Rev. bras. ortop. vol.52 número4

(1)

SOCIEDADE BRASILEIRA DE ORTOPEDIA E TRAUMATOLOGIA

w w w . r b o . o r g . b r

Nota

Técnica

Análise

de

elementos

finitos

da

distribuic¸ão

de

tensões

equivalentes

nos

pinos

de

Schanz

durante

o

uso

do

distrator

femoral

de

fraturas

夽

Vincenzo

Giordano

a,∗

,

Alexandre

Leme

Godoy-Santos

b

,

William

Dias

Belangero

c

,

Robinson

Esteves

Santos

Pires

d

_,

_Pedro

_José

_Labronici

e

_e

_Hilton

_Augusto

_Koch

f

a_Hospital_Municipal_Miguel_Couto,_Servic¸o_de_Ortopedia_e_{Traumatologia}_Prof._Nova_Monteiro,_Rio_de_Janeiro,_RJ,_Brasil

b_Universidade_de_São_Paulo,_Faculdade_de_Medicina,_Hospital_das_Clínicas,_São_Paulo,_SP,_Brasil

c_Universidade_Estadual_de_Campinas,_Disciplina_de_Ortopedia_e_{Traumatologia,}_Campinas,_SP,_Brasil

d_Universidade_Federal_de_Minas_Gerais,_Departamento_do_Aparelho_Locomotor,_Belo_Horizonte,_MG,_Brasil

e_Universidade_Federal_Fluminense,_Departamento_de_Ortopedia_e_{Traumatologia,}_Niterói,_RJ,_Brasil

f_Universidade_Federal_do_Rio_de_Janeiro,_Faculdade_de_Medicina,_Departamento_de_Radiologia,_Rio_de_Janeiro,_RJ,_Brasil

informações

sobre

o

artigo

Históricodoartigo:

Recebidoem16dejunhode2016 Aceitoem20dejunhode2016 On-lineem23dejaneirode2017

Palavras-chave:

Análisedeelementosfinitos Pinosortopédicos

Fraturasdofêmur Fixadoresexternos Resultadodotratamento

r

e

s

u

m

o

Avaliarocomportamento do estressemecânico e da deformação elástica exercida na transiçãorosca-talolisodospinosdeSchanzdodistratorfemoraldefraturasemmontagens comdiferentesdistânciasdeancoragemdospinosnacorticalósseadeentradaatravésde estudodadistribuiçãoedalocalizaçãodetensõesnocorpodeprova.

Feitaanálisedeelementosfinitos3Dparaaavaliaçãodadistribuiçãodastensões equi-valentesemumpinodeSchanzfixadodemodobicorticaleortogonalaumossotubular, emdoispadrõesdemontagem:(1)transiçãorosca-talolisodistante20mmdaancoragem dospinosdeSchanznacorticaldeentradae(2)transiçãorosca-talolisodistante3mmda ancoragemdospinosdeSchanznacorticaldeentrada.Foramfeitassimulaçõese manteve--seamesmadireçãodacargaeamesmadistânciadovetorforçaemrelaçãoaocentro doossohipotético.Acargaaplicada,suadireçãoeadistânciaaocentrodoossoforam constantesduranteassimulaçõesparamanteromomentofletorigualmenteconstante.Os cálculosapresentadosdemonstraramcomportamentolineardurantetodooexperimento. Verificou-sequeomodelocomumadistânciade20mmentreaancoragemdospinosde Schanznacorticalósseadeentradaeatransiçãorosca-talolisoreduziuoriscoderuptura oufadigadomaterialduranteaaplicaçãodecargasestáticasconstantes.Nessemodelo, asforçasmáximasobservadasforamsuperiores(350Mpa).Aanálisedocomportamentodo estressemecânicoedadeformaçãoelásticaexercidanatransiçãorosca-talolisodospinosde Schanzdodistratorfemoraldefraturasmostrouquedistânciasmaioresentreaancoragem dospinosnacorticalósseadeentradaeatransiçãorosca-talolisodospinosdeSchanz

夽

TrabalhodesenvolvidonoHospitalMiguelCouto,DepartamentodeOrtopedia,RiodeJaneiro,RJ,Brasil;enaUniversidadedeSãoPaulo, FaculdadedeMedicina,DepartamentodeOrtopediaeTraumatologia,SãoPaulo,SP,Brasil.

∗ _Autor_para_{correspondência}_.

E-mail:[email protected](V.Giordano).

http://dx.doi.org/10.1016/j.rbo.2016.06.009

(2)

permitemmenorestressemecâniconatransic¸ãorosca-talolisoemaiorgraudedeformac¸ão elásticadomaterialeminimizamquebraoufadiga.Adistânciasugeridaéde20mm.

Finite

element

analysis

of

the

equivalent

stress

distribution

in

Schanz

screws

during

the

use

of

a

femoral

fracture

distractor

Keywords:

Finiteelementanalysis Bonenails

Femoralfractures Externalfixators Treatmentoutcome

a

b

s

t

r

a

c

t

Toevaluatethemechanicalstressandelasticdeformationexercisedinthethread/shaft transitionofSchanzscrewsinassemblieswithdifferentscrewanchoragedistancesinthe entrancetothebonecortex,throughthedistributionandlocationoftensioninthesamples. Ananalysisof3Dfiniteelementswasperformedtoevaluatethedistributionofthe equivalentstress(triplestressstate)inaSchanzscrewfixedbicorticallyandorthogonallyto atubularbone,usingtwomountingpatterns:(1)thread/shafttransitionlocated20mmfrom theanchorageoftheSchanzscrewsintheentrancetothebonecortexand(2)thread/shaft transitionlocated3mmfromtheanchorageoftheSchanzscrewsinentrancetothebone cortex.Thesimulationswereperformedmaintainingthesamedirectionofloadingandthe samedistancefromtheforcevectorinrelationtothecenterofthehypotheticalbone.The loadapplied,itsdirection,andthedistancetothecenterofthebonewereconstantduring thesimulationsinordertomaintainthemomentofflexionequallyconstant.Thepresent calculationsdemonstratedlinearbehaviorduringtheexperiment.Itwasfoundthatthe modelwithadistanceof20mmbetweentheSchanzscrewsanchorageintheentranceto thebonecortexandthethread/shafttransitionreducestheriskofbreakageorfatigueof thematerialduringtheapplicationofconstantstaticloads;inthismodel.themaximum forcesobservedwerehigher(350Mpa).ThedistancebetweentheSchanzscrewsanchorage attheentrancetothebonecortexandthesmooththread/shafttransitionofthescrews usedinafemoraldistractorduringacutedistractionofafracturemustbefartherfromthe entrancetothebonecortex,allowinggreaterdegreeofelasticdeformationofthematerial, lowermechanicalstressinthethread/shafttransition,andminimizedbreakageorfatigue. Thesuggesteddistanceis20mm.

Introduc¸ão

Nomanejodediversassituaçõesortopédicasrelacionadasao trauma, como asfraturas diafisárias dos ossos longos dos membrosinferioreseosdistúrbiosdeconsolidação,ousode instrumentosdereduçãoindireta,comoodistratorfemoralde fraturas,desenvolvidopeloGrupoAO,1_aplicado_como_medida adjuvanteaoalinhamentodafratura,representaimportante vantagemdurante oprocedimentocirúrgico. Sua aplicabili-dadevaialémdoganhodecomprimentoduranteacirurgia, existeapossibilidade defazer simultâneaouisoladamente correçõesangulareserotacionais.Apósaobtençãodos ajus-tespretendidos,serveparamanterosfragmentosósseosem posição até que seja terminada a osteossíntese definitiva. Diversosestudosmostram suaaplicaçãonasmaisvariadas situaçõesdotraumaortopédico.2,3

Deacordocomatécnicadeuso,aintroduc¸ãodospinos deSchanz,umnofragmentoprincipalproximaleoutrono principal distal, colocados de forma perpendicular ao eixo longodo osso operado, permite posic¸ãoparalela docorpo

rosqueadododistratoraoosso.Sãodeslizadasasmangasde proteçãosobreospinos,comoobjetivotantodeumaproteção biológica quantomecânica na interfacepartes moles-pino--osso.Duranteadistraçãodofocodafratura,pseudoartrose ouosteotomia,amaiorconcentraçãodeestresseéobservada nacorticaladjacenteaolocaldeentradadospinos,coincide comaáreademaiorfrequênciadefalhaseafrouxamentos dessematerial.4

(3)

fixadanascorticaiscis(deentrada)etrans(oposta)doossoeo talolisoestejatotalmenteapoiadonacorticalcis.9

Nossahipóteseéquantomenoradistânciadatransic¸ão rosca-talolisoeopontodeancoragemdoSchanznacortical deentrada,maioréoestressemecânicogeradonatransic¸ão e,portanto,maiororiscodequebraoufadiga.

Opresenteestudofoiidealizadoparaavaliaradistribuição doestressemecânicoeadeformaçãoelásticadomaterialnos pinosdeSchanzduranteumadistraçãogradualem monta-genscom diferentesdistânciasdeancoragemdospinosde Schanznacorticalósseadeentrada pormeio deestudoda distribuiçãoedalocalizaçãodetensõesnocorpodeprova.

Métodos

Modeloexperimental

Após aprovação do projeto pela Comissão Científica da instituição sob o número 0347-2015, foi feita a análise de elementos finitos 3D monocorpo para a avaliação hipoté-ticadadistribuiçãodastensõesequivalentes(estadotriplode tensões)emumpinodeSchanzfixadoaumossotubular hipo-tético.Omodeloósseousadofoivirtualmentemapeadodeum ossolongo,emsuaporçãodiafisária,pormeiodeestudode elementofinitocomputacional.

Nasituac¸ãoestudada,opinodeSchanzfoifixadodemodo bicortical eortogonal aoosso hipotético eapresentou dois padrõesdemontagem.

Montagem1(M1):atransic¸ãorosca-talolisodistanciou-se 20mmdacorticaldeentrada(fig.1).

Montagem2(M2):atransiçãorosca-talolisodistanciou-se 3mmdacorticaldeentradaessadistânciafoide3mm(fig.1). Nosoftware deanálise, omodelo dopino deSchanz foi simplificadocomaeliminaçãográficadesuaparte rosque-ada,essa representadaporseudiâmetrointerno. Comisso, objetivou-sefacilitaracompreensãodaapresentaçãográfica dasimulação.

Ensaios

Foramfeitasduassimulaçõescomavariaçãodeposiçãodo pinodeSchanz,mantiveram-seamesmadireçãodacargaea mesmadistânciadovetorforçaemrelaçãoaocentrodoosso hipotético.Acargaaplicada,suadireçãoeadistânciadocentro doossoforamconstantesduranteambasassimulações,com ointuitodemanteromomentofletorigualmenteconstante. Aconstruçãododiagramadomomentofletorémostradana

figura2.10

AdistribuiçãodastensõesequivalentesnopinodeSchanz durante o momento fletor nas duas montagens estudadas foicalculadaemMPa.Arepresentaçãográficadaszonasde concentração de estresse foi construída no computador e usadaparailustraresseestudo.

Resultados

Nasduassituac¸õesestudadas,observou-sequearegiãode transic¸ãorosca-talolisodopinodeSchanzfoiademaior sen-sibilidadeàfadigadurantetodaaanálise.Todososcálculos

0

A

a b

B

B M₀

M₀

Figura1–Construc¸ãodosdiagramasusadosparaaanálise deelementosfinitosdadistribuic¸ãodastensões

equivalentes.

A,taloliso;b,rosca,M0,momentofletorinicial;1A–M1,a

transic¸ãorosca-talolisodistanciou-se20mmdacorticalde entrada;1B–M2,atransic¸ãorosca-talolisodistanciou-se 3mmdacorticaldeentrada.

0

M

0 = -Fa

x

Figura2–Construc¸ãododiagramadomomentofletor. Durantetodooestudo,acargadeflexãofoimantida constante.

apresentadosdemonstraramcomportamentolineardurante todooexperimento.

Montagem1

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Figura3–Representaçãográficadaszonasdeconcentraçãodeestresse(A)eilustraçãodadeformaçãosofrida(B)pelopino deSchanzM1.Observarqueadissipaçãodoestresseocorreuaolongodarosca,nãohouvemaiorriscodefadiga

natransic¸ãorosca-taloliso.

área exposta da rosca dopino de Schanz,notou-se maior dissipaçãodoestresseatéaregiãodetransiçãocomotaloliso. Arepresentaçãográficadaszonasdeconcentraçãodeestresse eailustraçãodesseensaioencontram-senafigura3.

Montagem2

Dosgráficosapresentadosdacondiçãodemontageminicial– distânciade3mmentreatransiçãorosca-talolisoea corti-caldeentrada –observou-sequeaconcentraçãodetensão ocorreunazona maispróxima ao osso,no lado da tração. Atensãomáximaobservadafoide244MPa.Devidoàpequena áreaexpostadaroscadopinodeSchanz,praticamentenão ocorreudissipaçãodoestresse,houvegrandedeformaçãona regiãodetransiçãocomotaloliso.Arepresentaçãográficadas zonasdeconcentraçãodeestresseeailustraçãodesseensaio encontram-senafigura4.

Discussão

Odistratorfemoraléatualmenteumadasferramentasmais úteisnaobtençãodareduçãoindireta dafratura em diver-sassituações dotrauma esquelético.2,3 _Sua_{versatilidade} _e facilidadedeaplicaçãootornaramumamedidacirúrgica adju-vanteimportante,combaixataxadecomplicações.Umdos fatores que podem complicar durante seu uso, especifica-mentenomomentodadistraçãodofocodefratura,éasoltura ouaquebradospinosdeSchanz,acarretaalgumasvezeso

alargamentodotempocirúrgico,oaumentodaviadeacesso e,eventualmente,atéamudançanatáticaoperatória.Nesse sentido,acolocaçãodospinoséumdospontoscríticosdo pro-cedimentoedeveserperfeitamenteexecutada,umavezque foidemostradaqueamaiorconcentraçãodeestresseocorre nacorticaldeentradadeles.4–6

Emboraasimplicaçõesbiológicaemecânicadafalhados pinossejamdiscutíveis,sabe-sehojequeaadequadaresposta dohospedeiroquantoàosteointegraçãocomomaterial metá-licoeaexistênciadeestabilidadenomeioambientedofoco defraturasãofatoresdegrandeimportâncianasobrevidados pinosdeSchanz.Diferentementedosfixadoresexternos,no entanto,principalmentequandousadosporperíodos prolon-gados,comodurante alongamentosetransportes ósseos,a relaçãoentreospinosmetálicosearespostahistológicado ossonãoocorreaousar-seodistratordefraturas.A ausên-cia demecanismo biológico deintegração óssea acentuaa necessidade de obtenção de máxima resistência mecânica nainterfacepino-osso durantecondiçõesde cargaestática, presentes quando distração é aplicada para a correção de encurtamentos,porexemplo.5

O conceito básico de que a unidade coaxial possa manter as cargas exercidas na direção do eixo longo de deformação extrapola, na visão dos autores, a interface osso (em sua cortical cis) e pino metálico.7,11 _Uma _vez que clinicamente observam-se falhas relacionadas à que-bra dos pinos durante o uso do distrator de fraturas, a relaçãorosca-talolisodopinodeSchanzaparentateralgum graudecontribuiçãonaresistênciamecânicadamontagem.

(5)

Estudosfeitoscomfixadoresexternosmostraramqueospinos suportam grande quantidade de forc¸a em flexão e que a transic¸ãorosca-talo lisoéo pontodemenorresistência do implante.9,12,13

Nopresente estudo,com aanálisede elementosfinitos, foi avaliada a distânciaideal de ancoragem na corticalde entradadatransiçãorosca-talolisodospinosdeSchanzsob cargasconstantes.Aocontráriodoesperado,observou-seque quantomaior a área expostada rosca do pino de Schanz, maior a dissipação do estresse até a região de transição comotaloliso,hipoteticamentesereduzoriscodequebra oufadiga do materialdurante cargas estáticasconstantes, embora as forças máximas observadas tenham sido mai-ores nesse modelo – 350MPa. Quando a área exposta da roscadopinodeSchanzfoipequena(3mm),notou-segrande concentraçãodeestressenaregiãodetransiçãodaroscacomo talolisoecomomonocorpodeteste.Naprática,umavezque amaiorconcentraçãodecargasdecompressãoede cisalha-mentoocorreexatamentenasregiõesdetransiçãodospinos deSchanz(rosca-talolisoerosca-corticaldeentrada),pode-se inferirqueexistamaiorriscodefadigadomaterialduranteo momentofletor,quesedáaodistrairagudamenteofocode fratura.1,8

Em paralelo ao conceito de área de trabalho numa construção de osteossíntese de acordocom o princípiode estabilidaderelativa,quantomaioracapacidadeelásticade deformaçãodopinodeSchanzusadonodistratordefraturas, menorseuriscodequebraoufadiga.14_Por_ser_uma proprie-dadeextrínseca,olimiteelásticoaoqualospinosdeSchanz podemsersubmetidosduranteadistraçãoagudadeumfoco defratura,porexemplo,dependebasicamentedosseus diâ-metroeformatoedaspropriedadesdomaterialdequeforam feitos.14_Oni_et_al_.4_sugeriram_que_o_uso_de_pinos_de_Schanz feitosdetitânioecomroscacurtageramenorestressee, por-tanto,menor riscode falha.Mercadante etal.9 _observaram maiorresistênciaàsforçasdeflexão quandootamanhoda roscadopinoémenor(15mm).

Umpotencialpontodecríticadoatualestudoénãotermos estudadoexatamenteaspropriedadesdomaterialdospinos deSchanz.Emboraesseaspectosejadeextremarelevânciana avaliaçãodaresistênciamecânicadessesimplantes,aanálise iriarequerermaiselementoseosresultadosseriammais com-plicadosdeseremcompreendidos.Estabelecemosumobjetivo bastanteespecífico,quefoi determinarpormeio deestudo dadistribuiçãoedalocalizaçãodetensõesnocorpodeprova amelhordistânciadeancoragemdacorticaldeentradada transiçãorosca-talolisodospinosdeSchanz.Aomantermos forçaconstanteerazãodedeformaçãoregular,acreditamos ter controlado totalmente qualquer variável, independen-temente das propriedades extrínsecas do material. Outro ponto de críticaé quenão foi determinadaqual a distân-ciaidealdatransiçãorosca-talolisoàcorticalcis.Combase nosmodelosestudados, sugerimosque sejade nomínimo de20mm.Abre-se,entretanto,apossibilidadedequenovos experimentossejamfeitosparaaprecisadeterminaçãodessa distância.

Acreditamos que os dados obtidos nesse experimento tenham aplicabilidade clínica no tocante à colocação dos pinosdeSchanzparausoduranteadistraçãoagudade fra-turascomodistratorfemoral.Comaaproximaçãodoponto

de final da rosca à cortical de entrada dopino, observou--sequeaconcentraçãodetensãonazonamaisfrágildesse implante ao fenômeno de fadiga de alto ciclo dos mate-riais metálicos é maior. Isso demonstra que a introdução do pino atéque suarosca estejadentrodo ossoou muito próximo a ele gera uma condição de maior fragilidade à fadiga.

Conclusão

A análise do comportamento do estresse mecânico e da deformaçãoelásticaexercidanatransiçãorosca-talolisodos pinosdeSchanzdodistratorfemoraldefraturasmostrouque distânciasmaioresentreaancoragemdospinosdeSchanzna corticalósseadeentradaeatransiçãorosca-talolisodospinos deSchanzpermitemmenorestressemecâniconatransição rosca-taloliso,maiorgraudedeformaçãoelásticado mate-rial,oqueminimizaquebraoufadiga.Adistânciasugeridaé de20mm.

Conflitos

de

interesse

Osautoresdeclaramnãohaverconflitosdeinteresse.

r

e

f

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ê

n

c

i

a

s

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