz, S.M.; Helmedag, M.J.; Kossel, K.-M.; Eickhoff, R.M.; Heise, D.; Kroh, A.; Mechelinck, M.; Gries, T.; Jockenhoevel, S.; Neumann, U.P.; et al. Novel Elastic Threads for Intestinal Anastomoses: Feasibility and Mechanical Evaluation in a Porcine and Rabbit Model. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, doi:10.3390/ijms23105389.

[2] Morse, B.C.; Simpson, J.P.; Jones, Y.R.; Johnson, B.L.; Knott, B.M.; Kotrady, J.A. Determination of independent predictive factors for anastomotic leak: analysis of 682 intestinal anastomoses. Am. J. Surg. 2013, 206, 950-5; discussion 955-6, doi:10.1016/j.amjsurg.2013.07.017.

[3] Laukötter, M.G.; Senninger, N. Anastomosentechniken am GastrointestinaItrakt. Chirurg 2013, 84, 1085-96, quiz 1097-8, doi:10.1007/s00104-012-2392-9.

[4] Pulvirenti, A.; Marchegiani, G.; Pea, A.; Allegrini, V.; Esposito, A.; Casetti, L.; Landoni, L.; Malleo, G.; Salvia, R.; Bassi, C. Clinical Implications of the 2016 International Study Group on Pancreatic Surgery Definition and Grading of Postoperative Pancreatic Fistula on 775 Consecutive Pancreatic Resections. Ann. Surg. 2018, 268, 1069–1075, doi:10.1097/sla.0000000000002362.

[5] Mazzola, M.; Crippa, J.; Bertoglio, C.L.; Andreani, S.; Morini, L.; Sfondrini, S.; Ferrari, G. Postoperative risk of pancreatic fistula after distal pancreatectomy with or without spleen preservation. Tumori 2021, 107, 160–165, doi:10.1177/0300891620936744.

[6] Vogels, R.R.M.; Lambertz, A.; Schuster, P.; Jockenhoevel, S.; Bouvy, N.D.; Disselhorst-Klug, C.; Neumann, U.P.; Klinge, U.; Klink, C.D. Biocompatibility and biomechanical analysis of elastic TPU threads as new suture material. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2017, 105, 99–106, doi:10.1002/jbm.b.33531.

[7] Lambertz, A.; Vogels, R.R.M.; Busch, D.; Schuster, P.; Jockenhövel, S.; Neumann, U.P.; Klinge, U.; Klink, C.D. Laparotomy closure using an elastic suture: a promising approach. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2015, 103, 417–423, doi:10.1002/jbm.b.33222.

[8] Helmedag, M.; Heise, D.; Eickhoff, R.; Kossel, K.-M.; Gries, T.; Jockenhoevel, S.; Neumann, U.P.; Klink, C.D.; Lambertz, A. Cross-section modified and highly elastic sutures reduce tissue incision and show comparable biocompatibility: in-vitro and in-vivo evaluation of novel thermoplastic urethane surgical threads. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2021, 109, 693–702, doi:10.1002/jbm.b.34734.

[9] Dennis, C.; Sethu, S.; Nayak, S.; Mohan, L.; Morsi, Y.Y.; Manivasagam, G. Suture materials - Current and emerging trends. J. Biomed. Mater. Res. A 2016, 104, 1544–1559, doi:10.1002/jbm.a.35683.

[10] Chu, C.C. Materials for absorbable and nonabsorbable surgical sutures. Biotextiles as Medical Implants; Elsevier, 2013; pp 275–334, ISBN 9781845694395.

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* David Wienen ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Textiltechnik, RWTH Aachen University.

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