Sviluppo di un protocollo di prova per la caratterizzazione sperimentale delle proprietà meccaniche e adesive di sigillanti per la chirurgia pancreatica

The pancreas represents one of the fundamental glands in the human body, performing both exocrine and endocrine functions to enable and enhance digestive system activity. This gland can be subject to various pathologies, including non-neoplastic conditions like pancreatitis and diabetes, as well as neoplastic conditions like pancreatic cancer, which constitutes the most lethal tumor of the digestive system, characterized by low patient survival rates. Surgical procedures like pancreaticoduodenectomy contribute to improving the effectiveness of treatment; however, they are not without risks of post-operative complications. The most common complication is represented by pancreatic fistula (POPF), whose main issue stems from the lack of in-depth studies on it, resulting in a shortage of devices specifically designed for this procedure. In order to address these issues, a collaboration was established between the Humanitas Clinical Institute and the Politecnico of Milan. The main purpose was to develop a tissue-specific sealant for the pancreas that could replace the traditional suturing anastomosis. However, the mechanical characterization of glues and adhesives used in pancreatic surgery still remains a gap in scientific literature, as there is no standardized protocol for this purpose. Therefore, to address this lack, the following study was conducted with the main objective of devising an ad hoc procedure. The proposed procedure involved the use of portions of swine pancreas tissue, a deliberate choice as this tissue exhibits significant similarities in terms of mechanical properties compared to the human counterpart. These tissue portions were bonded using commonly available surgical glues and adhesives. Through this innovative approach, the adhesion strength of each adhesive was analyzed and evaluated through uniaxial tensile and lap-shear tests. For this purpose, the "ASTM F2258-05: Standard test method for strength properties of tissue adhesives in tension" and "ASTM F2255-05: Standard test method for strength properties of tissue adhesives in lap-shear by tension loading" standards were adapted with modifications to suit the project’s objectives. The primary aim of this study was to create an experimental setup capable of enabling the proper execution of both uniaxial tensile and lap-shear tests using the same testing machine. A characterization protocol was defined to obtain load-crosshead and stress-time curves as accurately as possible, along with adhesive stress values for each surgical glue and adhesive, calculated by the ratio of the maximum force reached within each test and the corresponding contact area. Specifically, the surgical glues employed included BioGlue®(CryoLife, Inc., Kennesaw, USA), a cyanoacrylate-based adhesive (Super Attak®, Loctite Corporation, Düsseldorf, Germany), Tisseel®(Baxter Healthcare, Zurich, Switzerland), and Floseal®(Baxter Healthcare, Zurich, Switzerland). The mean adhesive stress values obtained for the uniaxial tensile tests were 0.24 ± 0.04 kPa, 0.13 ± 0.04 kPa, 0.19 ± 0.04 kPa, and 0.11 ± 0.02 kPa, respectively. For the lap-shear tests, the corresponding values were 0.11 ± 0.05 kPa, 0.16 ± 0.03 kPa, 0.05 ± 0.02 kPa, and 0.08 ± 0.03 kPa. Similarly, the studied surgical adhesives were TachoSil®(Corza Health, San Diego, USA), Hemopatch®(Baxter Healthcare, Zurich, Switzerland), Tabotamp Hemostatic®(Ethicon SARL, Neuchâtel, Switzerland), and Tabotamp FibrillarTM(Ethicon, Inc., San Lorenzo, Puerto Rico). The mean adhesive stress values obtained for the uniaxial tensile tests were 0.10 ± 0.04 kPa, 0.16 ± 0.02 kPa, 0.44 ± 0.05 kPa, and 0.37 ± 0.06 kPa, respectively. The corresponding lap-shear tests yielded instead mean adhesive stress values of 0.04 ± 0.02 kPa, 0.17 ± 0.07 kPa, 0.40 ± 0.11 kPa, and 0.17 ± 0.07 kPa. From these results, it emerges that Tabotamp Hemostatic exhibits the highest mechanical resistance in both uniaxial tensile and lap-shear tests. On the other hand, among the surgical adhesives analyzed, BioGlue and Cyanoacrylate have demonstrated better adhesive capability to pancreatic tissue. Specifically, BioGlue shows higher mechanical resistance in uniaxial tensile tests, while Cyanoacrylate excels in lap-shear tests.

Il pancreas rappresenta una delle ghiandole fondamentali dell’organismo umano, svolgendo sia funzioni esocrine che endocrine per consentire e migliorare l’attività svolta dal sistema digerente. Questa ghiandola può essere soggetta a diverse patologie, sia non neoplastiche come la pancreatite e il diabete, sia neoplastiche come il cancro pancreatico, che costituisce il tumore più letale dell’apparato digerente essendo caratterizzato da una bassa sopravvivenza nei pazienti. Interventi chirurgici come la pancreatico-duodenectomia contribuiscono a migliorare l’efficacia del trattamento; tuttavia, non sono privi di rischi di complicanze post-operatorie. La complicanza più comune è rappresentata dalla fistola pancreatica (POPF), la cui principale problematica deriva dalla mancanza di studi approfonditi su di essa, comportando una carenza di dispositivi appositamente progettati per questa procedura. Allo scopo di superare le problematiche presentate è nata una collaborazione tra l’Istituto Clinico Humanitas e il Politecnico di Milano. La finalità principale è quella di realizzare un sigillante, specifico per il tessuto pancreatico, che possa sostituire la classica anastomosi con fili di sutura. La caratterizzazione meccanica di colle e adesivi utilizzati nella chirurgia pancreatica rappresenta però ancora oggi una lacuna nella letteratura scientifica, poiché non esiste un protocollo standardizzato per tale scopo. Pertanto, al fine di colmare questa mancanza, è stata sviluppata la seguente trattazione, con l’obiettivo principale di ideare una procedura ad hoc. La procedura proposta ha coinvolto l’utilizzo di porzioni di tessuto prelevate dal pancreas di suino, scelta mirata poiché questo tessuto presenta notevoli analogie in termini di proprietà meccaniche rispetto a quello umano. Tali porzioni di tessuto sono state unite utilizzando colle e adesivi chirurgici comunemente disponibili in commercio. Attraverso questo approccio innovativo, è stato possibile analizzare e valutare lo sforzo di adesione per ciascuna colla e adesivo tramite prove di trazione monoassiale e lap-shear. A tal fine sono state utilizzate le norme "ASTM F2258-05: Standard test method for strength properties of tissue adhesives in tension" e "ASTM F2255-05: Standard test method for strength properties of tissue adhesives in lap-shear by tension loading", apportando alcune modifiche per adattarle allo scopo di questo progetto. Il primo interesse di questo studio è quello di realizzare un set-up sperimentale in grado di consentire il corretto svolgimento di prove di trazione monoassiale e lap-shear tramite l’utilizzo della stessa macchina di prova. È stato dunque definito un protocollo di caratterizzazione che consentisse l’ottenimento di curve forza-spostamento e sforzo-tempo il più corrette possibili, insieme a valori di sforzo di adesione per ciascuna colla e adesivo chirurgico, calcolati tramite il rapporto fra la forza massima raggiunta all’interno di ciascuna prova e la rispettiva area di contatto. In particolare, le colle chirurgiche impiegate sono state BioGlue®(CryoLife, Inc., Kennesaw, USA), colla a base di cianoacrilato (Super Attak®, Loctite Corporation, Düsseldorf, Germany), Tisseel®(Baxter Healthcare, Zurich, Switzerland) e Floseal®(Baxter Healthcare, Zurich, Switzerland). Per queste il valore di sforzo di adesione medio ottenuto per le prove di trazione monoassiale è di 0.24 ± 0.04 kPa, 0.13 ± 0.04 kPa, 0.19 ± 0.04 kPa e 0.11 ± 0.02 kPa, mentre per le prove di lap-shear i valori ottenuti risultano rispettivamente 0.11 ± 0.05 kPa, 0.16 ± 0.03 kPa, 0.05 ± 0.02 kPa e 0.08 ± 0.03 kPa. Allo stesso modo, gli adesivi chirurgici studiati sono stati TachoSil®(Corza Health, San Diego, USA), Hemopatch®(Baxter Healthcare, Zurich, Switzerland), Tabotamp Emostatico®(Ethicon SARL, Neuchâtel, Switzerland) e Tabotamp FibrillarTM(Ethicon, Inc., San Lorenzo, Puerto Rico). I valori di sforzo medio di adesione ottenuti durante le prove di trazione monoassiale risultano rispettivamente 0.10 ± 0.04 kPa, 0.16 ± 0.02 kPa, 0.44 ± 0.05 kPa e 0.37 ± 0.06 kPa. Le prove di lap-shear ad essi associate hanno invece restituito valori di sforzo medio di adesione pari a 0.04 ± 0.02 kPa, 0.17 ± 0.07 kPa, 0.40 ± 0.11 kPa e 0.17 ± 0.07 kPa. Da tali risultati, emerge come Tabotamp Emostatico mostri la maggior resistenza meccanica sia nelle prove di trazione monoassiale che di lap-shear. D’altra parte, fra le colle chirurgiche analizzate BioGlue e Cianoacrilato hanno mostrato una miglior capacità adesiva al tessuto pancreatico. In particolare, BioGlue presenta maggior resistenza meccanica nelle prove di trazione monoassiale, Cianoacrilato nelle prove di lap-shear.