Для многих больных раком молочной железы путь к выздоровлению может представлять скрытые осложнения, связанные с реконструкцией груди после мастэктомии.

Установка инородных материалов, таких как силиконовые грудные имплантаты, может привести к неправильному расположению имплантатов - состоянию, которое поражает значительное число пациентов даже спустя годы после операции.

Теперь исследователи из Пенсильванского университета использовали принципы техники вырезания из бумаги, известной как киригами, для безопасного и более надежного покрытия имплантатов при одновременном использовании меньшего количества материала.

Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials под руководством Шу Яна из Школы инженерии и прикладных наук, описывает, как использование методов проектирования киригами и компьютерного моделирования обеспечивает повышенную гибкость и расширяемость, предоставляя хирургам более простой в использовании растягивающийся материал, который может лучше обволакивать имплантаты, тем самым снижая риск неправильного позиционирования..

"Мы взяли материалы, которые в настоящее время используются в операционных для реконструкции груди, и устранили два основных недостатка, используя конструкции киригами", - говорит Янг, старший автор статьи. "Наша методика позволяет реконструированной груди более надежно принимать более естественную форму и может существенно снизить затраты, связанные с этими операциями".

После серии бесед с Сухайлом Канчвалой, пластическим хирургом и профессором хирургии Медицинской школы Перельмана, исследователи начали изучать новые возможности современного материала для упаковки грудных имплантатов, называемого бесклеточными дермальными матрицами (ADMs). Это разновидность хирургической сетки, которую обычно получают из кожи человека или животного. Клетки удаляются, но поддерживающие сети — структурные белки, такие как коллаген, наряду с другими компонентами внеклеточного матрикса — остаются на месте, способствуя восстановлению местного кровоснабжения и регенерации клеток кожи. Благодаря отсутствию клеток и обилию элементов, похожих на каркасы, АДМ завоевали популярность благодаря своей способности минимизировать реакцию иммунной системы на инородные объекты и обеспечивать лучшую поддержку имплантатов.

Исследователи подозревали, что листы ADM могут быть изменены уникальным способом для решения проблемы, связанной с современными грудными имплантатами.

"Проблема при реконструкции груди заключается в том, что изготовленные имплантаты круглые, что неэффективно имитирует более каплевидную форму натуральной груди", - говорит Канчвала. "Итак, наш проект хотел найти способ поместить круглые имплантаты под листы ADM таким образом, чтобы реконструированная грудь приобрела более естественную каплевидную форму".

Кроме того, листы ADM в их нынешних конфигурациях не могут надлежащим образом обернуться вокруг имплантатов, поскольку они не сохраняют изгибы и углы без образования морщин или пустот. Это может сделать имплантат склонным к смещению с места и привести к неправильному расположению. Реакция производителей на эти ограничения включала в себя нанесение круглых отверстий на листы ADM или вырезание определенных участков с последующей прошивкой для эффективного покрытия большей площади поверхности.

Янг и соавтор Рэндалл Камиен, профессор кафедры физики и астрономии в Школе искусств и наук, ранее показали, что правильно расположенные разрезы могут превращать жесткие двумерные плоские листы в легко расширяемые и податливые трехмерные геометрические формы, которые могут имитировать контуры сложных структур, таких как человеческие лица или горные хребты.

Основной принцип этой стратегии, основанной на киригами, заключается в том, что использование этих небольших разрезов разделяет материал на вращающиеся блоки высокой плотности, которые могут свободно принимать форму многоуровневой структуры. Но в этой последней работе команде нужно было создать способ имитировать грудь, структуры, лишенные формы, обеспечиваемой мускулатурой и костями.

"Обычно, когда вы делаете пересадку кожи, есть мышца или кость, которые направляют преобразование ткани", - говорит Камьен. "Таким образом, преодоление этой проблемы и поиск нового и улучшенного способа воссоздания ткани из строительного материала были особенно захватывающими".

Это было сделано путем отображения топографии имплантата, аналогично тому, как картографы наносят вершины и долины горной местности на двумерную страницу.

Исследователи начали с трехмерной компьютерной модели груди, а затем выложили равноудаленные горизонтальные срезы, образующие вертикальные слои, или ярусы, которые они использовали для определения контурных линий. Затем команда проанализировала контуры и сгенерировала алгоритмы для определения оптимальных мест и углов надреза, чтобы их лазерный резак мог прорезать лист ADM. Эти характерные разрезы позволяют листу расширяться и надежно натягиваться на имплантат.

Команда успешно продемонстрировала эту новую технику, основанную на киригами, на макете операции, в которой лист ADM был пришит к грудной пластине хирургического манекена, а силиконовый имплантат вставлен между грудной клеткой и листом. Они были рады подтвердить, что их метод использует в среднем на 20-40% меньше материала, а также обеспечивает более высокую степень настраиваемости формы реконструированной груди. Исследователи полагают, что со временем эти вырезанные киригами листы ADM способны стать специфичными для конкретного пациента.

"Если у пациентки левосторонний рак молочной железы и левосторонняя мастэктомия, вы можете просканировать правую грудь и создать дизайн киригами, который очень точно имитировал бы естественную грудь этой пациентки", - говорит Канчвала. "Мы еще не достигли этого, но возможности захватывающие".