Análise comparativa das propriedades mecânicas do ligamento da patela e do tendão calcâneo

Resumos

Traction tests were performed in specimens obtained from 25 human cadavers, with the purpose of comparing the mechanical properties of the patellar ligament and the calcaneus tendon. Age range of donors was 58 ± 14 years (33-85). There were 19 (76%) males and 6 (24%) females; 23 whites (92%) and 2 blacks (8%). The 10-mm central portion of the specimens was tested at a load application rate level of 30 mm/min. The cross-sectional area of the specimens was obtained so that their structural and material properties could be studied. The following variables were studied: ultimate load (N), stress (MPa), elasticity modulus (Mpa), energy (Nm), absolute (mm) and specific strain (%), yield point (N), yield point stress (MPa). Statistical analysis revealed that both the patellar ligament and the calcaneus tendon, the ultimate load, proportionality limits and ultimate stress, were similar (p>0.05). The other variables showed significant differences (p<0.05). Energy and strain values were higher in the calcaneus tendon. The elasticity modulus, significantly higher in the patellar ligament (p< 0.05) was the variable that best characterized the mechanical behavior of both materials.

Biomechanics; Patellar ligament; Achilles tendon

ARTIGO ORIGINAL

Análise comparativa das propriedades mecânicas do ligamento da patela e do tendão calcâneo

Sérgio Swain Müller^I; Paulo Roberto de Almeida Silvares^I; Hamilton da Rosa Pereira^I; Marcos Augusto de Moraes Silva^I; Trajano Sardenberg^II; Tomaz Puga Leivas^III

^IProfessor Assistente Doutor do Depto de Cirurgia e Ortopedia, FMB - UNESP

^IIProfessor Assistente do Depto de Cirurgia e Ortopedia, FMB - UNESP

^IIIEngenheiro Chefe do Laboratório de Biomecânica (LIM 41), IOT — HC FMUSP

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

Com a finalidade de se comparar as propriedades mecânicas do ligamento da patela e do tendão calcâneo foram realizados ensaios de tração em material obtido de 25 cadáveres humanos. A idade dos doadores foi 58 ± 14 anos (33-85), sendo 19 (76%) masculinos e 6 (24%) femininos, 23 brancos (92%) e dois negros (8%). Os materiais foram testados em seus 10 mm centrais, com velocidade de aplicação de carga de 30 mm/min. Foi obtida a área de secção dos corpos de prova para que fossem estudadas as propriedades estruturais e materiais. Foram estudadas as seguintes variáveis: carga máxima (N), tensão(MPa), módulo de elasticidade (MPa), energia (Nm), alongamento absoluto (mm) e específico (%), limite de proporcionalidade (N), além da tensão (MPa) e alongamentos neste ponto. A análise estatística revelou que ambos possuem carga máxima, limite de proporcionalidade e tensão semelhantes (p>0,05). Nas outras variáveis ocorreu diferença significativa (p<0,05) com o tendão calcâneo apresentando valores maiores para energia e alongamento. O módulo de elasticidade, significativamente maior no ligamento da patela (p<0,05), foi a variável que melhor caracterizou a diferença do comportamento mecânico dos dois materiais.

Descritores: Biomecânica; Ligamento patelar; Tendão do calcâneo.

INTRODUÇÃO

Pode-se considerar que a reconstrução dos ligamentos cruzados do joelho esteja atualmente assimilada e incorporada ao arsenal terapêutico do cirurgião ortopédico. A aceitação das reconstruções tornou-se possível pelos resultados seguros e reprodutíveis das técnicas cirúrgicas que surgiram apoiadas em conhecimentos derivados da pesquisa básica, com destaque na biomecânica dos substitutos.

O sucesso da reconstrução ligamentar é multifatorial e passa pela seleção do substituto com base nas propriedades estruturais e materiais, características de fixação, biocompatibilidade, além do posicionamento, ajuste de tensão do enxerto e reabilitação⁽¹⁶⁾.

Como alternativas para auto e aloenxerto têm sido propostos o ligamento da patela, tendões dos músculos semitendíneo e grácil, fáscia-lata, tendão do músculo quadriceps da coxa e tendão calcâneo.

A análise da literatura em biomecânica a respeito dos substitutos citados permite notar que tem sido pouco estudado o perfil mecânico do tendão calcâneo, embora sua aplicação clinica venha sendo recomendada por diversos autores^{(1, 5, 12, 17, 18)}.

Bowen et al.⁽²⁾, escrevendo sobre reconstrução do ligamento cruzado posterior, afirmou que diversos substitutos já foram testados biomecânicamente, com exceção do tendão calcâneo, mas mesmo assim recomendou sua utilização. Safran⁽¹⁶⁾, afirmou que o tendão calcâneo é o maior e mais resistente tendão do corpo humano, com grande aréa de secção de tecido colágeno, o que o tornaria uma boa escolha para reconstruções. Esta afirmação não está, entretanto, apoiada em nenhuma evidência científica ou citação da literatura. Entendemos que o tendão calcâneo deve ser melhor conhecido do ponto de vista mecânico e também comparado ao ligamento da patela que tem sido bastante utilizado, e considerado por muitos como o melhor substituto dos ligamentos cruzados.

O objetivo da presente investigação é, portanto, estabelecer análise crítica comparativa do perfil mecânico, estrutural e material, do ligamento da patela e do tendão calcâneo.

MATERIAL E MÉTODOS

Utilizaram-se 25 cadáveres humanos com média de 58 ± 14 anos (33 - 85), peso de 60 ± 13 kg (36 - 81) e altura de 1,66 ± 0,09 m (1,48 - 1,83), sendo 19 masculinos (76%) e seis femininos (24%), 23 brancos (92%) e dois negros (8%), dos quais foram obtidos os dois ligamentos da patela, juntamente com porção proximal da tíbia e patela, e os dois tendões calcâneos, juntamente com a fáscia dos músculos gastrocnêmios e o calcâneo, totalizando 100 peças anatômicas.

Imediatamente após a retirada cada peça foi identifica, colocada em saco plástico e estocada em freezer a -20ºC, por período de 1 a 3 meses.

No dia da realização do ensaio, as peças foram retiradas do congelador e mantidas em temperatura ambiente durante 4 horas, cobertas com compressas embebidas em solução isotônica de cloreto de sodio.

Após o descongelamento foram realizadas medições do comprimento, largura e área de secção de cada peça. Para o tendão calcâneo foi adotado como comprimento o valor do ligamento da patela do mesmo cadáver, para que os corpos de prova tivessem o mesmo comprimento.

Na sequência as peças foram fixadas em garras especialmente desenvolvidas para patela, tíbia e partes moles, colocadas na máquina universal de ensaios, e com bisturi de lâminas paralelas (10 mm) foi isolada a porção central. Obteve-se a medida do perímetro , que foi aplicada à formula para cálculo da área de secção do corpo de prova.

Foi utilizada máquina universal de ensaios mecânicos, (marca EMIC, modelo DL 10.000, Brasil), com célula de carga de 5.000 N, e velocidade de aplicação de carga de 30 mm/min.

Antes da realização do ensaio foram informados ao programa o comprimento e área de secção do corpo de prova. O relatório final, além do diagrama carga-alongamento, forneceu os valores das seguintes variáveis: carga máxima, tensão na carga máxima, módulo de elasticidade, energia e energia por área na carga máxima e alongamento absoluto e específico na carga máxima.

Aplicando-se o método gráfico de Johnson⁽⁴⁾, nos diagramas carga-alongamento, obteve-se o limite de proporcionalidade além da tensão e alongamento absoluto e específico neste ponto.

O estudo comparativo de todas as variáveis, nos lados, direito e esquerdo, entre os dois materiais foi realizado pelo teste F de análise de variância de medidas repetidas num único grupo (comparação através de média), complementado com a construção dos intervalos de confiança simultâneos (limites inferior e superior). A discussão do resultado estatístico foi feita ao nível de 5% de significância e os limites do intervalos construídos ao nível de 95% de confiança¹⁴.

RESULTADOS

A Tabela 1 inclui medidas anatômicas e as medidas de carga, tensão, modulo de elasticidade, energia e alongamentos (absoluto e relativo) na ruptura e o limite de proporcionalidade, tensão e alongamentos neste ponto. Há diferença significativa na área de secção das peças inteiras e também dos 10 mm centrais. Observa-se para o ligamento da patela que o isolamento dos 10 mm centrais levou a perda de aproximadamente metade da área de secção, o que indica que a porção central é mais espessa que as periféricas.

A análise estatística mostrou que o comportamento mecânico é semelhante (p>0,05) nos dois materiais quando observamos a carga máxima, tensão, limite de proporcionalidade e tensão neste ponto, o que poderia sugerir que estes materiais são muito semelhantes, mas quando observamos os valores obtidos para o módulo de elasticidade, energia e alongamentos no ponto de ruptura e também no limite de proporcionalidade percebemos que os valores são significativamente maiores (p<0,05) no tendão calcâneo em relação ao ligamento da patela, com exceção do módulo de elasticidade, aproximadamente 3 vezes maior no ligamento da patela. Estas diferenças de comportamento mecânico podem ser melhor observadas na Figura 1 que apresenta as curvas de tensão-alongamento relativo dos dois grupos estudados.

Dos 50 ligamentos da patela testados, 47 (94%) apresentaram ruptura na inserção patelar, 1 (2%) na porção média do ligamento e 2 (4%) em local indeterminado (rupturas complexas). No tendão calcâneo foi observado ruptura na inserção do calcâneo com fragmento ósseo em 18 (36%), desinserção no calcâneo em 3 (6%), 25 (5%) na substância do tendão e 4 (8%) indeterminadas.

DISCUSSÃO

A análise estatística, comparando as diversas propriedades mecânicas do ligamento da patela e do tendão calcâneo, mostra que estes dois materiais têm comportamento bastante distinto. No entanto, observando as comparações para carga máxima, tensão na carga máxima, a carga e tensão no limite de proporcionalidade, poderíamos concluir, erradamente, que os materiais são semelhantes, quando a análise de outros parâmetros mostra que isto não é verdadeiro. Viidik⁽²²⁾, comentando as propriedades mecânicas dos tecidos compostos por colágeno lembrou que a resistência máxima à tração é o valor de menor interesse do ponto de vista funcional, embora seja importante na elucidação das propriedades materiais. Além da carga máxima deve também ser medido o alongamento (deformação) do corpo de prova, que pode ser expresso em valores absolutos ou em porcentagem em relação do comprimento inicial⁽²²⁾.

Os dados obtidos para o ligamento da patela e tendão calcâneo, relativos a módulo de elasticidade, energia na carga máxima, energia por área na carga máxima, alongamento na carga máxima, alongamento específico na carga máxima, alongamento no limite de proporcionalidade e alongamento específico no limite de proporcionalidade mostram que estes dois materiais possuem comportamento mecânico distinto quando submetidos à tração, caracterizados, no caso, por alongamento (deformação) diferentes ainda que com resistência máxima e limite de proporcionalidade semelhantes. Esta diferença de comportamento poderia ser afirmada de outra maneira: o tendão calcâneo tem capacidade de absorver mais energia que o ligamento da patela até o instante da ruptura.

A variável que melhor expressa a distinção de perfis mecânicos dos dois materiais talvez seja o módulo de elasticidade, que é o quociente da tensão convencional pelo alongamento específico num ponto qualquer do trecho elástico do diagrama carga-alongamento, até o limite de proporcionalidade (fase elástica).

Viidik⁽²²⁾ lembrou, entretanto, que este "módulo" não é idêntico ao módulo de elasticidade definido em engenharia e portanto, conclusões a respeito da "elasticidade" de materiais biológicos devem ser entendidas lembrando-se que estes materiais possuem características visco-elásticas não lineares, que incluem certo grau de plasticidade.

Viidik⁽²²⁾ afirmou, também, que a energia necessária para a ruptura tem recebido pouca atenção da maioria dos investigadores, mas deve ser analisada porque é indicativa da capacidade do tecido de resistir à impactos, característica que nem a carga máxima nem o alongamento permitem inferir. Com relação a este ponto é interessante notar a maior capacidade do tendão calcâneo absorver energia, em relação ao ligamento da patela, o que o tornaria, em tese, mais capacitado para resistir a impactos.

A constatação da diferença dos módulos de elasticidade do ligamento da patela e do tendão calcâneo leva ao questionamento dos motivos que poderiam explicar esta discrepância existente em materiais aparentemente semelhantes.

Viidik⁽²¹⁾ afirmou que as características biomecânicas de tecidos complexos são dependentes de sua geometria, composição bioquímica ou de ambos. Chamou a atenção para o termo "complexo" já que nenhum tecido é "simples", isto é formado somente por fibras colágenas paralelas, existindo irregularidades no arranjo das fibras e diferentes quantidades de colágeno, elastina e substância amorfa (proteoglicanos).

Estudando especificamente à configuração geométrica de diferentes materiais e a possível repercussão no comportamento mecânico, Bull⁽³⁾ comparou a resposta à tração do fio de seda natural e de nailon produzido artificialmente e observou que o diagrama carga-alongamento era diferente nos dois materiais, sendo que o fio natural apresentou traçado mais inclinado que o fio artificial e portanto, menor alongamento para uma mesma carga.

Viidik⁽²¹⁾, classificou o comportamento da fibra artificial de histerético, caracterizado pela resposta de um sistema a uma solicitação externa se atrasar em relação ao incremento produzido, que teria como causa o atrito entre as fibras do material sintético além da influência do arranjo geomético.

A principal diferença, que explicaria traçados diferentes, pode estar no fato de um tecido ter a maioria ou totalidade de suas fibras colágenas em paralelo, enquanto em outros apesar de haver uma direção principal das fibras, o alinhamento não é tão paralelo, consumindo-se mais tempo, energia e alongamento até a ruptura^(8,9).

Mesmo não tendo sido objetivo deste trabalho investigar aspectos da macro e microarquitetura do ligamento da patela e do tendão câlcaneo, é possível, pela comparação das propriedades mecânicas, supor que as diferenças encontradas sejam atribuídas à influência da configuração geométrica dos dois materiais, entre outras.

A observação macroscópica do ligamento da patela e do tendão calcâneo permite identificar diferença no arranjo das fibras, que são aparentemente paralelas no ligamento da patela e com aspecto menos regular no tendão calcâneo. Esta diferença de arranjo provalvelmente guarda relação com o aspecto funcional. Enquanto o ligamento da patela encontra-se entre dois ossos (patela e tíbia) e apresenta morfologia bastante regular atuando como transmissor da força gerada pelo quadriceps até a tuberosidade anterior da tíbia na produção da extensão da perna, o tendão calcâneo apresenta inserção óssea distal, mas sua porção proximal vincula-se aos músculos gastrocnêmios. Este tendão transmite força ao calcâneo para a flexão plantar do pé e também se acomoda lateral ou medialmente quando o calcâneo assume posição em varo ou valgo. Atua ainda na absorção de impactos durante a marcha, corrida, salto, etc.

Estruturas com funções e localizações diferentes, além de possíveis diferenças na composição bioquímica, possuem também, comportamento mecânico distinto, caracterizado aqui, pelo módulo de elasticidade, apesar de apresentarem resistência máxima à tração e limite de proporcionalidade semelhantes.

Relevância Clínica

Diversos estudos^(10,19,20) tem analisado o efeito do alongamento do enxerto no instante da fixação. Os resultados não são homogêneos e, enquanto alguns demonstraram influência do pré-tensionamento⁽¹⁰⁾ ou da tensão inicial da fixação⁽²⁰⁾ nas propriedades mecânicas outro estudo⁽¹⁹⁾ não revelou alteração de perfil mecânico do enxerto dependente da tensão inicial na fixação.

Não há, portanto, conclusões definitivas sobre o efeito de tensão inicial na remodelação e propriedades mecânicas futuras do enxerto, mas existem evidências que há predisposição para o fenômeno de escoamento (creep) que aparenta ter potencial para produzir frouxidão do enxerto, dependendo da tensão exercida⁽⁶⁽.

Apesar de não ser objetivo deste trabalho concluir que o ligamento da patela ou tendão calcâneo seja o material mais adequado para substituição dos ligamentos cruzados, a análise comparativa dos resultados obtidos leva a algumas reflexões a respeito das possíveis repercussões clínicas dos resultados obtidos.

Pela análise de estudos prévios^(11,15) pode-se perceber que as propriedades mecânicas, carga máxima e limite de proporcionalidade, do ligamento da patela e do tendão calcâneo no presente estudo, são compatíveis com a utilização como substitutos dos ligamentos cruzados.

Ocorre, porém, que estes atributos não são os mais importantes na caracterização do perfil mecânico⁽²²⁾ e temos que considerar também, que após o implante, os enxertos passam por processo de necrose com perda considerável da resistência inicial^(7,13). Apesar destas evidências serem provenientes de estudos em animais, pode-se supor que o mesmo ocorra em seres humanos, embora não seja conhecido com exatidão o tempo necessário para o retorno às propriedades mecânicas originais e nem mesmo se isto ocorre integralmente, após o processo de revascularização e remodelação do enxerto. De qualquer maneira parece razoável admitir que quanto maior a resistência inicial do substituto, em relação aos ligamentos cruzados, maior a chance de êxito, já que alguma perda é inevitável.

Em relação aos parâmetros em que ocorreram diferenças significativas entre o ligamento da patela e o tendão calcâneo a questão é ainda mais complexa.

Como foi mostrado, o tendão calcâneo absorve mais energia e alonga-se mais que o ligamento da patela, comportamento resumido pela diferença existente no módulo de elasticidade. Este comportamento do tendão calcâneo demonstra, teoricamente, que este material seria mais capacitado na resistência à impactos⁽²²⁾. E preciso lembrar, entretanto, que os resultados foram obtidos in vitro, e não se sabe se estas características serão mantidas após a adaptação do enxerto ao ambiente intra-articular.

Além das características mecânicas, tem recebido atenção, o papel que a tensão com que o enxerto é fixado tem no processo de remodelação.

É possível supor que dependendo do módulo de elasticidade do substituto, sejam necessárias aplicações de diferentes tensões, não só para obtenção de estabilidade objetiva no instante da fixação, mas também em relação ao comportamento mecânico futuro do enxerto.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o professor Carlos R. Padovani pelo auxilio nas análises estatísticas.

Trabalho recebido em 08/08/2003.

Aprovado em 23/04/2004.

Trabalho realizado no Departamento de Cirurgia e Ortopedia e Laboratório de Cirurgia Experimental da Faculdade de Medicina de Botucatu (FMB - UNESP)

• 1. Andrews M, Noyes FR, Barber Westin SD: Anterior cruciate ligament allograft reconstruction in the skeletally immature athlete. Am. J. Sports Med 22:48-54, 1994
• 2. Bowen MK, Warren RF, Cooper DE: Posterior cruciate ligament and related injuries in surgery of the knee, in Insall JN ( ed.): Surgery of de knee. New York, C. Livingstone, 1993, pp505-554
• 3. Bull HB. Protein structure and elasticity. in: Remington, JVV. Tissue elasticity. Waverly Press, Washington, 1957, pp33-42
• 4. Chiaverini V: Resistência à tração e resistência à compressão, in: Chiaverini V: Tecnologia Mecânica. Rio de Janeiro, Mcgraw-Hill, 1986, pp 93-117
• 5. Covey DC, Sapega AA, Martin RC: Arthroscope-assisted allograft reconstruction of the posterior cruciate ligament: technique and biomechanical considerations. J. Orthop. Tech 1: 91-97, 1993
• 6. Frank CB, Jackson DW: The science of reconstruction of the anterior cruciate ligament. J. Bone Joint Surg 79 [Am]: 1556-1576, 1997
• 7. Fu FH, Jackson DW, Jamison J, et al: Allograft reconstruction of the anterior cruciate ligament, in Arnoczky SP, Woo SLY, Frank CB, et al (eds): The Anterior Cruciate Ligament. Current and Future Concepts. New York, Raven Press, 1993 pp 325-338
• 8. Fung YCB: Elasticity of soft tissues in simple elongation. Am. J. Physiol 213: 1532-1544, 1967
• 9. Fung YCB: Stress-strain-history relations of soft tissues in simple elongation, in Fung YCB, Perrone N, Anlike M (eds): Biomechanics:its Foundation and Objectives. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1972, pp181-208
• 10. Howard ME, Cawley PW, Losse GM, et al: Bone-patellar tendon-bone grafts for anterior cruciate ligament reconstruction: the effects of graft pretensioning. Arthroscopy 12: 287-292, 1996
• 11. Kennedy JC, Hawkins RJ, Willis RB et al: Tension studies of human knee ligaments. Yield point, ultimate failure and disruption of the cruciate ligaments and tibial collateral ligaments. J. Bone Joint Surg 58 [Am]: 350-355, 1976
• 12. Levitt RL, Malinin T, Posada A, et al.: Reconstruction of anterior cruciate ligaments with bone-patellar tendon-bone and Achilles tendon allografts. Clin. Orthop 303: 67-78, 1994
• 13. McFarland EG, Morrey BF, An KN, et al: The relationship of vascularity and water content to tensile strength in a patellar tendon replacement of the anterior cruciate in dogs.Am. J. Sports Med 14: 436-448, 1986
• 14. Morrison DF: Tests of hypotheses on means, in: Morrison DF: Multivariate Statistical Methods. Tokyo, McGraw-Hill Kogakusha, 1976, pp 128-169
• 15. Noyes FR, Butler DL, Grood ES, et al.: Biomechanical analysis of human ligaments grafts used in knee-ligament repairs and reconstructions. J. Bone Joint Surg 66 [Am]: 344-352, 1984.
• 16. Safran MR: Graff selection in knee surgery: current concepts. Am. J. Knee Surg 8: 168-180, 1995
• 17. Safran MR, Allen AA, Fu FH: Treatment of injuries to the posterior cruciate ligament. J. Sports Traumatol 16:1-18, 1994
• 18. Seo JG, Cho DY, Kim KY: Reconstruction of the anterior cruciate ligament with Achilles tendon autograft. Orthopedics 16: 719-724, 1993
• 19. Smith JJ, Lewis JL, Mente PL, et al: Intraoperative force-setting did not improve the mechanical properties of an augmented bone-tendon-bone anterior cruciate ligament graft in a goat model. J. Orthop. Res 14: 209-215, 1996
• 20. Tohyama H, Beynnon BD, Johnson RJ, et al: The effect of anterior cruciate ligament graft elongation at the time of implantation on the biomechanical behavior of the graft and knee. Am. J. Sports Med 24: 608-614, 1996
• 21. Viidik A: Biomechanical behavior of soft connective tissues, in Akkas N (ed): Progress in Biomechanics. Hardbound, Sijthoff & Nordhoff, 1979, pp 75-113 (Nato Science Series E, 32)
• 22. Viidik A: Mechanical properties of parallel-fibred collagenous tissues, in Viidik A, Vuust J (eds): Biology of Collagen. London,Academic Press, 1980, pp237-255

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  16 Nov 2004
• Data do Fascículo
  Set 2004

Histórico

• Recebido
  08 Ago 2003
• Aceito
  23 Abr 2004