Pancreatic phantom for surgical training: analysis of the main mechanical properties of hydrogels and synthetic materials as possible candidates

The main complication of the pancreatic surgery is the opening of the Post-Operative Pancreatic Fistula (POPF), mainly related to the challenging anastomoses in case of a soft parenchyma. To reduce its occurrence, the clinicians require a synthetic phantom, which replicates as closely as possible the mechanical properties of the pancreas, on which they can train innovative surgical techniques. With this aim, a collaboration between Politecnico di Milano and Humanitas University was established. This study firstly wanted to extend the existing mechanical characterization of the pancreas finding an elastic modulus (E) of 2.361  1.349 kPa. The obtained results were used to evaluate the correlation between the clinical and the quantitative data. Secondly, this work concerned the investigation of the main mechanical properties of two classes of materials candidate for the production of the final phantom: the room-temperature vulcanizing (RTV) silicones and the gellan gum. The results proved that, with very low concentrations of material in solution, such as 0.5% and 1%, the gellan gum can reach values of the elastic modulus particularly close to that of the pancreas. The main drawback of this material is its impossibility to be sutured, which is a fundamental requirement of the desired product. On the other hand, the silicones can reach low values of the elastic modulus by adding different quantities of a specific softener. What has been observed was that, increasing the quantity of softener used, the elastic modulus decreased but the final samples appeared sticky, and this, often, prevented the possibility to suture them. Among the formulations which exhibited a Young modulus in the order of the pancreatic one and the possibility of being sutured, the best candidate for the final aim of the project is the Ecoflex 00-20 with the 33.3% of Slacker, the manufacturer’s softener (Smooth On Inc, Macungie, Pennsylvania, USA). With respect to the pancreas, this silicone exhibits a slightly higher elastic modulus of 9.120  2.818 kPa. However, it has been considered by surgeons as that which better mimics the pancreatic parenchyma from a tactile sensation and the behaviour at suturing. In addition, the results obtained from the tensile tests conducted on sutured samples, reported a value of the stress at failure (σ_uts) of 14.913 ± 2.413 kPa, proving its similar behaviour to the reference, a porcine pancreas, which reached a value of 18.510 ± 6.754 kPa. This study provided a valid candidate material which has been used to produce the first prototype of the pancreatic phantom.

La principale complicanza della chirurgia pancreatica è lo sviluppo della fistola pancreatica post-operatoria (POPF), principalmente dovuta alle difficili anastomosi in caso di parenchima soft. Per ridurne l’incidenza, i clinici necessitano un phantom sintetico, che replichi il più possibile le proprietà meccaniche del pancreas, su cui possano provare tecniche chirurgiche innovative. Con questo scopo, è nata una collaborazione tra il Politecnico di Milano e l’Humanitas University. Questo studio, in primo luogo, ha voluto estendere l’esistente caratterizzazione meccanica del pancreas determinando un modulo elastico (E) di 2.361  1.349 kPa. I risultati ottenuti sono stati usati per valutare la correlazione tra i dati clinici e quelli quantitativi. In secondo luogo, questo lavoro si è occupato di investigare le principali proprietà meccaniche di due classi di materiali candidati per la produzione del phantom finale: i siliconi RTV (Room-Temperature Vulcanizing) e la gellan gum. I risultati hanno dimostrato che, con concentrazioni molto basse di materiale in soluzione, come 0.5% e 1%, la gellan gum può raggiungere valori del modulo elastico molto vicini a quello del pancreas. Il principale svantaggio di questo materiale è la sua impossibilità ad essere suturata, requisito fondamentale del prodotto desiderato. D’altra parte, i siliconi possono raggiungere bassi valori del modulo elastico aggiungendo diverse quantità di uno specifico additivo. È stato osservato come, aumentando la quantità di additivo usata, il modulo elastico diminuiva, ma i campioni finali apparivano appiccicosi e questo, spesso, impediva la possibilità di suturarli. Tra le formulazioni che presentavano un modulo di Young nell’ordine di quello pancreatico e la possibilità di essere suturati, il miglior candidato per l’biettivo finale del progetto è l’Ecoflex 00-20 con il 33.3% di Slacker, l’additivo specifico (Smooth On Inc, Macungie, Pennsylvania, USA). Rispetto al pancreas, questo silicone presenta un modulo elastico leggermente più alto di 9.120  2.818 kPa. Tuttavia, è stato considerato dai chirurghi come quello che, da una sensazione tattile e dal comportamento alla sutura, meglio imita il parenchima pancreatico. Inoltre, i risultati ottenuti dai test a trazione condotti su dei provini suturati, hanno riportato un valore di stress a rottura (σ_uts) di 14.913 ± 2.413 kPa, provando il suo comportamento simile a quello del campione di riferimento, un pancreas porcino, che ha raggiunto un valore di 18.510 ± 6.754 kPa. Questo studio ha fornito un valido materiale candidato che è stato usato per produrre il primo prototipo del phantom pancreatico.