Análise Computacional de Materiais utilizados na
Fixação da Coluna Vertebral
AM Santos
1, FM Araújo-Moreira
2, NA Parizotto
3 1Universidade Federal de São Carlos/Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia, São Carlos, Brasil
2
Universidade Federal de São Carlos/Departamento de Física, São Carlos, Brasil
3
Universidade Federal de São Carlos/Departamento de Fisioterapia, São Carlos, Brasil
Resumo - Com o objetivo de analisar o comportamento biomecânico de fixadores internos da coluna
vertebral e da estrutura óssea, foram confeccionados as peças e o conjunto (estrutura óssea X fixador de coluna) com o auxílio de um software de modelagem de sólidos. Os materiais utilizados nos ensaios foram o titânio, atualmente no mercado, e um polímero derivado do óleo de mamona destinado ao desenvolvimento de implantes ósseos. Os resultados serão comparados aos modelos experimentais simulados em uma máquina universal de ensaios.
Palavras-chave: óleo de mamona, fixadores internos da coluna vertebral, simulação computadorizada.
Abstract – With the objective of analyze the way of biomechanical fixators internal spine and bone structure,
were made parts and whole (bone structure X fixing column) with the help of a software modeling of sound. The materials used in the tests were the titanium, currently on the market, and a polymer derived from the castor oil for the development of bone implants. The results will be compared to experimental models simulated on a universal testing machine.
Key-words: castor oil, internal fixators of spine, computing simulation.
Introdução
Do começo ao fim da vida, o sistema esquelético ajustase para manter a integridade estrutural dos ossos, que no cotidiano está sujeito a várias condições de carregamento mecânico. Conseqüentemente, a resposta estrutural, em parte, deve-se ao passado histórico de cargas impostas sobre o esqueleto, à necessidade presente, e à antecipação de demandas futuras [1].
Na prática ortopédica, freqüentemente, nos deparamos com situações em que existem alterações da continuidade óssea (perda óssea segmentar ou fraturas), especialmente devido aos traumatismos de alta energia, tumores, infecções e más-formações congênitas [2].
Existe uma deformação contínua dependendo do tempo de aplicação da carga. O principal elemento na capacidade da vértebra para suportar carga é osso esponjoso. O osso cortical contribui com 10% da resistência à compressão e o esponjoso com 50% [3].
A fixação da coluna vertebral para correção de patologias consiste em tornar o segmento lesado rígido utilizando parafusos e bastonetes apropriados de maneira que uma força de extensão possa ser aplicada.
Atualmente os fixadores, têm sido usados não apenas como estabilizador de fraturas, mas
também como alongador e compressor do osso, transportador de fragmentos ou segmentos ósseos e redutor de fratura [4]. Porém, ainda pouco se sabe sobre o comportamento mecânico dessas estruturas e qual a correlação entre a escolha do sistema e da montagem, o tipo de enfermidade a ser tratada e as complicações passíveis ao conjunto [5].
O aumento das aplicações e do número de modelos de aparelhos disponíveis e os estudos da influência dos esforços na consolidação óssea demandaram a investigação das características mecânicas desses dispositivos e de suas variações de montagens, com o intuito de adequá-las às aplicações clínicas desejadas [6]. A maioria dos fixadores encontrados no mercado para o trato clínico, já foram utilizados em trabalhos de simulações e são constituído de titânio[7].
No Brasil, o estudo da biomecânica da coluna iniciou-se em 1987 [8]. Existem três tipos de estudos biomecânicos da coluna vertebral: testes de força, de fadiga e de estabilidade [9]. Os testes de força são feitos pela aplicação de uma força progressiva maior, até que ocorra falência estrutural. O de fadiga é feito mediante a aplicação repetida de uma carga, até que ocorra falência estrutural e o de estabilidade é dado a partir da aplicação de diversas cargas com sentidos diferentes [10].
Com a idéia de facilitar a analise de pontos específicos de modelos tridimensionais criou-se o método dos elementos finitos (MEF), que consiste na subdivisão do problema em pequenas regiões (elementos), onde o comportamento do campo de interesse possa se aproximar por funções simples, tais como polinômios ou funções harmônicas. Uma das razões dessa simplificação é a redução das incógnitas no sistema de equações e como conseqüência a redução do tempo computacional.
O químico Gilberto Chierice, do Instituto de Química de São Carlos, da USP, usou o óleo extraído da mamona como matéria-prima para compor um polímero, que pode ser substituído gradativamente por células ósseas, além de servir como matriz para a produção de próteses biocompatíveis e que não apresentam rejeição. Dentro dessa linha, o estudo das poliuretanas derivadas de óleo de mamona, além de ser de grande importância para o Brasil, por ser uma matéria prima abundante no país, é um material biocompatível e resistente[11].
Estabilidade química ou biológica, densidade e peso adequados, resistência e elasticidade, além de baixo custo são qualidades essenciais para a indicação de um biomaterial, mas todos esses fatores devem estar aliados à biocompatibilidade, que é o requisito primordial para que um material possa entrar em contato com o tecido vivo sem danificá-lo [12].
Metodologia
A modelagem do fixador interno de coluna vertebral (hastes, sapatas, porcas, parafusos) e da estrutura óssea (cilindro) foram confeccionadas no software de modelagem (Fig. 1).
Fig. 1 Fixador x Estrutura Óssea
Após a modelagem do conjunto no software de engenharia, os dados geométricos foram transferidos para o software de simulação (software utilizado para ensaios mecânicos). O
problema foi dividido seguindo as etapas para a utilização do Método dos Elementos Finitos gerando assim malhas para cada um dos componentes (hastes, sapatas, porcas, parafusos, estrutura óssea) (Fig. 2).
Fig. 2 Geração da Malha
SILVESTRE FILHO (2001) analisou por meio de ensaios de tração e flexão as propriedades mecânicas do polímero de mamona reforçado por fibra de carbono em hastes de implantes de quadril. Também foram realizadas simulações computacionais da haste, juntamente com o dispositivo de ensaio projetado, para comparação com os resultados experimentais. Em suas simulações foram utilizadas como dados de entrada o módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson dos matérias utilizados e também a utilização do método dos elementos finitos.
As propriedades dos materiais utilizados no fixador interno de coluna vertebral e da estrutura óssea são apresentadas (Tabela 1).
Tabela 1 Propriedades dos Materiais Material Módulo de Elasticidade (GPa) Coeficiente de Poisson Osso Esponjoso1 1,37 0,30 Titânio2 103,4 0,33 Poliuretana3 0,7 0,37 1
Valores da literatura Ko, CC et al. [13]
2
Valores da literatura Clelland, NL et al.[14]
3
Valores da literatura Silvestre Filho, GD.[12] Fazem parte das propriedades constitutivas de um material o módulo de elasticidade, densidade, diâmetro, resistência a tração, alongamento até a ruptura, coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica, calor específico. Todas as propriedades são independentes da geometria do material, embora elas não estejam amarradas ao tipo de elemento. As propriedades do material escolhido são
necessárias para resolver as matrizes de cada elemento. Têm-se então aplicações de materiais lineares e/ou anisotrópicos.
Um ponto importante para a análise e projetos de estruturas se relaciona com a deformação causada pela aplicação das cargas a uma estrutura. Este tipo de análise tem como objetivo evitar que as deformações se tornem tão grandes a ponto de impedir que a estrutura venha cumprir os fins aos quais está destinada.
O estudo tem por objetivo analisar as deformações ocorridas nos fixadores de titânios e polímero. Para a validação do modelo foram realizados ensaios de flexo-compressão e flexão lateral com cargas progressivas (Fig. 3), com todos os graus de liberdade da superfície inferior da estrutura óssea (cilindro) travados, para impedir o movimento do conjunto.
Fig. 3 Ensaios de Flexão lateral e Flexo-compressão
A Tabela 2 mostra os diferentes valores das cargas progressivas que foram aplicadas nos fixadores internos de coluna vertebral (titânio e poliuretana de mamona).
Para a comparação dos ensaios experimentais simulados no computador foram realizados os mesmos ensaios em laboratório utilizando a máquina universal de ensaios.
O sistema de fixação com titânio, comumente implantados em pacientes, utiliza parafusos com 35 mm de comprimento e 6 mm de diâmetro (Fig. 4), onde é aplicado um ângulo de 60 graus entre os dois parafusos presos às vértebras, e separados de 10 mm. [17]. Estes dados para estabilidade mecânica do sistema de fixação são dados reais de rotina utilizadas nos sistemas convencionais de fixação.
Fig. 4 Componentes do Sistema de Fixação As matérias-primas que foram utilizadas para as confecções das hastes, sapatas, porcas, assim como para os parafusos de bloqueio, foram o titânio e a poliuretana derivada do óleo de mamona.
Os fixadores de coluna foram submetidos a dois tipos de ensaios mecânicos: flexo-compressão e flexão lateral. Foram realizados os ensaios para cada tipo de fixador e todos os ensaios são conduzidos segundo formas especificadas por normas.
Ao final dos testes, os corpos de prova foram avaliados quanto à existência de deformações em seus componentes e comparados aos ensaios realizados na máquina universal de ensaios e os computacionais.
Resultados
Através do software de simulação (ALGOR) foram aplicadas cargas nos ensaios de flexo-compressão e flexão lateral para verificação das deformações mecânicas das diferentes estruturas.
O software mostrou durante a simulação os pontos de maior e menor tensão e os pontos críticos ocorridas na geometria do objeto.
O presente trabalho pretende contribuir para projeto de fixação de coluna vertebral confeccionado derivado do óleo de mamona; mostrar também a eficiência de métodos computacionais na simulação de fixadores e analisar o comportamento mecânico dos materiais e estudar mudanças na geometria do material com economia de tempo e custo.
A poliurena derivada do óleo de mamona é um material barato e dependendo da analise estrurual poderá substituir o titânio que é material caro. Alguns pontos críticos na geometria do objeto poderá ser modificado através dos softwares trazendo uma certa economia no desperdício de materiais se os resultados se equipararem.
Os sistemas de fixação pedicular têm como vantagem dispensar a imobilização externa e, como desvantagem, o custo [18].
O titânio e suas ligas apresentam propriedades biológicas e mecânicas atrativas no que diz respeito às características de resistência e densidade, e têm sido cada vez mais utilizados para a confecção de implantes para fixação interna das fraturas [19]. Holzach & Matter (1978) demonstraram que os parafusos feitos de ligas de titânio apresentam resistência maior à fadiga do que aqueles de ligas de aço inoxidável [19]. Existe uma desvantagem em relação à utilização das ligas de titânio: sua superfície, ou seja, a sua microestrutura, quando danificada, mesmo que levemente, terá a resistência à fadiga reduzida fortemente [20].
A controvérsia em relação à metodologia para a realização de ensaios mecânicos para avaliação de implantes ortopédicos reside, basicamente, na utilização de ossos humanos e máquinas de testes [21].
Até o presente momento não é conhecida a rigidez ideal do implante para ser utilizado na coluna vertebral, e as investigações clínicas e experimentais indicam que o aumento da estabilidade mecânica dos sistemas aceleram a consolidação óssea e diminuem a taxa de pseudoartrose, e baseados nessas evidências os implantes vertebrais tem sido desenvolvidos [22].
As simulações em computador têm um papel importante na indústria e na pesquisa, permitindo com que pesquisadores testem em computadores desde aviões, até a formulação de novos compostos químicos. Os organismos vivos estão numa complexidade muito superior aos aviões, por isto que os ratos de laboratório não foram substituídos por simulações computadorizadas. Mas o caminho já começou a ser desvendado.
Liang-Horng Chen (1999) utilizou um sistema computadorizado de simulação tridimensional (CAD) para planejar os procedimentos cirúrgicos e prever as alterações pósoperatórias em pacientes candidatos à cirurgia ortognática. Foi desenvolvido um modelo de imagem computadorizada combinando-se uma imagem esquelética cefalométrica em 3D reconstruída e uma imagem da superfície facial escaneada à laser. Além disso, os dados pós-operatórios foram estudados e conectados ao modelo simulador para programação e execução simulada dos procedimentos cirúrgicos. As possibilidades de edição interativa permitiam que os cirurgiões executassem a simulação cirúrgica CAD e que os resultados previstos eram apresentados de forma gráfica e numérica. Os resultados obtidos indicaram que a integração das imagens em 3D e as técnicas de CAD têm o potencial de simular a cirurgia e fornecer informação gráfica aos pacientes [23].
Os resultados práticos ainda estão longe da solução cirúrgica ideal para os problemas da coluna vertebral, pois comparado com as cirurgias reconstrutivas das grandes articulações, como o quadril e o joelho, que permitem a manutenção dos movimentos, realiza-se ainda a artrodese vertebral e eliminando os movimentos nas situações em que instrumenta-se esse segmento do aparelho locomotor. Dentro das possibilidades dos atuais sistemas de fixação vertebral, existem nítidas evidências de que os parafusos poliaxiais podem contribuir de modo importante para solucionar os problemas relacionados ao alinhamento dos parafusos, e a sua utilização com sistemas de barras com ajustes laterais, pode auxiliar ainda mais na solução desse tipo de problema. Seria muito difícil no momento, abandonar-se a utilização dos sistemas que utilizam as hastes longitudinais para a conexão dos implantes, mas existe a crença de que seja válido a divulgação da idéia da utilização das hastes transversais, que talvez possam ser aperfeiçoadas no futuro, ou auxiliar no desenvolvimento de sistemas alternativos para a fixação vertebral [17].
Com base na literatura do assunto e com a colaboração de profissionais da área médica, os resultados deste trabalho fazem parte de uma tese de doutorado onde as comparações servirão para a validação dos ensaios computadorizados realizados no software de simulação, mudanças na geometria dos fixadores e também como um dos objetivos centrais, para a viabilização da aplicação da poliuretana derivada do óleo de mamona no projeto de fixadores internos de coluna vertebral.
Referências
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Autor: Antonio Marcos dos Santos
Instituto: Universidade Federal de São Carlos Rua: Rodovia Washington Luís (SP-310), km 235 Cidade: São Carlos
País: Brasil
