Análise fotoelástica de parafuso de sistema de fixação vertebral

Resumos

INTRODUCTION: The photoelasticity is used for assessing the tensions/deformations involved in photoelastic materials when submitted to a given load by the observation of optical effects. The screw performance and mechanical functions are directly associated to the quality of the screws fixation in the vertebrae. Photoelasticity is an important tool to perform comparative studies of this nature OBJECTIVE: The aim of this study was to compare, by using photoelasticity, internal stresses produced by the screw with an external diameter of 6 mm, when submitted to two different pullout strengths. MATERIALS AND METHODS: For this, four photoelastic models were produced. The simulation was conducted by using two pullout strengths: 0.75 and 1.50 kgf. The maximum shear stresses were calculated on 19 points around the screws, using the Tardy compensation method. RESULTS: The values of maximum shear stress were higher with the load of 1.50 kgf. CONCLUSION: Thus, the screw will be more susceptible to pullout when heavier loads are applied. According to our analysis, we also found that the site with the highest maximum shear stress was found to be at the peak of creast, particularly near the tips of the screws, regardless of the load employed.

Biomechanics; Screw; Resin

ARTIGO ORIGINAL

Análise fotoelástica de parafuso de sistema de fixação vertebral

Sarah Fakher Fakhouri^I; Dayana Pousa Paiva de Siqueira^I; Cleudmar Amaral de Araújo^II; Helton Luiz Aparecido Defino^I; Antônio Carlos Shimano^I

^IDepartamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto - (USP) Universidade de São Paulo

^IIDepartamento de Projetos Mecânicos da Faculdade de Engenharia Mecânica - (UFU) Universidade Federal de Uberlândia

^{Endereço de Correspondência}

RESUMO

INTRODUÇÃO: A fotoelasticidade é utilizada para avaliar as tensões/deformações produzidas nos materiais fotoelásticos, quando submetidos a determinado carregamento, através da observação de efeitos óticos. O desempenho do parafuso e as funções mecânicas estão diretamente relacionados com a qualidade da fixação dos parafusos nas vértebras. A fotoelasticidade é uma ferramenta importante para realizar estudos comparativos desta natureza.

OBJETIVO: O objetivo deste estudo foi comparar por meio da fotoelasticidade, as tensões internas produzidas pelo parafuso com 6 mm de diâmetro externo, quando submetido a duas diferentes forças de arrancamento.

MATERIAIS E MÉTODOS: Para isso, foram confeccionados quatro modelos fotoelásticos. A simulação foi realizada utilizando duas forças de arrancamento 0,75 e 1,50 kgf. As tensões cisalhantes foram calculadas nos 19 pontos em torno dos parafusos, utilizando o método de compensação de Tardy.

RESULTADOS: Os valores das tensões cisalhantes foram maiores quando utilizada a força de arrancamento de 1,50 kgf.

CONCLUSÃO: Assim sendo, o parafuso estará mais suscetível ao arrancamento com a aplicação de força de maior intensidade. De acordo com as análises realizadas verificamos também que o local de maior tensão cisalhante foi observado no pico das cristas, principalmente próxima às pontas dos parafusos, independente da força utilizada.

Descritores: Biomecânica. Parafuso. Resina

INTRODUÇÃO

A fotoelasticidade é uma técnica experimental utilizada para avaliar as tensões e a sua distribuição nos sistemas estruturais.¹ Esta técnica permite uma rápida análise qualitativa e quantitativa do estado de tensões internas dos materiais, por meio da observação dos efeitos óticos da luz polarizada sob ação de tensões e deformações em modelos fotoelásticos, elásticos e transparentes. A quantidade de deformação resultante de uma força pode ser avaliada comparando as tensões observadas com a área livre de tensão.^2,3 Com esta técnica é possível realizar estudos utilizando modelos com formas geométricas e distribuição complexas de forças ou ambas.^4-6

Os sistemas de fixação vertebral têm sido amplamente utilizados no tratamento das doenças traumáticas, degenerativas, tumorais e nas deformidades da coluna vertebral.^7-9 O parafuso é um dos elementos de ancoragem dos sistemas de fixação vertebral, onde o desempenho e, as propriedades das funções mecânicas desses sistemas estão diretamente relacionadas com a qualidade da fixação dos parafusos nas vértebras.^10-12

Os parafusos do sistema de fixação vertebral estão submetidos de modo geral a momento de forças de flexão, cisalhamento e arrancamento. A aplicação das forças de arrancamento sobre os parafusos produz tensão ao redor dos implantes.^13,14

A falha na estabilidade do sistema de fixação vertebral pode estar relacionada com a falha mecânica do implante ou falha na interface entre o tecido ósseo e o implante com aplicação da força de arrancamento que envolve os parafusos, causando a instabilidade do sistema.¹¹ Nesse caso, a técnica da fotoelasticidade é uma ferramenta importante para realizar estudos comparativos desta natureza.

Portanto, o objetivo deste estudo foi observar, analisar e comparar por meio da técnica da fotoelasticidade, as tensões internas produzidas pelo parafuso com 6 mm de diâmetro externo utilizado no sistema de fixação vertebral, quando submetido a duas diferentes intensidades forças de arrancamento.

MATERIAIS E MÉTODOS

Foram utilizados 4 parafusos de aço inoxidável com 6 mm de diâmetro externo e 50 mm de comprimento, utilizado no sistema de fixação vertebral USS (Synthes^®). (Figura 1)

Os modelos fotoelásticos foram confeccionados com resina epóxi fotoelástica flexível (Polipox^®), utilizando a proporção de 2,2 ml de resina e 1,0 ml de catalisador (base de amina). O modelo finalizado tinha a forma de tetraedro que possuía 12 mm de espessura, 58 mm de largura e 50 mm de comprimento. (Figura 2) Foram confeccionados 4 modelos fotoelásticos para o estudo.

Os parafusos foram inseridos nos modelos fotoelásticos durante a colocação da resina no molde, tendo sido padronizado a profundidade de inserção de 30 mm. Para a confecção dos modelos foi utilizado um molde padrão de acrílico, que permitia a reprodutibilidade das dimensões.

Todos os modelos fotoelásticos utilizados no estudo foram submetidos a avaliação da presença de tensão residual, denominada efeito de borda, antes da aplicação da força de arrancamento sobre o parafuso. Foram utilizados no estudo apenas os modelos fotoelásticos que não apresentaram tensões residuais.

A calibração da resina fotoelástica foi realizada por meio de um disco circular sob a carga compressiva onde a constante ótica obtida foi de 0,21 N/mm franja. Este valor da constante ótica foi utilizado para calcular as tensões cisalhantes.

Análise Fotoelástica

A análise fotoelástica foi realizada em um polariscópio de transmissão (Figura 3) por meio da aplicação de uma força de arrancamento, na cabeça dos parafusos, inseridos nos modelos fotoelásticos. As tensões produzidas pelos parafusos foram avaliadas de modo qualitativo e quantitativo.

Análise Qualitativa

Para a análise qualitativa das tensões foi observada a distribuição das tensões ao redor dos parafusos (local de início, tipo de crescimento e ponto de maior concentração).

Análise Quantitativa

Para a análise quantitativa das tensões cisalhantes foi utilizada uma força de 0,75 e 1,50 kgf, registrada por meio da utilização de célula de carga da marca Kratos^®, com capacidade de 50 kgf. Nessa análise foram observadas as tensões internas, através das ordens de franja de cada modelo fotoelástico, nos quais foram avaliadas as tensões cisalhantes de modo padronizado, ao longo do corpo do parafuso. Foram selecionados 19 pontos sendo sua distribuição ilustrada na Figura 4.

O cálculo da tensão cisalhante máxima (τ_max) ao redor do parafuso foi realizado, utilizando o método de compensação de Tardy¹⁵, apresentada pela fórmula:

Na qual: (ƒ) corresponde a constante ótica do modelo, (N) ordem de franja e (h) espessura do modelo.

Para análise dos resultados foi utilizado o método da Análise de Variância (ANOVA) Multifatorial, sendo as variáveis: o Parafuso (com 2 níveis) e os Pontos analisados (com 19 níveis) a fim de verificar o comportamento dos dados. Para a análise comparativa entre os grupos experimentais foi utilizado o método post hoc de Bonferroni. Em todas as análises foi adotado o nível de significância de 5 % (p < 0.05).

RESULTADOS

Análise Qualitativa

Na análise qualitativa foram observadas as ordens de franjas ao longo das cristas dos parafusos de todos os modelos fotoelásticos. Foi observado que em todos os modelos, o local de início das ordens de franja e o ponto de maior concentração estavam localizados na ponta dos parafusos, crescendo de forma helicoidal.

Análise Quantitativa

Nesta análise, foram calculadas as tensões cisalhantes nos 19 pontos de todos os modelos fotoelásticos. Os valores das médias das tensões cisalhantes dos parafusos estão apresentados na Tabela 1. Para força de arrancamento de 0,75 kgf, a média geral e o desvio padrão da tensão cisalhante foram de (9,20 ± 3,12) KPa e para a força de arrancamento de 1,50 kgf a média e o desvio padrão da tensão cisalhante do parafuso foram de (15,67 ± 4,52) KPa. (Figura 5) Na comparação entre as médias das tensões cisalhantes para as duas cargas foi verificado que houve diferença estatística significativa (p < 0,001).

DISCUSSÃO

A fotoelasticidade é utilizada na área de Ortopedia e Traumatologia, com diversos artigos publicados, porém não encontramos relatos científicos utilizando esta técnica em análises de componentes dos sistemas de fixação vertebral.

A técnica da fotoelasticidade utilizada neste trabalho foi capaz de avaliar de maneira qualitativa e quantitativa¹⁶ as tensões internas promovidas pelo parafuso. O objetivo da análise quantitativa das ordens de franjas foi determinar os valores numéricos das tensões cisalhantes, principalmente nos pontos mais críticos do modelo.^5,17,18

Os parafusos fundidos diretamente nos modelos fotoelásticos sugerem uma simulação de um parafuso submetido por um período pós-cirúrgico crônico como utilizado na prática clínica.

A inserção do parafuso no modelo foi limitada em 30 mm, e isso foi realizado para que não houvesse a influência da cabeça do parafuso tornando os modelos mais padronizados para a realização das análises fotoelásticas. Esta limitação na inserção do parafuso no modelo ocorreu também para simular igualmente os modelos utilizados por Defino et al.¹⁹, nos quais realizaram ensaios mecânicos de arrancamento de parafuso fixados na face lateral de corpos vertebrais lombares de suínos. Para estes modelos os autores limitaram em 30 mm a inserção do parafuso a fim de não ultrapassar a cortical oposta do corpo vertebral.

A análise qualitativa, na técnica da fotoelasticidade, é uma rápida análise do estado de tensão, através da observação dos efeitos óticos nos modelos fotoelásticos^5,18. Neste trabalho conseguimos visualizar também, de maneira rápida e eficiente os locais de maiores tensões cisalhantes em torno dos parafusos. Em uma análise geral observamos que as ordens de franjas começavam a crescer nas pontas dos parafusos e a distribuição das franjas acompanhava as formas helicoidais das roscas dos parafusos, principalmente nas cristas das roscas. O local de maior ordem de franja foi sempre observado nos primeiros filetes de rosca a partir da ponta do parafuso.

Na análise quantitativa quando na utilização de duas diferentes forças de arrancamento, verificamos que no corpo do parafuso, independente da força aplicada, os maiores valores de tensões cisalhantes foram observados na região próxima as pontas e nos picos das cristas das roscas dos parafusos. Observamos também que com o aumento da força de arrancamento consequentemente, houve um aumento das ordens de franja, com isto a tensão cisalhante também aumentou. Este aumento da tensão cisalhante máxima provavelmente torna a região em torno do parafuso mais crítico, sendo mais propenso à soltura.

Os resultados observados em nosso estudo mostraram que a maior concentração das tensões geradas nos parafusos com a aplicação de forças de arrancamento ocorreram na sua extremidade. No entanto, em estudos de ensaios de arrancamento, que representam outra modalidade de estudo, mas que também estudam esse fenômeno, foi observado que o diâmetro do orifício piloto próximo à cabeça do parafuso representava o ponto de maior importância na sua ancoragem²⁰. Com esses estudos os autores sugerem que o ponto de entrada do parafuso deve ser o mais preciso e justo possível. A comparação e a análise dos nossos resultados com o relato de Daftari et al.²⁰ contribuem para a elaboração de novos estudos para elucidar se a ponta do parafuso é a sua parte que apenas gera as tensões iniciais de maior intensidade ou seria também a parte que mais resistiria à aplicação das tensões, desde que o diâmetro do orifício piloto fosse homogêneo em toda a sua extensão.

CONCLUSÕES

Foi observado em todos os modelos, que o local de início das ordens de franja e o ponto de maior concentração de tensão estavam localizados na ponta dos parafusos, crescendo de forma helicoidal, de acordo com o formato do parafuso. Com o aumento da força de arrancamento, as tensões cisalhantes se tornaram mais críticas, com isto há um aumento da tendência à soltura do parafuso.

AGRADECIMENTOS

Trabalho realizado com apoio da FAPESP e CAPES.

Trabalho recebido em 05/11/07

aprovado em 09/01/08

Todos os autores declaram não haver nenhum potencial conflito de interesses referente a este artigo.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  11 Set 2009
• Data do Fascículo
  2009

Histórico

• Aceito
  09 Jan 2008
• Recebido
  05 Nov 2007