医用倒刺缝合线的研究进展

2021-05-27苏梦茹陈颀超李超婧王富军

纺织学报 2021年5期

苏梦茹，邹婷,2，陈颀超，李超婧,2，王富军,2,4，王璐,2

(1. 东华大学纺织学院，上海 201620； 2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620； 3. 上海傍云医疗科技有限公司，上海 200120； 4. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620)

缝合线是最常见的生物医用纺织品，当人体组织受损产生伤口、组织与外来医疗器械相连接、将组织定位到新位置等时，使用缝合线可达到治疗目的。随着缝合线领域的不断发展与进步，研究者们开发了倒刺缝合线。倒刺缝合线分为缝合线主体和倒刺2个部分，在使用过程中无需打结，故又称免打结缝合线、自锁缝合线等。倒刺在缝合线表面沿轴向定向排列，允许缝合线在一个方向上自由移动，而在相反方向上具有锚定能力，即倒刺与周围组织相互紧密作用而阻止缝合线相对组织移动[1]。

使用倒刺缝合线具有诸多优点。传统缝合线在临床使用中需要打多个结，在打结处会产生应力集中，易在打结处断裂且会使疤痕增大影响美观，而倒刺缝合线上应力沿缝合线均匀分布[2]。倒刺缝合线在使用时因免打结而简化了手术操作步骤，节省手术时间，减少手术人手和成本，同时也降低了手术风险系数[3]。此外使用传统缝合线缝合后易在打结处产生感染、线结松散和滑脱等现象，倒刺缝合线避免了上述情况发生，使得手术更安全可靠。

随着医疗水平和科学技术的发展，倒刺缝合线凭借其优良的性能逐渐成为缝合线领域的研究重点，其在整形美容领域和其他外科手术中具有强大的发展潜力和广阔的应用前景。本文对倒刺缝合线的发展历程和主要性能要求进行了概述，介绍了倒刺缝合线的材料及其倒刺和止挡元件的结构，归纳了目前其主要制备方法，并对其在临床手术中的具体应用进行了总结和分析。

1 倒刺缝合线的发展

倒刺缝合线的最初发明可追溯到1964年，Alcamo提出了在缝合线表面设有凸起、凹槽、齿状倒刺或针状物等多种不同的结构，以增加缝合线在人体组织中的滑动阻力[4]。1967年首次报道了Mckenzie使用倒刺缝合线在狗的尸体上进行肌腱修复试验，他采用尼龙和金属2种材料的倒刺缝合线，试验结果表明金属缝合线太脆故在肌腱中易被损坏，而尼龙缝合线因具有良好的抗张强力而产生更好的效果[5]。然而，由于缺乏关注和研究，倒刺缝合线消失了很长一段时间。随着医疗领域对缝合线要求的提高以及新材料、先进技术的不断发展，近年来倒刺缝合线又重新成为人们关注的焦点。

1994年和2001年，Ruff提出有圆锥形倒刺的组织连接器，并将其用于面部和颈部下垂皮肤的提拉美容手术中，此外他还使用了具有更高锚定能力的双向倒刺缝合线[6-7]。2004年，Leung等详细描述了缝合线上的倒刺排列，可采用交错排列、扭剪多螺旋排列、重叠排列、随机排列或上述排列相组合[8]。2007年，Popadiuk等设计了等边三角形截面的倒刺缝合线，实验证明三角形截面的倒刺缝合线比圆形截面的倒刺缝合线具有更高的握持强度[9]。2014年，Cohen等提出倒刺内表面可以由1个、2个或3个部分组成，这些部分相对于缝合线主体的轴线具有不同的角度，不同部分的表面可以是直的、弯曲的或者二者兼有[10]。

美国的Quill Medical Inc从2001年起在国际上申请了多项倒刺缝合线的专利，涉及制备方法、切割装置、倒刺构造等方面。随后，美国的Ethicon Inc和Tyco Healthcare Group LP也申请了关于倒刺缝合线的多件专利。在国内，2013年东华大学提出自锁紧缝合线的制备装置和方法[11]。此后国内对倒刺缝合线的研究日益增多，多家国内医疗企业先后申请了多件关于倒刺缝合线结构、制备的专利。

2 倒刺缝合线的性能要求

表1示出倒刺缝合线的主要性能要求[12]。倒刺缝合线作为体内植入物需具有良好的生物相容性，包括无毒、血液相容性、组织相容性和低免疫原性，与机体组织相适应而不引发免疫应答和炎症反应。部分倒刺缝合线根据手术需求在体内可生物降解，降解速率需与组织愈合时间相匹配，降解产物对人体无害，可被吸收或排出体外。倒刺缝合线需保持良好的结构稳定性，为组织提供支持以促进愈合，如果倒刺失效将会使组织裂开而造成医疗事故。锚定性是倒刺缝合线的重要特性之一，较大的倒刺握持力使得缝合线在使用过程中无需打结而不发生滑脱，有助于促进组织愈合过程[13]。此外，需具有合适的物理力学性能，与不同使用部位的力学性能相一致，且在预期时间内保持其力学性能而不发生大幅度降低，较低的弯曲刚度使其在手术中易操作，较高的抗张强度使其在手术中于机体内不易发生断裂。

表1 倒刺缝合线的性能要求Tab.1 Property requirements of barbed suture

3 倒刺缝合线的材料和结构

倒刺缝合线在体内与组织发生相互作用以达到治疗的目的，其需要具备一定的物理化学性能。倒刺缝合线的使用效果与其材料类型、倒刺的几何形状、倒刺的排列、尾端止挡元件等密切相关。

3.1 倒刺缝合线的材料

倒刺缝合线包括单丝缝合线和多股单丝编织而成的复丝缝合线，其材料分为可吸收材料和不可吸收材料[14]。

可吸收缝合线常用于不易拆除或拆除会影响已愈合伤口的组织部位，以及伤口愈合后不再需要缝合线提供组织支持的部位，如皮肤科、整形美容、妇产科、泌尿科、胃肠道手术等。可吸收缝合线的材料可分为天然可吸收材料和合成可吸收材料，可吸收倒刺缝合线常采用合成可吸收材料，如聚对二氧环己酮(PPDO)、聚乙醇酸(PGA)、聚己内酯(PCL)及其共聚物等。目前商用的可吸收倒刺缝合线大都采用聚对二氧环己酮(PPDO)材料，因其具有良好的生物相容性，降解产物可随代谢作用排出体外，降解周期约为180 d，且柔韧性好、强度高。可吸收倒刺缝合线的选择需根据实际损伤部位的愈合速率和缝合线材料的降解时间及缝合线随降解过程的强度损失共同决定，缝合线在伤口完全愈合前需维持足够的强度。

不可吸收缝合线常用于愈合期长、张力大的伤口，其强度不随植入时间延长而发生显著变化，需长期为手术部位的组织提供支持，如整形外科、骨科手术等。不可吸收倒刺缝合线常用材料有聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等。以常见的不可吸收材料聚丙烯(PP)为例，其具有优良的抗张强度，且力学性能在体内可长期维持，无毒、组织反应小。

除采用单一材料外，也可将多种材料复合使用以避免单一材料的缺点。何丽伟等提出由缝合线主体和倒齿共同形成的双组分皮芯型或并列型结构以满足不同缝合部位组织的需求，其中缝合线主体为双组分结构，倒齿为单组分结构[15]。

3.2 倒刺的几何形状

研究者们设计了多种倒刺几何形态，其中最常见的倒刺形态类似为锥形。Maiorino等将单个倒刺分为具有不同切割角度的2个部分，且靠近倒刺基部部分的切割角度小于靠近倒刺尖端部分的切割角度，双角度切口可保持缝合线强度的完整性[16]。Leung等设计的倒刺具有弓形或锯齿形的底侧[17]。上述研究者们所设计的倒刺几何形态并不都适应于实际生产应用，但其思路推动了倒刺缝合线领域的发展。

通常倒刺缝合线上的倒刺通过切割的方法产生，一般可利用剪切深度、剪切角度、剪切长度等参数来描述倒刺的几何形状[18](如图1所示)。倒刺的几何形状将影响倒刺缝合线的锚定性和力学性能，剪切角度增加使得倒刺更为柔软，握持力降低；剪切深度与缝合线的抗张强度成反比[19]。

图1 单丝缝合线上单个倒刺的几何形状Fig.1 Geometry of single barb on monofilament suture

3.3 倒刺的排列

倒刺缝合线按倒刺的排列方向可分为2类：单向倒刺缝合线和双向倒刺缝合线(如图2所示)。单向倒刺缝合线上倒刺均沿同一方向分布，其一端与缝合针相连接使缝合线能够刺穿组织，另一端设有1个止挡元件(多为环形)以便于缝合线在初始插入处固定。单向倒刺缝合线的使用与传统缝合线相同，从一端开始，移动到另一端。双向倒刺缝合线的一端有沿同一方向分布的倒刺，而在另一端的倒刺反向分布，防止缝合线沿两端中任一方向在组织中滑移。双向倒刺缝合线的两端各有1根缝合针，缝合线中间部位设有1个无倒刺过渡区。双向倒刺缝合线在使用时从伤口中间开始，并在每个方向继续移动进行缝合。

图2 缝合线上倒刺的不同排列方向Fig.2 Different arrangement directions of barbs on suture.

倒刺缝合线上的倒刺可采用交错排列、螺旋排列、重叠排列、随机排列或上述排列方式相组合。在交错排列中，通过将缝合线旋转特定角度(例如180°或120°)使得不同的倒刺组径向隔开。在螺旋排列中，通过将缝合线旋转特定角度使得倒刺呈螺旋状分布，或将缝合线扭转多次后进行切割，缝合线解扭转后倒刺也可呈螺旋状排列。在重叠排列中，相邻倒刺之间的距离小于单个倒刺的长度。

倒刺缝合线可根据特殊症状的组织修复而优化设计，缝合线上倒刺的形状、排列方式、数量应依实际临床需求确定[20]。螺旋型的倒刺排列是目前最常见的倒刺排列方式，能较大程度利用缝合线表面，更利于锚定组织[21]。在所修复固定的伤口或组织较小时，可选择倒刺数量较少的缝合线。

3.4 尾端止挡元件的结构

单向倒刺缝合线的尾端通常设有止挡元件将缝合线固定在组织中，止挡元件的尺寸需要大于缝合线主体的直径以防止缝合线发生滑动。Ruff等设计了多种不同形态的尾端锚定件，一种构造为锚上设有1个或多个随机分布的具有不同长度的弓形翼，锚也可为T形、叉形、环形、伞形、半球形等构造[22]。

止挡元件最常见的结构是环形，在使用过程中倒刺缝合线随缝合针穿过锚定环，使得缝合线在最初插入组织处得以固定，且锚定环上也可配制倒刺(如图3所示)。Gross等提出了可变环的设计，可变环由缝合线穿过末端的固定套环而形成，固定环可在缝合线主体上滑动。在使用过程中，缝合针带着缝合线穿过组织后回针穿过可变环以进行固定，随缝合线收紧可变环直径也逐渐减小[23]。

图3 止挡环元件示意图Fig.3 Diagram of blocked loop element

4 倒刺缝合线的制备方法

倒刺缝合线分为缝合线主体及沿主体轴向分布的倒刺2个部分。目前倒刺主要通过在缝合线主体上进行切割而形成，包括机械切割、激光切割等切割方法，此外也可通过模具注塑、冲压、挤出、化学烛刻等获得倒刺结构，或外加倒刺并将其以一定的排列方式固定在缝合线主体上。

4.1 机械切割

机械切割是最常见的倒刺制备方法，其制备难度小、易于操作生产。Genova等设计的装置中刀片在某一位置做往复运动以切割获得倒刺，缝合线沿其轴向移动制备多个倒刺，可改变刀片的几何形态和运动方向从而影响倒刺的几何形态[24]。Maiorino等采用可控的超声能量使刀片振动形成倒刺，超声波振幅的增减可改变切割倒刺的深度和角度[25]。

4.2 激光切割

近来，使用激光切割成为在各种基材上简单而快速地产生凹槽的常用工具，其中超短脉冲的飞秒激光能够以高精确度、最小的热应力和附带损害制造特定图案。Gross等设计了制备倒刺缝合线的激光加工系统，能够在缝合线上选择性地切割材料以形成所需倒刺结构，且激光切割的狭槽中的缝合线材料被移除，通过步进式地移动缝合线或激光束以进行不断激光切割可制备多个倒刺[26]。

4.3 模具注塑

利用模具通过注塑方法制备倒刺缝合线，保持了缝合线主体的强度，且具有效率高、成本低的优点。程光起等设计了包含缝合线凹槽和倒刺凹槽的倒刺缝合线模具，将纺制的聚对二氧环己酮丝线放置于缝合线凹槽中，注入PCL和聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)混合倒刺溶液并使其充满倒刺凹槽，通过向模具中吹入热空气流进行初步定型，取出后在凝固浴中进一步定型，最后经冷冻干燥获得倒刺缝合线[27]。

4.4 外加倒刺并固定

外加倒刺并将其固定在缝合线主体上，避免了缝合线主体强度的损失，同时增加了倒刺和缝合线主体的连接强度，在使用时提供足够的组织握持力，避免倒刺从缝合线主体剥离脱落。詹泽丰等设计的外加倒刺件，由嵌入缝合线主体表面凹槽中的固定部通过热压、热熔或热收缩的方法将倒刺固定在缝合线主体上，带斜壁的环状部与固定部相连接，倒刺呈环向均匀分布在环状部的中末端[28]。

4.5 总结

目前常用的倒刺缝合线制备方法是机械切割和激光切割，已被用于大规模工业化生产，具有保持切割件锐度、快速移动切割的特点，并能方便精准地控制倒刺的剪切深度、剪切角度及排列方式；但从力学角度分析，切割过程会造成缝合线有效横截面积减小而使主体强度损失，同时切割处产生应力集中现象而使得倒刺在较大负荷作用下的剥离风险提升[19-20]，且制造成本较高、效率较低。模具注塑和外加倒刺并固定的倒刺制备方法保持了缝合线主体的强度，并提供足够的倒刺握持力，且模具注塑的成本较低,但2种方法尚不完备，目前尚未应用于实际生产;因此，仍需不断探索更经济、更有效的倒刺缝合线制备方法。

5 倒刺缝合线的应用

市场上有各种倒刺配置和不同材料的倒刺缝合线，目前3种主要倒刺缝合线产品为：Quill缝合线(Surgical Specialties Inc.)、V-Loc缝合线(Covidien, Medtronic Inc.)、Stratafix螺旋缝合线(Ethicon Endo-Surgery)。具体缝合线产品的选择，需根据修复部位的实际情况和临床医生的操作经验而决定。倒刺缝合线凭借其优良的性能最初被成功应用于整形美容领域，并逐渐应用于泌尿外科、骨科、妇产科等外科手术治疗[29]。

5.1 整形美容

皮肤在随时间的衰老过程中会出现凹陷和皱纹，整容手术可减缓衰老或消除已有的衰老迹象。悬吊除皱术在使用缝合线的整容手术中是一种常用技术，将松弛的皮肤和软组织移位并重新提升到更紧致的部位，使得皱纹消除、皮肤平展。采用倒刺缝合线的悬吊除皱术具有张力分布均匀、耗时少、舒适度高、可调整等优点，引起了整形医生和患者们的关注。

Sulamanidze等总结了10 a内对4 580名患者进行的面部提线美容手术，得出使用倒刺缝合线具有方便、经济、微创、康复期短、持久性较高的优点[30]。Suh等回顾了2012—2014年在韩国使用聚对二甲基羟乙酮PDO免打结缝合线进行面部提线手术的31名患者的术后结果，通过系列数码照片的客观评价和病人的自我主观评价，得出PDO免打结缝合线对轻度皮肤松弛下垂、长有皱纹的患者面部年轻化是安全有效的[31]。

倒刺缝合线在整形美容手术中也被用于伤口闭合。Paul根据30多年的临床经历，指出双向倒刺缝合线用于身体轮廓整形手术中，如乳房缩小、腹壁整形等，可缩短手术时间，且操作简单，完成1～2个病例即可掌握缝合技术[32]。Moya在腹壁、躯体、手臂和大腿的整形手术中使用倒刺缝合线闭合伤口，他对倒刺缝合线的使用感受是可减少手术次数、易于伤口闭合、减轻手部疲劳、减少引流管理以及改善疤痕[33]。

倒刺缝合线在整形美容的使用过程中也出现了一些并发症和副作用。Bertossi等对160名接受PDO倒刺缝合线的整容手术以改善面部下垂软组织的患者进行了回顾分析，约三分之一的患者产生了缝合线位移、红斑、皮肤凹陷、感染等并发症，且手术具有即刻的患者满意度，1 a后已没有明显的美学效果[34]。在其他研究中所提到的并发症还包括血肿、出血、短暂的神经病以及腮腺导管或局部神经分支的损伤等[35]。针对所出现的并发症，倒刺缝合线仍需要不断改进结构，并对不同适应症提出更完善的缝合技术和手术指南。

5.2 其他外科手术

倒刺缝合线被用于其他软组织的伤口闭合手术中。倒刺缝合线上的倒刺产生的均匀锚定性能为缝合伤口提供了一种安全有效且操作简单的缝合技术，例如可用于长伤口的缝合使手术效率提高。在缝合空间狭小和缝合操作受限的腹腔镜手术中，免打结也为缝合过程提供了极大的便利。

Ting等评估了双向倒刺缝合线和传统缝合线在全髋关节和膝关节置换术中对深度伤口闭合的疗效。伤口闭合分为深筋膜层、皮下脂肪层(中间层)、真皮层共3层，倒刺缝合组中3层按需采用不同粗细的倒刺缝合线缝合。研究发现倒刺缝合线手术闭合时间更短、所需缝合线更少、成本相对更低，且术后3周和3个月时的患者满意度和并发症与传统缝合线的结果相似[36]。这与Vakil等的体外生物力学研究结果相符[37]。然而Campbell等评估了倒刺缝合线在膝关节置换术中的并发症，主要包括深部感染、浅部感染、裂开及脓肿等，结果显示伤口使用倒刺缝合线的并发症发生率较高[38]。

Weld等首次评价了倒刺缝合线在体内外尿道重建中的作用，并将倒刺缝合线和传统缝合线进行对比实验，体外分析显示2种缝合线在相似组织和相等负荷下结果相同，采用猪模型进行的腹腔镜肾盂成形术和膀胱颈吻合术后均未发现尿路瘤形成或外渗[39]。Moran等指出在机器人根治性前列腺切除术中使用倒刺缝合线的手术速度明显加快且视觉准确度高[40]。Shah等探讨了单向倒刺缝合线在机器人泌尿外科重建手术中的应用，包括根治性前列腺切除术、部分肾切除术、根治性膀胱切除术等，通过对患者的随访未发现尿漏、结石或瘘等并发症，得出对于泌尿外科重建手术采用单向带刺缝合线是安全有效的[41]。然而，Williams等对机器人辅助腹腔镜前列腺切除术的研究表明，倒刺缝合线的应用会造成成本高、过紧、愈合延迟、外渗严重、导尿时间长等问题[42]。

Greenberg等对在子宫肌瘤切除术、子宫切除术、袖带闭合术和剖腹产等妇产科手术中使用倒刺缝合线进行总结分析，指出倒刺缝合线能够光滑缝合，且手术时间短，术中失血少[43]。同样，Alessandri等评价了腹腔镜子宫肌瘤切除术中采用单向倒刺缝合线修复子宫壁缺损的效果，得出与传统缝合线相比其因免打结而减少了缝合子宫壁缺损和术中失血所需的时间，且倒刺可防止发生位移而使得在缝合过程中缝合线保持足够的张力[44]。

Demyttenaere等首次探讨倒刺缝合线在胃肠道切开术中的应用，以12头猪为实验对象，体内和体外实验结果显示，倒刺缝合线和传统缝合线在不同时间点的伤口闭合程度、破裂强度、粘连、组织学及炎症的效果相似，且倒刺缝合线能够在更短时间内缝合伤口[45]。Bautista等对50名患者进行的临床试验也证实了在肾小肠切开术中使用倒刺缝合线的有效性和安全性[46]。

除了在整形美容和软组织闭合中的应用，倒刺缝合线也可用于肌腱修复。由于肌腱修复的力学要求较高，故倒刺缝合线主要应用于屈肌腱等小肌腱的修复。Marrero-Amadeo等对倒刺缝合线修复屈指肌腱的生物力学性能进行分析，与传统的修复方法相比，二者最大失效负载和形成2 mm间隙的载荷没有显着差异[47]。Maddox等对25只鸡进行了前屈肌腱的修复，在术后第2周倒刺缝合线相比传统缝合线趋向于更高的体内失败率，且生物力学随时间逐渐降低，故不建议使用倒刺缝合技术[48]。

综上所述，倒刺缝合线已被广泛应用于临床手术，医患们已证实了其安全性和有效性。倒刺缝合线上倒刺与组织的锚定力消除了缝合线打结的必要性，使其具有张力沿缝合线分布均匀、手术耗时短、操作简便、改善疤痕等优点。然而，倒刺失效所导致的缝合线位移、伤口开裂以及与倒刺相关的感染等并发症仍然是临床关注的重点问题。