Avaliação biomecânica dos tendões dos músculos tibiais e proposta de sua utilização como aloenxertos nas reconstruções do ligamento cruzado anterior

Biomechanical evaluation of tibial muscle tendons and proposal of their use as allografts in anterior cruciate ligament reconstructions

Resumos

The purpose of this study was to evaluate the mechanical properties of the anterior (AT) and posterior (PT) tibialis muscle tendons submitted to axial strain until the point of ultimate failure, at a 20 mm/min speed. We used fresh-frozen human tendons from 18 male cadavers with mean age of 45.2 ± 10.7 years. The tendons were divided into two groups and one was frozen at -20°C and the other at -86°C, for 30 to 90 days before the tests. The tendons were thawed then the cross sectional area at their central portion was measured. We studied the following mechanical properties: ultimate strength, rigidity, modulus of elasticity and relative strain (%). The data obtained were compared with those found in the literature related to the anterior cruciate ligament (ACL) and its common replacements. The comparison between AT and PT with results obtained by other authors showed that the tendons have biomechanical properties that make their use possible as ACL grafts in cases of ligament reconstruction where allografts are usually employed.

Knee; Anterior cruciate ligament; Arthroscopy; Tendons

ARTIGO ORIGINAL

Avaliação biomecânica dos tendões dos músculos tibiais e proposta de sua utilização como aloenxertos nas reconstruções do ligamento cruzado anterior

Alexandre de Christo Viegas^I; Gilberto Luis Camanho^II

^IMestrando do Instituto de Ortopedia e Traumatologia da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo

^IIProfessor Associado da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

Com o objetivo de avaliar as propriedades mecânicas dos tendões dos músculos tibial anterior (TA) e tibial posterior (TP), o autor realizou ensaios mecânicos com tendões extraídos de 18 cadáveres humanos frescos, do sexo masculino, com média de idade de 45,2 ± 10,7 anos. Os tendões foram divididos em dois grupos e armazenados a -20°C e a -86°C durante 30 a 90 dias antes dos testes. Depois de descongelados, foram feitas medidas da área de secção transversa dos tendões e ensaios mecânicos de tração até a ruptura a uma velocidade de aplicação de carga de 20 mm/min. Foram determinadas as seguintes propriedades biomecânicas: resistência máxima, coeficiente de rigidez, módulo de elasticidade e alongamento máximo relativo; os dados obtidos foram comparados aos existentes na literatura relativos ao ligamento cruzado anterior (LCA) e seus substitutos mais utilizados. A comparação dos dados obtidos neste estudo com os estudos biomecânicos feitos por outros autores nos permitiu observar que o TA e o TP apresentam propriedades mecânicas que os tornam possíveis substitutos do LCA nos casos em que a necessidade de enxertos alógenos se impuser.

Descritores: Joelho; Ligamento cruzado anterior; Artroscopia; Tendões.

INTRODUÇÃO

As lesões ligamentares do joelho são um evento freqüente na traumatologia e seu tratamento por meio da reconstrução dos ligamentos com o uso de enxertos tendinosos é um consenso na literatura atual. A utilização de enxertos homólogos como o ligamento da patela (LP), os tendões dos músculos flexores mediais do joelho (semitendíneo e grácil) e o tendão quadricipital são operações consagradas para este fim^(2,5).

As lesões ligamentares múltiplas do joelho, as reconstruções em pacientes com traumatismos graves do membro inferior e as revisões de reconstruções dos ligamentos estimularam o estudo de novas fontes de enxertos para substituir os ligamentos cruzados. Da mesma maneira, com o desenvolvimento das técnicas de obtenção e armazenamento dos tecidos alógenos e o surgimento dos bancos de tecido, teve início o estudo das propriedades mecânicas dos enxertos comumente utilizados nas reconstruções ligamentares. Estimulados com os resultados das reconstruções em casos excepcionais e amparados no avanço dos métodos utilizados nos bancos de tecido, alguns autores propuseram a utilização de aloenxertos como opção na reconstrução das lesões ligamentares do joelho^(1,11).

Os resultados iniciais destas reconstruções na cirurgia do joelho fizeram com que o uso de aloenxertos se tornasse prática comum nas reconstruções de lesões ligamentares crônicas e agudas^(9,10,13). O objetivo deste trabalho é estudar as características mecânicas dos tendões dos músculos tibial anterior (TA) e tibial posterior (TP) de cadáveres humanos submetidos a congelamento e propor sua utilização como aloenxertos na reconstrução do ligamento cruzado anterior (LCA).

MATERIAL E MÉTODO

Utilizamos neste trabalho 18 pares de tendões dos músculos tibial anterior e tibial posterior extraídos de cadáveres humanos adultos do sexo masculino, com idade média de 45,2 ± 10,7 anos, variando entre 24 e 60 anos. Foram obedecidas as normas éticas relativas ao uso de material humano do Serviço de Verificação de Óbitos da Capital, que nos forneceu o material para este estudo.

Os tendões foram extraídos em um período médio de 48 a 96 horas post mortem de cadáveres que eram mantidos em câmara frigorífica a uma temperatura de menos 4° C.

Os tendões foram divididos em dois grupos de igual tamanho e permaneceram congelados a temperaturas de menos 20°C e menos 86°C em um período que variou de 30 a 90 dias, até que fossem realizados os ensaios mecânicos.

Antes dos ensaios mecânicos, as peças foram descongeladas em solução isotônica de cloreto de sódio, onde foram mantidas imersas durante quatro horas à temperatura ambiente até seu total descongelamento.

Em seguida, foi realizada a medição das peças anatômicas, a fim de se calcular a área de secção transversa da porção central do tendão e para este fim utilizamos um equipamento denominado projetor de perfil. Os tendões foram colocados entre duas placas de acrílico transparentes a fim de tornar sua área de secção transversa trapezoidal e o equipamento permitiu a medida dos lados deste trapézio e posteriormente o cálculo de sua área. (Figuras 1,2,3,4 e Tabela 1)

Os tendões foram submetidos a tração axial pura até sua ruptura completa na máquina eletromecânica Kratos (Figura 6), modelo K-5002, a uma velocidade constante de 20 mm/min, obtendo-se para cada um dos ensaios o diagrama carga–deformação (Figura 5). Os tendões foram fixados a duas garras metálicas (Figura7) constituídas por placas metálicas paralelas com encaixe interno denteado para evitar o deslizamento dos tendões durante a aplicação da carga (Figuras 5, 6 e 7).

RESULTADOS - TABELAS 2,3,4,5

DISCUSSÃO

A idéia de estudarmos os tendões tibiais nos ocorreu pela facilidade de obtenção, uniformidade de estrutura e facilidade de manuseio. São tendões longos (comprimento médio de 25 cm) e aparentemente resistentes (Figura 8).

O estudo de cadáveres do sexo masculino com idade média relativamente baixa, se considerarmos que estudamos cadáveres que foram a óbito decorrente de causa não violenta, foi com a intenção de uniformizar ao máximo nossa amostra.

Conservamos metade das peças a menos 20°C e metade a menos 86°C, a fim de compararmos as possíveis alterações sofridas pelos tendões quando armazenados na temperatura utilizada para estocagem dos materiais biológicos nos bancos de tecido, que é de cerca de menos 86°C. O grupo de tendões armazenados a menos 20°C constituiu aquele que se assemelha ao estudo de peças a fresco, tendo em vista as dificuldades técnicas de se realizar este tipo de estudo com tendões frescos. O processo de descongelamento foi o mesmo que utilizamos para os procedimentos cirúrgicos em que utilizamos aloenxertos no nosso serviço.

Os tendões dos músculos tibial anterior e posterior preparados e armazenados segundo estas técnicas habituais foram submetidos a ensaios mecânicos de tração. A metodologia de avaliação das características mecânicas foi a mais próxima dos padrões habituais da literatura, para tornar possível a comparação com eventuais estruturas a serem substituídas.

Foram estudadas as características mecânicas de resistência máxima, módulo de elasticidade, alongamento máximo relativo e rigidez nas temperaturas de menos 20°C e menos 86°C. Os resultados demonstraram que há uma variação no comportamento mecânico dos dois tendões estudados.

Resumidamente, tivemos as seguintes diferenças estatisticamente significantes entre o TA e o TP:

- a resistência máxima do tibial posterior (TP) é maior que a do tibial anterior(TA) em ambas as temperaturas estudadas.

- o módulo de elasticidade do TA é maior que o do TP a menos 86°C.

- o alongamento máximo relativo do TP é maior que o do TA a menos 86°C.

- a rigidez do TA é maior a menos 86°C do que a menos 20°C.

Comparamos os valores encontrados no nosso trabalho com os obtidos por autores que estudaram as mesmas características do ligamento cruzado anterior (LCA) segundo metodologia semelhante à que utilizamos.

Silvares⁽¹²⁾ e Hernandez⁽⁴⁾ encontraram resistência máxima do LCA de 875N ± 266N e de 955N respectivamente, que comparados aos valores de 947N ± 200N do TA mantido a menos 86°C e 1065N ± 196N do TP mantido a menos 86°C, demonstram que os tendões tibiais podem substituir perfeitamente o LCA no que se refere à resistência máxima.

Se compararmos os valores obtidos por Silvares⁽¹²⁾ para a resistência máxima do tendão do músculo semitendíneo (ST) em conformação tripla (988N ± 203N) e os obtidos por Müller⁽⁷⁾ para a resistência máxima do ligamento da patela com espessura de 10 mm aos valores do TP e do TA obtidos em nossos ensaios, verificamos que mesmo comparados a outros enxertos classicamente utilizados para as reconstruções de ligamentos do joelho, os tendões tibiais apresentam resistência semelhante.

Os trabalhos citados foram realizados com máquinas de ensaio semelhantes à que utilizamos, especialmente na velocidade de aplicação de carga, em torno de 20 mm por minuto.

Nos trabalhos clássicos de Noyes et al.⁽⁸⁾, que encontraram 1725N ± 269N para resistência máxima do LCA, 1216N ± 50N para a do ST e 2900N ± 516N para a do LP de 14mm de espessura, a velocidade utilizada foi de 3000 mm por minuto, fato que explica a diferença de valores, uma vez que estruturas viscoelásticas como os tendões e os ligamentos apresentam valores de resistência máxima à ruptura aumentados à medida que se aumenta a velocidade de aplicação de carga⁽⁶⁾.

Observamos que as áreas de secção transversa dos tendões dos músculos tibiais posteriores são significativamente maiores do que a dos tibiais anteriores, independentemente do tipo de congelamento realizado, o que acreditamos tratar-se de uma característica anatômica destes tendões, naturalmente mais espessos do que os tibiais anteriores. Também observamos que as áreas de secção transversa dos tendões congelados a -86°C são significativamente maiores do que as dos tendões frescos. A comparação dos resultados da área de secção transversa do TA e TP com os resultados do LCA, LP e SMT existentes na literatura⁽¹²⁾ nos permite afirmar que os valores do TA e TP são semelhantes aos do LCA e SMT duplo (34,0 mm² e 26,0 mm²), praticamente duas vezes maiores do que o SMT único (10,8 mm²) e cerca de duas vezes menores do que o LP (37,0 mm²) e o SMT quádruplo (56,3 mm²), o que nos permite dizer que uma preparação de enxerto duplicado de TA ou TP (ou mesmo a associação TA - TP) aparenta ser a conformação mais indicada para a substituição do LCA, tendo em vista os valores das áreas dos substitutos já consagrados pelo uso.

Se considerarmos que os tendões tibiais têm comprimento suficiente para sua utilização de forma dupla ou mesmo tripla na substituição do ligamento cruzado anterior, podemos concluir pela sua utilidade neste tipo de cirurgia reconstrutiva⁽³⁾.

A utilização do TA e do TP em outras cirurgias reconstrutivas, como em rupturas tendinosas crônicas, deverá ser analisada sempre comparando as suas características mecânicas às da estrutura a ser substituída.

CONCLUSÃO

As características mecânicas dos tendões dos músculos tibial anterior e posterior analisadas demonstram serem os dois tendões possivelmente úteis como aloenxertos na reconstrução do ligamento cruzado anterior do joelho.

AGRADECIMENTOS

Dr Raul Bolliger Neto e César Augusto Martins Pereira

Trabalho recebido em 31/03/2003

Aprovado em 29/05/2003

Trabalho realizado no Laboratório de Biomecânica do Instituto de Ortopedia e Traumatologia da Universidade de São Paulo

• 1. Arnoczky SP, Warren RF, Ashlock MA. Replacement of the anterior cruciate ligament using a patellar tendon allograft: an experimental study. J Bone Joint Surg Am 68:376-385, 1986.
• 2. Camanho GL, Olivi R. O uso do tendão do músculo semitendíneo fixo com "Endobutton" no tratamento das instabilidades anteriores do joelho. Rev Bras Ortop 31:369-372, 1996.
• 3. Haut Donahue TL, Howell SM, Hull ML, Gregersen C. A biomechanical evaluation of anterior and posterior tibialis tendons as suitable single-loop anterior cruciate ligament grafts. Arthroscopy 18: 589-597, 2002.
• 4. Hernandez AJ. Correlação das propriedades biomecânicas dos ligamentos do joelho com seus parâmetros antropométricos. [Doutorado]. São Paulo:Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo; 1994.
• 5. Insall J, Joseph DM, Aglietti P, Campbell RD. Bone-block iliotibial-band transfer for anterior cruciate insufficiency. J Bone Joint Surg Am 63:560-569, 1981.
• 6. Kennedy JC, Hawkins RJ, Willis RB, Danylchuk KD. Tension studies of human knee ligaments. Yield point, ultimate failure and disruption of the cruciate and tibial collateral ligaments. J Bone Joint Surg Am 58:350, 1976.
• 7. Müller SS. Análise comparativa das propriedades mecânicas do ligamento da patela e do tendão calcâneo : estudo experimental em cadáveres humanos. [Doutorado]. Botucatu: Faculdade de Medicina de Botucatu, Universidade Estadual Paulista; 1998.
• 8. Noyes FR, Grood ES. The strength of the anterior cruciate ligament in humans and Rhesus monkeys. J Bone Joint Surg Am 58:1074-1082, 1976.
• 9. Noyes FR, Barber-Westin S. Reconstruction of the anterior cruciate ligament with human allograft. J Bone Joint Surg Am 78:524-537, 1996.
• 10. Peterson RK, Shelton WR, Bomboy AL. Allograft versus autograft patellar tendon anterior cruciate ligament reconstruction: a 5-year follow-up. Arthroscopy 17:9-13, 2001.
• 11. Shino K, Kawasaki T, Hirose H, Gotoh I, Inoue M, Ono K. Replacement of the anterior cruciate ligament by an allogenic tendon graft. J Bone Joint Surg Br 66:672-681, 1984.
• 12. Silvares PRA. Análise das propriedades mecânicas do ligamento cruzado anterior, ligamento da patela e tendão do músculo semitendíneo triplicado: estudo em cadáveres humanos. [Doutorado]. Botucatu: Faculdade de Medicina de Botucatu, Universidade Estadual Paulista; 2001.
• 13. Vorlat P, Verdonk R, Arnauw G. Long-term results of tendon allografts for anterior cruciate ligament replacement in revision surgery and in cases of combined complex injuries. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 7:318-322, 1999.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  16 Fev 2004
• Data do Fascículo
  Ago 2003

Histórico

• Aceito
  29 Maio 2003
• Recebido
  31 Mar 2003