Influência do suporte e fixação anterior na resistência mecânica do fixador interno vertebral

The influence of anterior reconstruction and fixation on the mechanical performance of an internal fixator

Influencia del soporte y de la fijación anterior sobre la resistencia mecánica del fijador interno vertebralartrodesis cervical anterior por hernia del disco cervica

ARTIGO ORIGINAL ORIGINAL ARTICLE

Influência do suporte e fixação anterior na resistência mecânica do fixador interno vertebral

The influence of anterior reconstruction and fixation on the mechanical performance of an internal fixator

Influencia del soporte y de la fijación anterior sobre la resistencia mecánica del fijador interno vertebralartrodesis cervical anterior por hernia del disco cervica

Gisele Cristina Ale dos Santos^I; Antonio Carlos Shimano^II; Helton LA Defino^III

^IPós-graduanda do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo - USP - Ribeirão Preto (SP), Brasil

^IIDoutor, Professor do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo - USP - Ribeirão Preto (SP), Brasil

^IIIProfessor Titular do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo - USP - Ribeirão Preto (SP), Brasil

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

OBJETIVO: avaliar a influência da reconstrução e fixação anterior no desempenho mecânico do fixador interno da coluna vertebral.

MÉTODOS: foram formados três grupos experimentais de acordo com a reconstrução e fixação anterior: grupo I -sem suporte anterior; grupo II - com suporte anterior; grupo III - com suporte e fixação anterior. Os corpos de prova foram submetidos a ensaios mecânicos de flexo-compressão, flexão lateral e torção, realizados em máquina de universal de ensaios, tendo sido realizados dez ensaios para cada modalidade (flexo-compressão, flexão lateral e torção) em cada grupo experimental, perfazendo um total de 90 ensaios mecânicos. As propriedades mecânicas estudadas foram: o momento-fletor, o torque e a rigidez obtidos a partir da curva carga x deflexão de cada ensaio mecânico.

RESULTADOS: observou-se que a colocação do suporte e da fixação anterior aumentou a resistência mecânica nos ensaios de flexo-compressão. Nos ensaios de flexão lateral observou-se aumento da resistência mecânica somente com a fixação anterior.

CONCLUSÃO: nos ensaios de torção o suporte anterior e a fixação anterior não aumentaram a resistência mecânica do sistema de fixação vertebral.

Descritores: Dispositivos de fixação ortopédica; Fixadores internos; Biomecânica; Coluna vertebral

ABSTRACT

OBJECTIVE: evaluation of the mechanical stability of the internal vertebral fixation through the influence of the anterior load bearing reconstruction and stabilization.

METHODS: cylindrical woods blocks were utilized as test bodies and were stabilized by an internal fixation. Three experimental groups were set according to the anterior reconstruction and fixation: group I - without anterior support; group II - with anterior support and group III - with support and anterior fixation. In an universal assay machine the wood block underwent to flexion-compression, lateral flexion and torsion mechanical assays, until ten assays of each modality were performed (flexion-compression, lateral compression and torsion) in each experimental group, in a total of 90 mechanical assays. The studied mechanical proprieties were the flex moment, torsion moment and the stiffness, obtained through the load x deflection of each mechanical trial.

RESULTS: it was observed that utilizing a support and anterior fixation there has been na increased mechanical stiffness in the flexion-compression mechanical assays. In the lateral flexion tests it was observed an increased rigidity only with the anterior fixation.

CONCLUSION: with the torsion tests the anterior support and fixation did not increase the mechanical rigidity of the vertebral fixation system.

Keywords: Orthopedic fixation devices; Internal fixators; Biomechanics; Spine

RESUMEN

OBJETIVO: evaluar la influencia de la reconstrucción y fijación anterior en el desempeño mecánico del fijador interno de la columna vertebral.

MÉTODOS: fueron formados tres grupos experimentales de acuerdo com la reconstrucción y fijación anterior: grupo I- sin soporte anterior, grupo II- con soporte anterior y grupo III- con soporte y fijación anterior. Los cuerpos de prueba fueron sometidos a ensayos mecánicos de flexocompresión, flexión lateral y torción, realizados en la máquina universal de ensayos, habiéndose realizados 10 ensayos para cada modalidad (flexocompresión, flexión lateral y torción) en cada grupo experimental,con untotal de 90 ensayos mecánicos. Las propiedades mecánicas estudiadas fueron el momento-flexor, la torción y la rigidez obtenidas a partir de la curva carga x deflexión de cada ensayo mecánico.

RESULTADOS: fue observado que la colocación del soporte y de la fijación anterior aumentaron la resistencia mecánica en los ensayos de flexo-compresión. En los ensayos de flexión lateral fue observado aumento de la resistencia mecánica solamente con la fijación anterior.

CONCLUSIÓN: en los ensayos de torción, el soporte anterior y la fijación anterior no aumentaron la resistencia mecánica del sistema de fijación vertebral.

Descriptores: Dispositivos de fijación ortopédica; Fijadores internos; Biomecánica; Columna

INTRODUÇÃO

Os conceitos e fundamentos biomecânicos têm orientado a utilização dos implantes na coluna vertebral e acompanhado o desenvolvimento das técnicas de fixação e tratamento cirúrgico das doenças da coluna vertebral.

Os estudos biomecânicos têm demonstrado que na posição ereta a porção anterior da coluna vertebral (corpo e disco intervertebral) absorve 80 a 90% da força de compressão axial, enquanto que os 10 a 20% restantes são suportados pelas articulações posteriores^1-3. A restauração da porção anterior da coluna vertebral e a manutenção da sua integridade permitem que os implantes aplicados sobre a face posterior da coluna vertebral atuem como tirante de tensão, evitando a sua quebra ou arrancamento do osso provocados pelos momentos de força produzidos na ausência da integridade da coluna anterior^4-6.

A evolução técnica dos implantes vertebrais permitiu a associação da reconstrução e fixação anterior do segmento vertebral^1,3-4, tendo sido esse o alvo do estudo realizado.

O objetivo do estudo foi avaliar a influência da reconstrução e fixação anterior no desempenho mecânico do fixador interno da coluna vertebral.

MÉTODOS

Foram utilizados corpos de prova de madeira com diâmetro de 55cm e comprimento de 95mm, simulando as vértebras do segmento vertebral, sobre o qual o sistema de fixação vertebral foi aplicado.

Foi confeccionado um guia para a perfuração dos orifícios nos corpos de prova. O guia era constituído de um cilindro de madeira com 55mm de diâmetro e 46mm de comprimento, sobre o qual era aplicada uma placa metálica contendo os orifícios para as perfurações. Os orifícios formavam um ângulo de 30° entre si e estavam afastados 40mm no sentido transversal e 76mm no sentido longitudinal (Figura 1). O guia era posicionado entre os corpos de prova para a realização das perfurações, com o objetivo de padronizar a realização das perfurações nos corpos de prova. A perfuração foi realizada por meio de brocas e quatro pinos de Shanz de 5mm de diâmetro inseridos nos orifícios. Os pinos de Shanz eram introduzidos a uma profundidade de 3,5mm e acoplado às conexões do sistema do fixador interno (Synthes) juntamente com as hastes longitudinais, que eram posicionas a 10mm dos corpos de prova (Figura 2).

Com o objetivo de avaliar a influência da reconstrução e fixação anterior foram formados três grupos experimentais:

I - ausência da interposição de suporte anterior;

II - colocação de suporte anterior (interposição de bloco de madeira de 46mm de comprimento e 22mm de diâmetro na região central entre os corpos de prova);

III - colocação do suporte anterior (interposição do bloco de madeira de 22 mm de diâmetro e 46mm de comprimento na região central entre os corpos de prova), associado com a fixação anterior dos corpos de prova e do bloco de madeira interposto por meio de três parafusos de 5mm de diâmetro externo e 40mm de comprimento acoplados a uma barra longitudinal de 6mm de diâmetro (Sistema USS - Synthes). Todos os implantes utilizados no estudo eram de aço inoxidável (Figura 3).

Os corpos de prova foram submetidos a ensaios mecânicos em máquina universal de ensaios (MUE), realizados na fase elástica do material com o controle e a medida das cargas e deformações efetuadas pelo programa de computador TESC versão 1.10.

Foram realizados ensaios mecânicos de flexo-compressão, flexão lateral e torção em cada grupo experimental. Nos ensaios de flexo-compressão a pré-carga era de 15N velocidade de aplicação da carga de 1mm/min, a deformação linear máxima de 1,5mm. O ponto de aplicação da carga estava localizado na face superior do corpo de prova e a 40mm da base do implante, paralelo e oposto ao sistema de fixação. Nos ensaios de flexão-lateral foi utilizada pré-carga de 5N, velocidade de aplicação de carga de 1mm/min, deformação linear máxima de 2,0mm. As cargas eram aplicadas a uma distância de 180mm do ponto de fixação do corpo de prova (Figura 4). Nos ensaios de torção a pré-carga era de 20N, a velocidade da aplicação de carga de 1mm/min,o limite de deformação angular de 9,5°. A célula de carga utilizada em todos os ensaios foi de 200Kg.

Foram realizados dez ensaios mecânicos para cada modalidade de aplicação da força (flexo-compressão, flexão lateral e torção) em cada grupo experimental, perfazendo um total de 90 ensaios mecânicos.

Cada ensaio mecânico resultava numa curva de carga x deflexão, a partir da qual foram estudadas e comparadas as propriedades mecânicas: momento fletor, torque e rigidez.

A comparação entre os valores dos diferentes grupos experimentais foi realizada por meio de estudo estatístico, tendo sido utilizada a Análise de Variância (ANOVA) para a comparação simultânea entre as variáveis flexão lateral (rigidez e momento fletor), flexo compressão (rigidez e momento fletor) e torção (rigidez e momento torsional). Nas comparações post hoc foi utilizado o método de Bonferroni, tendo sido adotado o nível de significância p < 0.05.

RESULTADOS

Os resultados dos ensaios de flexo-compressão estão representados nas tabelas 1 e 2 e figuras 5 e 6. Foi observado que a média do momento fletor foi de 7,37±0,68N.m, no grupo I (sem suporte anterior);de 52,31±15,2N.m, no grupo II (suporte anterior); e de 63,39±8,68N.m, no grupo III (suporte anterior e fixação). Foi observada diferença estatística significativa entre os valores do grupo I e II (p<0,001) e entre os grupos II e III (p<0,001).

A média dos valores da rigidez nos testes de flexo-compressão foi de: 112,57±12,09 103N.m no grupo I; 1911,33±608,37 10-3 N/m no grupo II; e 2135,04±151,50 10-3 N/m no grupo III. Foi observada diferença estatística significativa entre os valores da rigidez do grupo I e II (p<0,001) e entre os valores do grupo II e III (p<0,001).

Os resultados dos ensaios mecânicos de flexão-lateral estão representados nas tabelas 1 e 2 e figuras 7 e 8. A média dos valores do momento fletor foi de 5,20±0.96 N.m no grupo I; 6,32±1,06 N.m no grupo II; e 11,18±1,73 N.m no grupo III. Não foi observada diferença estatística significativa entre os valores do momento fletor nos ensaios de flexão lateral entre os grupos I e II (p>0,05). Foi observada diferença estatística significativa entre os valores do grupo I e II com relação ao grupo III (p<0,001).

A média dos valores da rigidez nos ensaios de flexão lateral foi de 10,74±2,78N/m no grupo I; 13,95±3,13N.m no grupo II e 25,88±4,87 N.m no grupo III. Não foi observada diferença estatística significativa entre os valores dos grupos experimentais I e II (p>0,05). Foi observada diferença estatística significativa entre os valores dos grupos I e II com relação aos valores do grupo III (p<0,001).

A estabilidade do sistema nos ensaios de flexão lateral não foi aumentada com a colocação do suporte anterior. No entanto, a fixação lateral adicional aumentou a resistência da montagem nos ensaios de flexão lateral.

Os resultados dos ensaios de torção estão representados na tabelas 1 e 2 e figuras 9 e 10. A média dos valores do momento torcional foi de 0,94±0,23 N.m no grupo I; 1,09±0,18 N.m no grupo II; e 1,3±0,20 N.m no grupo III. Não foi observada diferença estatística entre os valores dos três grupos experimentais (p=0,13).

Os valores da rigidez observados nos ensaios de torção foram de 0,072±0,026 N.m no grupo I; 0,0914±0,024 N/m no grupo II ; e 0,093±0,024 N/m no grupo III, não tendo sido observado diferença estatística significativa.

Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram que a utilização do suporte anterior aumentou a resistência mecânica da montagem nos ensaios de flexo-compressão, e que a fixação anterior lateral adicional acrescentou mais estabilidade ao segmento fixado. Nos ensaios de flexão lateral a utilização do suporte anterior não alterou as propriedades mecânicas da fixação, e a fixação anterior lateral adicional acrescentou mais estabilidade ao segmento fixado.

Nos ensaios mecânicos de torção a utilização do suporte anterior ou da fixação anterior lateral adicional não influenciaram nas propriedades mecânicas do segmento fixado.

DISCUSSÃO

Os conceitos biomecânicos da coluna vertebral tem orientado o desenvolvimento e a aplicação dos implantes vertebrais, e a importância da parte anterior do segmento vertebral no suporte e transmissão da carga tem se destacado na evolução dos conceitos relacionados coma cirurgia da coluna vertebral^1,3-4,7.

Os ensaios mecânicos realizados tiveram como objetivo principal a observação das propriedades mecânicas do sistema de fixação vertebral, considerando-se não somente a reconstrução da coluna anterior, mas também a estabilização anterior por meio de implantes, considerando-se ainda os diferentes planos da aplicação das forças nos ensaios mecânicos.

Os ensaios mecânicos e as diferentes modalidades de fixação tiveram como principal objetivo a simulação das diferentes opções de reconstrução da coluna anterior e a sua resposta à aplicação das forças nos diferentes planos.

O modelo experimental utilizado em nosso estudo foi baseado na utilização de blocos de madeira, que tem sido empregado em estudos semelhantes^7-8, e permite eliminar algumas variáveis como a densidade óssea, a angulação dos pedículos vertebrais, tornando o material mais homogêneo e facilitando as comparações entre os diferentes tipos de montagens. No entanto, não deve deixar de ser mencionada a dificuldade da reprodução da situação real representada pelo segmento vertebral contendo os ligamentos, músculos e outros elementos de sustentação.

A importância da reconstrução anterior pode ser corroborada nos testes de flexo-compressão e flexão lateral. Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram que as duas variáveis estudadas (o suporte anterior e a fixação anterior) influenciaram as propriedades mecânicas do sistema de fixação, e com exceção dos ensaios mecânicos de torção a utilização do suporte anterior ou da fixação anterior não alteraram as propriedades mecânicas do sistema de fixação.

A extrapolação dos resultados de ensaios mecânicos devem ser extrapolados com muita cautela para as situações clínicas. No entanto, corroborando as observações clínicas^2-4 a reconstrução da coluna anterior aumentou a resistência mecânica do fixador interno nos testes de flexo-compressão, indicando que a reconstrução da coluna anterior permite a aplicação de maior carga axial.

A reconstrução da coluna anterior isolada não influenciou o desempenho do fixador interno nos ensaios de flexão lateral e torção, sendo que a fixação anterior por meio de implantes foi o parâmetro de auxiliou no desempenho mecânico da fixação.

Os implantes e sistemas de fixação vertebral têm sido utilizados com diferentes objetivos no âmbito da cirurgia da coluna vertebral, e o desempenho mecânico desses sistemas pode ser alterado e melhorado por meio da reconstrução e fixação anterior do segmento vertebral afetado.

CONCLUSÃO

A utilização do suporte anterior aumentou a resistência mecânica do sistema de fixação somente nos ensaios de flexo-compressão, não apresentando influencia nos ensaios de flexão lateral e torção.

A utilização do suporte e fixação anterior adicional aumentou a resistência mecânica do sistema de fixação vertebral nos ensaios de flexo-compressão e flexão lateral, não apresentando influencia nos ensaios de torção.

O suporte anterior e a fixação anterior adicional não influenciaram a resistência da montagem nos ensaios de torção.

Recebido: 28/05/2008

Aprovado: 02/09/08

Trabalho realizado no Laboratório de Bioengenharia do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo - USP - Ribeirão Preto (SP), Brasil.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  29 Jan 2010
• Data do Fascículo
  Mar 2009

Histórico

• Aceito
  02 Set 2008
• Recebido
  28 Maio 2008