ARTIGO ORIGINAL
Estudo biomecânico da participação do estabilizador
transversal na estabilidade mecânica das fixações
vertebrais com o fixador interno
Biomechanical study of the role of crosslinking in the
mechanical stability of the spinal instrumentation
with the internal fixator
Antonio Luiz de Almeida Góes1
Antonio Carlos Shimano2
Helton L. A. Defino3
ABSTRACT
An experimental study was performed to determine the role of cross-linking in the mechanical stability of spinal instrumentation with the internal fixator. The internal fixator was fixated intoa wooden blocks that simulated the spinal segment in the corpectomy model. Four experimental groups were formed according to the amount and positioniong of the cross-linking in the assembly, each one composition for five assemblies: Group A – assembly with no cross-link; Group B – assembly with one horizontal link; Group C – assembly with one oblique cross-link; Group D – assembly with two cross-links. Biomechanical testing for anterior bending, lateral bending, and torsion was performed using mechanical equipment with maximum deformation of 1,5 mm, 2,0 mm, and 9,5o, respectively. The
mechanical stability was studied utilizing three mechanical proprieties: bending or torsional moment, stiffness and energy, that were obtained of the graph load x deformation resulting from each biomechanical testing. Only one cross-link increased significantly (p<0,001) mechanical stability in the torsion testing and lateral bending testing, but had no effect on it in the anterior bending. Two cross-links increased significantly (p<0,001) mechanical stability regarding to one cross-link only in the torsion testing. There was no significant difference in the mechanical stability between the usage of the horizontal or the oblique cross-link. The cross-linking increases the mechanical stability of the internal fixator in the torsion testing (rotational stability) and lateral bending testing (frontal stability), but had no influence in the anterior bending testing (sagital stability). Two cross-links provide greater rotational stability to the system than one. The positioning of horizontal or oblique cross-link did not change significantly the mechanical stability of the assembly.
KEY WORD: biomechanic; bone screws; internal fixation
of fractures
RESUMO
Foram realizados ensaios mecânicos para avaliação da parti-cipação do estabilizador transversal na estabilidade mecâni-ca das fixações vertebrais com o fixador interno. O modelo experimental foi constituído por dois blocos de madeira mog-no, que simulavam o segmento vertebral, sendo estabiliza-dos pelo fixador interno. Foram formaestabiliza-dos quatro grupos ex-perimentais, cada um composto por cinco unidades confor-me a configuração da montagem do implante com relação à quantidade e o posicionamento do estabilizador transversal: Grupo I – montagem sem estabilizador transversal; Grupo II – montagem com um estabilizador transversal horizontal; Grupo III – montagem com um estabilizador transversal oblí-quo; e Grupo IV – montagem com dois estabilizadores trans-versais. Foram realizados ensaios mecânicos do tipo flexo-compressão, flexão lateral e torção, sendo efetuados na fase elástica da resistência do material com deflexões máximas de 1,5 mm, 2,0 mm e 9,5o, respectivamente, e utilizando-se uma máquina universal de ensaios. O uso de um estabiliza-dor transversal aumentou significativamente a rigidez do sis-tema em 51,19% nos ensaios mecânicos de torção e 23,75% nos ensaios de flexão lateral. A adição de dois estabilizado-res transversais aumentou a rigidez torsional em 199,35%. Não houve diferença significativa na rigidez entre a aplica-ção do estabilizador transversal horizontal ou oblíquo nos planos estudados. O estabilizador transversal aumenta a estabilidade mecânica do fixador interno aos esforços rotacionais, sendo que dois estabilizadores fornecem maior estabilidade rotacional ao sistema. A variação do seu posicionamento não altera significativamente a estabilidade mecânica da montagem.
PALAVRAS-CHAVE: biomecânica; parafusos pediculares;
fixação interna; coluna vertebral
1Aluno do curso de pós-graduação do Departamento de Biomecânica, Reabilitação e Medicina do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão
Preto-USP; 2Professo Assistente-Doutor do Departamento de Biomecânica, Reabilitação e Medicina do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão
Preto-USP; 3Professor Associado do Departamento de Biomecânica, Reabilitação e Medicina do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP.
Endereço: Departamento de Biomecânica, Reabilitação e Medicina do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP. Av. Bandeirantes 3900 – Ribeirão Preto –São Paulo –CEP – 14049-900.
INTRODUÇÃO
Os estabilizadores transversais são componentes rotinei-ramente utilizados para conectar as hastes longitudinais e melhorar a estabilidade mecânica dos sistemas de fixação vertebral, principalmente aos esforços torsionais. Esse dis-positivo foi inicialmente utilizado nas cirurgias para a cor-reção das deformidades escolióticas1, particularmente no plano frontal. Embora seja aplicado para aumentar a esta-bilidade mecânica dos sistemas de fixação pedicular 1-4, resultando em melhores índices de consolidação óssea5, sua participação na estabilização destes sistemas de fixa-ção vertebral ainda não está bem esclarecida.
Essa controvérsia da participação do estabilizador trans-versal no sistema de fixação pedicular motivou a realiza-ção deste trabalho, cujo principal objetivo foi a determina-ção da sua participadetermina-ção na estabilidade mecânica de dife-rentes montagens do fixador interno, simulando uma situ-ação de corpectomia vertebral, na qual as variáveis estu-dadas estariam relacionadas ao número (nenhum, um ou dois) e ao posicionamento (horizontal ou oblíquo) do esta-bilizador transversal.
MATERIAL E MÉTODOS
O modelo experimental foi baseado na utilização de blocos de madeira fixados por meio do fixador interno e submetidos a ensaios mecânicos para avaliação das suas propriedades mecânicas, utilizando-se como parâmetro de análise a apli-cação do estabilizador transversal com relação à sua quanti-dade (nenhum, um, e dois), bem como a variação do seu posicionamento (horizontal e oblíquo) nas montagens.
Os dois blocos de madeira simulavam as vértebras do segmento vertebral e possuíam formato cilíndrico, medin-do 55 mm de diâmetro e 95 mm de comprimento. O diâ-metro de uma das extremidades em um dos dois blocos de madeira foi reduzido para permitir a fixação dos corpos de prova durante a realização dos testes. Foram utilizados no estudo 15 pares de blocos de madeira. Os blocos de madei-ra emadei-ram fixados por meio do fixador interno, simulando a situação de corpectomia e obedecendo às medidas e angu-lações padronizadas pela norma da International
Standar-dization for Organization (ISO)6 (Figura 1).
O sistema de fixação pedicular utilizado no estudo foi o fixador interno – Synthes, de aço inoxidável, composto de parafusos de Schanz, rótulas e hastes. Os parafusos de Schanz utilizados no estudo possuíam diâmetro de rosca de 5 mm, cerne de 4 mm, e 35 mm de comprimento de rosca. As hastes longitudinais apresentavam 6 mm de diâmetro e 100 mm de comprimento. Os estabilizadores transversais uniam as duas hastes longitudinais do fixador interno e possuíam haste de 3,5 mm de diâmetro e 40 mm de comprimento, que eram conectadas por meio de rótulas às hastes longitudinais do fixador interno.
As perfurações dos blocos de madeira foram realizadas com uma broca de 4 mm de diâmetro, a uma profundidade de 35 mm, que correspondia ao comprimento de rosca dos parafusos de Schanz, e uma angulação medial de 15o no plano transverso por meio da utilização de um guia (Figu-ra 2). A seguir e(Figu-ram introduzidos os quatro pa(Figu-rafusos de Schanz e as quatro rótulas para a fixação das hastes longi-tudinais. As hastes longitudinais eram posicionadas medi-almente em relação aos parafusos de Schanz e de forma simétrica. Todos os componentes do implante eram fixa-dos por meio do aperto das porcas e parafusos, sempre re-alizado pelo autor, com instrumental adequado, até o limi-te máximo permitido pelos mesmos.
Figura 1
Desenho ilustrando os modelos de blocos de madeira mogno utilizados no estudo
Figura 2
Desenho ilustrando o guia utilizado durante a montagem do conjunto formado pelos blocos de madeira e o implante
Foram formados quatro grupos experimentais de acordo com o número e o posicionamento do estabilizador transver-sal utilizado na montagem. Cada grupo experimental foi for-mado por cinco conjuntos de blocos de madeira fixados com estabilizador transversal. Os grupos experimentais foram divididos em: GRUPO I – montagem sem estabilizador trans-versal (MSCT); GRUPO II – montagem com um estabiliza-dor transversal horizontal (MCTH); GRUPO III – monta-gem com um estabilizador transversal oblíquo (MCTO); e GRUPO IV – montagem com dois estabilizadores transver-sais (Figura 3). Nos grupos experimentais com um estabili-zador transversal horizontal, esse componente foi colocado centralizado na armação entre as rótulas dos parafusos de Schanz (distância de 31 mm entre as faces internas das rótu-las dos parafusos de Schanz e o centro das róturótu-las do estabi-lizador transversal). Nos grupos de montagem com um esta-bilizador transversal oblíquo, este componente foi mantido
centralizado na armação, porém angulado 20o em relação às hastes longitudinais que corresponde ao limite máximo per-mitido pela rótula de fixação do estabilizador transversal. Quando dois estabilizadores transversais foram utilizados na montagem, estes componentes foram posicionados perpen-dicularmente às hastes longitudinais e fixados em cada ex-tremidade destas hastes, a uma distância de 10 mm entre as faces laterais internas das diferentes rótulas.
Figura 3
Tipos de montagem dos diferentes grupos experimentais. A) montagem sem estabilizador transversal; B ) montagem com um estabilizador transversal horizontalmente posicionado; C) montagem com um estabilizador transversal oblíquamente posicionado; D) montagem com dois estabilizadores transversais
Os grupos experimentais foram submetidos a ensaios me-cânicos em máquina universal de ensaio (MEU) para avaliar a estabilidade mecânica das montagens. Foram realizados três tipos de ensaios mecânicos, determinados pelos princi-pais momentos de força que são aplicados sobre a coluna vertebral: ensaios mecânicos de flexo-compressão, flexão la-teral e torção, com as cargas sendo aplicadas no sentido axi-al, transversal e rotacionaxi-al, respectivamente. Os ensaios me-cânicos foram realizados na fase elástica da resistência do material do implante utilizado. O controle e a medida das cargas e deformações foram efetuados pelo programa de com-putador TESC Versão 1.10.
Para os ensaios de flexo-compressão, foi determinada uma pré-carga de 15 N, velocidade de aplicação da carga em com-pressão de 1mm/min, limite de deformação linear de 1,5 mm, e célula de carga de 200 Kgf. Para os ensaios de flexão late-ral, foi estabelecido uma pré-carga de 5N, velocidade de apli-cação de carga em compressão de 1 mm/min, deformação linear limite de 2,0 mm, e célula de carga de 200 Kgf. Para os ensaios de torção foi determinado uma pré-carga de 20 N, velocidade de aplicação de carga em tração de 1 mm/min, limite de deformação angular de 9,5o, e célula de carga de 200 Kgf. A propriedade mecânica utilizada para representar a estabilidade mecânica da montagem foi a rigidez. A rigi-dez foi definida como a capacidade do implante em resistir às forças e momentos nele aplicados, representada pela in-clinação da reta na região linear da curva carga x deflexão, obtida pelo cálculo da tangente do ângulo formado pela reta, expressa em N/m, e fornecida pela equação: R = tg q = AB/ BO (Figura 4).
Figura 4
Gráfico carga x deflexão a partir do qual são obtidas as principais propriedades mecânicas dos materiais
Tabela 1 -Valores da rigidez média e desvio padrão dos quatro grupos experimentais nos três ensaios mecânicos
Fonte: Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da faculdade de medicina de Ribeirão Preto - Universidade de São Paulo (USP)
Flexo-Compressão Flexo Lateral Torção
Grupo I Grupo II Grupo III Grupo IV 144,85 (+ 8,46) 37,81 (+ 2,14) 27,97 (+ 1,06) 150,31 (+ 8,95) 46,79 (+ 2,18) 42,29 (+ 1,56) 150,60 (+ 5,13) 44,10 (+ 4,07) 45,15 (+ 2,53) 148,63 (+ 3,22) 48,25 (+ 3,11) 83,73 (+ 3,76) Os valores da rigidez média, obtidos nos ensaios mecâni-cos foram analisados utilizando-se o método estatístico de-nominado “Análise de Variância” (ANOVA) para a compa-ração simultânea entre os quatro grupos experimentais. Quan-do encontramos diferença significativa (p< 0.05), utilizamos o método de Tukey-Kramer para a comparação entre pares de grupos e verificar qual a diferença detectada. As análises estatísticas e os gráficos foram realizados com o auxílio do
software GraphPad Prisma e o Windows Excel.
RESULTADOS
Os resultados estão representados na TABELA 1 e Figuras 5, 6,7, 8, 9 e 10, e indicam a força necessária para produzir uma deformação de 1,5 mm, 2,0 mm e 9,5o no ponto de sua aplicação para os testes de flexo-compressão, flexão lateral e torção, respectivamente.
O estabilizador transversal apresentou influência na es-tabilidade mecânica do fixador interno, mas não em todos os planos em que foi estudado. Sua maior influência foi obser-vada nos ensaios de torção, que corresponderia à estabilida-de do sistema estabilida-de fixação no plano rotacional. A adição estabilida-de dois estabilizadores transversais aumentou de modo significati-vo a rigidez da montagem em 199,36% (p<0,05), enquanto que o uso de um estabilizador aumentou em 51,19% (p<0,001) (Fi-gura 5). Observamos ainda que a variação no posicionamento do
Figura 5
Comparação entre os valores da rigidez média para a deflexão máxima de 9,5o dos grupos sem, com um, e com dois estabilizadores
transversais nos ensaios de torção
Figura 6
Comparação entre os valores da rigidez média para deflexão máxima de 9,5o dos grupos experimentais com um estabilizador transversal
horizontal e oblíquo nos ensaios de torção
Figura 7
Comparação entre os valores da rigidez média para a deflexão máxima de 2,0 mm dos grupos experimentais sem, com um, e com dois estabilizadores transversais nos ensaios de flexão lateral
Figura 8
Comparação entre os valores da rigidez média para deflexão máxima de 2,0 mm dos grupos experimentais com um estabilizador transversal horizontal e oblíquo nos ensaios de flexão lateral estabilizador transversal de horizontal para oblíquo nas
monta-gens que utilizaram apenas uma unidade não alterou significati-vamente a rigidez do sistema (Figura 6).
A participação do estabilizador transversal nos ensaios de flexão lateral, que corresponderia à estabilidade do siste-ma no plano frontal, também foi significativa. Observou-se um aumento de 23,75% (p<0,001) com o uso do estabiliza-dor transversal, porém não houve diferença significativa en-tre os grupos com um e dois estabilizadores transversais (Fi-gura 7). Não houve diferença significativa na rigidez do sis-tema com a mudança da posição do estabilizador de hori-zontal para oblíquo na montagem (Figura 8).
Nos testes realizados para avaliar a resistência das mon-tagens às forças e momentos de compressão axial, que corresponderia à estabilidade do sistema no plano sagital, não foi observada influência significativa (p=0,6369) do estabilizador transversal sobre a estabilidade do sistema (Figura 9), bem como não observamos alteração signifi-cativa na rigidez do sistema com a modificação da posi-ção do estabilizador transversal de horizontal para oblí-quo na montagem (Figura 10).
DISCUSSÃO
Nos sistemas de fixação pedicular que utilizam hastes longi-tudinais é comum a aplicação do estabilizador transversal para aumentar a estabilidade mecânica do implante 1,3, em-bora a sua participação nessa função ainda não esteja bem elucidada. Este estudo mostra que o estabilizador transversal
Figura 9
Comparação entre os valores da rigidez média para a deflexão máxima 1,5 mm dos grupos experimentais sem, com um, e com dois estabilizadores transversais nos ensaios de flexo-compressão
Figura 10
Valores da rigidez média para a deflexão máxima de 1,5 mm dos grupos experimentais com um estabilizador transversal horizontal e oblíquo nos ensaios de flexo-compressão
aumenta significativamente a rigidez do sistema às forças e momentos de rotação axial e flexão lateral, sendo que o uso de dois estabilizadores fornece maior estabilidade rotacional ao implante. Os resultados demonstram também que não existe diferença significativa na estabilidade mecânica entre a aplicação do estabilizador transversal horizontal ou oblí-quo na montagem em todos os planos estudados.
Estudos experimentais têm sugerido que o uso de um ou mais estabilizadores transversais aumentam significativamen-te a rigidez rotacional da instrumentação5,7,8. Neste trabalho observamos que a aplicação do estabilizador transversal au-mentou não somente a estabilidade mecânica do sistema no plano rotacional, como também no plano frontal. Quando comparamos os grupos de montagem com e sem estabiliza-dor transversal, encontramos um aumento significativo na rigidez do sistema com a adição do estabilizador transversal de 51,19% (p< 0,001) contra as forças e momentos
torsio-nais, e de 23,75% (p<0,001) contra os esforços de flexão lateral, representando um aumento na estabilidade mecânica nos planos rotacional e frontal, respectivamente. Worsdorfer et al.4, utilizando o fixador interno, compararam montagens com e sem estabilizador transversal e relataram aumento de 70% na estabilidade torsional e de flexão lateral com a apli-cação desse dispositivo à fixação. Em comparação semelhante, Lim et al? encontraram um aumento significativo na rigidez às forças de flexão lateral e rotacional de 15,7% e 13,9%, respectivamente. Esses dados confirmam a importância do estabilizador transversal na estabilidade torcional e flexão lateral, e sugerem que esse dispositivo seja usado em situa-ções de instabilidade da coluna vertebral.
Por outro lado, alguns autores têm atribuído o aumento da estabilidade mecânica das fixações pediculares ao ângulo de implantação dos parafusos no pedículo. Krag et al9 acre-ditam que a utilização do estabilizador transversal seria des-necessária quando os parafusos pediculares fossem posicio-nados medialmente no plano transverso, e os resultados rela-tados por Carson et al.10 e Defino et al11 corroboram essa afirmação. A angulação medial dos parafusos proporciona um efeito de bloqueio tridimensional devido à posição oblí-qua e convergente entre os parafusos dos diferentes lados, que resulta principalmente no aumento da resistência aos desvios laterais. Neste trabalho, apesar de utilizarmos os pa-rafusos angulados medialmente 15o no plano transverso, re-presentando a angulação anatômica do pedículo vertebral, observamos que houve um aumento significativo na rigidez do sistema nos testes de torção e flexão lateral, demonstran-do que o estabilizademonstran-dor transversal tem influência na estabili-dade do segmento vertebral mesmo quando os parafusos pe-diculares são angulados entre si.
Observamos também que a adição de dois estabilizado-res transversais na montagem aumentou significativamente (199,%) ou 199,36% a rigidez do sistema de fixação às for-ças de rotação axial, porém não interferiu na estabilidade mecânica nos outros planos estudados. Outros pesquisado-res, Dick et al.7, Lim et al.8, também demonstraram que dois estabilizadores transversais forneceriam maior estabilidade rotacional ao sistema. Pintar et al.5 em estudo semelhante com instrumentação ISOLA observaram um aumento máxi-mo de 6% na comparação entre máxi-montagens com um e dois estabilizadores, sendo que em hastes com menos de 15 cm de comprimento não observaram diferença significativa com a adição de um segundo estabilizador transversal à monta-gem. Defino et al.11 também não observaram a influência da participação dos dois estabilizadores transversais na estabi-lidade mecânica do sistema USIS quando os parafusos fo-ram angulados medialmente. Esses relatos contraditórios su-gerem que o tipo de estabilizador transversal, a sua conexão com as barras do sistema de fixação e o diâmetro das hastes do sistema devem ser considerados na análise da participa-ção desse dispositivo nos sistemas de fixaparticipa-ção pedicular.
Outro parâmetro avaliado no nosso estudo foi a influên-cia do posicionamento horizontal ou oblíquo do estabiliza-dor transversal na estabilidade mecânica da fixação. É extre-mamente difícil determinar experimentalmente uma
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O modelo experimental que utilizamos (blocos de ma-deira) tem sido empregado com certa freqüência em estudos semelhantes4,12 e permite a eliminação de variáveis como a densidade óssea e a angulação dos pedículos, que não são uniformes nas vértebras humanas, tornando dessa maneira o estudo mais homogêneo e padronizado.
Segundo Panjabi13, existem três tipos de avaliação bio-mecânica dos modelos de fixação vertebral: força, fadiga e estabilidade. Em nosso estudo, o efeito do estabilizador trans-versal foi investigado por meio dos testes de estabilidade, os
quais podem ser realizados em vários modos de carga devido à sua natureza não destrutiva. As cargas aplicadas nos testes são relativamente menores quando comparadas com as car-gas fisiológicas normais por duas razões: pela natureza não destrutiva dos testes e porque a meta do estudo foi avaliar a estabilidade da montagem. Contanto que a carga permaneça na fase elástica do material, a inclinação da curva carga x deformação é independente da carga. Portanto, pequenas cargas fornecem informações sobre as propriedades mecâni-cas do implante sem o risco da danificação do material. A propriedade mecânica que mais representa a estabilidade do sistema é a rigidez, ou seja, a capacidade da montagem de resistir aos esforços nela aplicados apresentando mínima mo-vimentação do segmento.
A análise de nossos resultados demonstrou que o estabilizador transversal participa significativamente na estabilidade mecânica do sistema de fixação estudado. Contudo, o grau de estabilidade mecânica requerida para assegurar uma ótima consolidação óssea ainda perma-nece desconhecido.
CONCLUSÃO
Os resultados observados nos ensaios mecânicos realizados demonstraram que o estabilizador transversal aumenta a estabilidade mecânica do fixador interno no plano frontal e principalmente no plano rotacional, sendo que o uso de dois estabilizadores fornece maior estabilidade rotacional ao sis-tema de fixação vertebral. O posicionamento transversal ou oblíquo do estabilizador transversal no sistema de fixação não altera a estabilidade do sistema.
