Gli scienziati dell’EPFL hanno pubblicato il primo studio sulla meccanica dei nodi chirurgici. I risultati potrebbero essere utilizzati per addestrare i chirurghi a produrre suture più resistenti e sicure, un’abilità che generalmente richiede anni di pratica per essere padroneggiata.
Pensate all’ultima volta che avete legato i lacci delle scarpe: potreste averli stretti o aver fatto diversi nodi per assicurarvi che non si disfino. Probabilmente avete usato il vostro intuito per capire quanta tensione esercitare per evitare che i lacci si slacciassero, senza tirare troppo forte per non romperli.
Può sorprendere, ma anche i chirurghi hanno un approccio intuitivo alla sutura. Sebbene in chirurgia si usino spesso nodi semplici, quadrati e scorrevoli, ci vogliono anni per imparare a farli stare al loro posto senza che si allentino o si rompano. La topologia e la geometria dei nodi sono state oggetto di molte ricerche matematiche, ma poco si sa della meccanica dei nodi nel contesto delle variabili fisiche, come le proprietà materiali dei filamenti annodati.
"È incredibile pensare che ci affidiamo ai nodi quando non capiamo veramente come funzionano", spiega Pedro Reis, responsabile del Flexible Structures Laboratory della Facoltà di Ingegneria (Istituto di Ingegneria Meccanica). Pedro Reis e il dottorando Paul Johanns hanno collaborato con la chirurga plastica Samia Guerid di Losanna per condurre un primo studio fisico - recentemente pubblicato su Science Advances - sulla meccanica dei nodi chirurgici e sulle proprietà esatte che ne influenzano la resistenza.
"La comprensione della meccanica dei nodi chirurgici può attirare l’attenzione di chirurghi esperti, essere incorporata nei programmi di formazione e far progredire la chirurgia robotica consentendo capacità di annodamento più efficienti", afferma Samia Guerid. "Queste conoscenze potrebbero anche influenzare lo sviluppo di materiali di sutura che migliorino la resistenza allo scivolamento nei nodi di scivolamento".
Il potere della plasticità
Pedro Reis, appassionato di arrampicata, ha un interesse personale per la sicurezza dei nodi e ha già condotto diversi studi sulla meccanica dei nodi. Spiega che la maggior parte dei nodi può essere descritta come strutture libere che forniscono una forza di tenuta, la cui funzionalità è dettata dalle variabili di topologia, geometria, elasticità, contatto e attrito. Ma per lo studio dei nodi chirurgici, Pedro Reis e i suoi colleghi hanno preso in considerazione un sesto fattore chiave: la plasticità del polimero del filamento della sutura.
La resistenza delle suture in filamenti di polipropilene utilizzate in chirurgia dipende dalla tensione esercitata al momento della realizzazione del nodo (pre-tensione). Questa pre-tensione deforma o allunga permanentemente il filamento, creando una forza di tenuta. Una tensione insufficiente provoca lo scioglimento del nodo, mentre una tensione eccessiva rompe il filamento.
Il team ha analizzato da 50 a 100 nodi fatti da Samia Guerid e ha scoperto che, grazie alla sua esperienza pluriennale, il chirurgo era in grado di individuare intuitivamente il punto di pretensione ideale. Utilizzando esperimenti di precisione, tomografia computerizzata a raggi X e simulazioni al computer, gli scienziati hanno definito una soglia tra nodi "sciolti" e "stretti" e hanno scoperto legami tra la forza del nodo e la pretensione, l’attrito e il numero di giri.
"Sorprendentemente, nonostante la complessa interazione tra i sei fattori, abbiamo osservato un comportamento emergente semplice e robusto rispetto alla resistenza del nodo. Ma non abbiamo ancora un modello predittivo per spiegare completamente il legame tra pretensione e resistenza del nodo, che sembra coerente anche al di fuori dei nodi chirurgici. Stiamo già pensando a questa domanda".
Uno strumento di formazione per chirurghi... e robot
Le scoperte del team potrebbero rivelarsi preziose per la formazione dei chirurghi, in quanto potrebbero essere utilizzate per definire linee guida pratiche basate sui parametri di un nodo sicuro. Sebbene l’esperienza rimanga importante, l’idea è quella di insegnare l’annodamento sicuro utilizzando modelli predittivi, piuttosto che affidarsi all’intuizione acquisita solo dopo anni di pratica.
"I nostri dati ci permettono di determinare la pretensione e il numero di giri ideali, ad esempio, a seconda del tipo di filamento utilizzato", spiega Pedro Reis.
"La mancanza di un’analisi basata sulla fisica è stata una limitazione", afferma Samia Guerid. "Dati quantificabili sulla meccanica dei nodi potrebbero essere incorporati nei programmi di formazione per valutare la resistenza alla trazione di ciascun nodo e garantire che i tirocinanti acquisiscano le competenze necessarie per un intervento chirurgico di successo. Questi dati potrebbero anche supportare lo sviluppo della chirurgia robotica attraverso la programmazione dei sistemi robotici".
