Especializando em Cirurgia da Coluna Vertebral do Centro Mineiro de Cirurgia da Coluna - Belo Horizonte( MG), Brasil. 8

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1 artigo original / original article Estudo biomecânico comparativo da resistência às forças de compressão entre os parafusos pediculares poliaxiais e monoaxiais Biomechanical comparative study of compression strength between poliaxial and monoaxial screws Estudio biomecánico comparativo de la resistencia a fuerzas de compresión entre los tornillos pediculares poliaxiales y monoaxiales Luiz Cláudio de Moura França 1 Mauricio Pagy de Calais Oliveira 2 Roberto Sakamoto Falcon 3 Manuel Araújo Porto Filho 4 Marcelo Gonçalves Rugani 5 Pablo Marriot Werlang 6 Leonardo Fernandes de Águiar 7 Roberto Zambelli de Almeida Pinto 8 RESUMO Objetivo: comparar a rigidez de um sistema de fixação pedicular composto por parafusos pediculares monoaxiais com outro composto por parafusos poliaxiais, submetidos às forças de compressão. Métodos: foi utilizado um modelo experimental para avaliar os sistemas de fixação montado e testado conforme as normas do padrão descrito pela American Society for Testing Materials (ASTM) no ensaio F As amostras foram divididas em dois grupos, sendo o Grupo 1 composto pelos ensaios com parafusos fixos e o Grupo 2, com parafusos ABSTRACT Objective: to compare rigidity of a pedicle fixation system composed of monoaxial pedicle screws to one composed of polyaxial screws, submitted to compression strengths. Methods: it has been used an experimental model to evaluate the fixation systems constructed and tested according to norms of the standard described by the American Society for Testing Materials (ASTM) in trial F The samples were divided into two groups. Group 1 was composed of trials using fix screws; Group 2 used polyaxial screws. The RESUMEN Objetivo: comparar la rigidez de un sistema de fijación pedicular compuesto por tornillos poliaxiales sometidos a las fuerzas de compresión. Métodos: Fue utilizado un modelo experimental para evaluar los sistemas de fijación montados y testados de acuerdo con las normas del patrón descrito por American Society for Testing Materials (ASTM) en el ensayo F Las muestras fueron divididas en dos grupos, siendo el Grupo 1 compuesto por ensayos con tornillos fijos y el Grupo 2, con tornillos poliaxiales. Los componentes Trabalho realizado no Centro Mineiro de Cirurgia da Coluna, Belo Horizonte (MG), Brasil e Centro de Caracterização e Desenvolvimento de Materiais da Universidade Federal de São Carlos - UFSCar - São Carlos (SP), Brasil. 1 Cirurgião de Coluna do Hospital Mater Dei e Hospital da Baleia - Belo Horizonte ( MG), Brasil. 2 Cirurgião de coluna do Hospital Vera Cruz e Hospital Belo Horizonte - Belo Horizonte( MG), Brasil. 3 Cirurgião de Ccoluna do Hospital da Baleia e Ortopédico - Belo Horizonte( MG), Brasil. 4 Cirurgião de Coluna do Hospital Life Center e Hospital Belo Horizonte - Belo Horizonte( MG), Brasil. 5 Neurocirurgião e Cirurgião de Coluna do Hospital Vera Cruz - Belo Horizonte( MG), Brasil. 6 Neurocirurgião e Cirurgião de Coluna do Hospital Vera Cruz - Belo Horizonte( MG), Brasil. 7 Especializando em Cirurgia da Coluna Vertebral do Centro Mineiro de Cirurgia da Coluna - Belo Horizonte( MG), Brasil. 8 Residente de Ortopedia e Traumatologia do Hospital Mater Dei - Belo Horizonte( MG), Brasil. Recebido: 12/03/2008 Aprovado: 14/05/2008 ao_35_133_138.indd :03:45

2 134 França LCM, Oliveira MPC, Falcon RS, Porto Filho MA, Rugani MG, Werlang PM, Águiar LF, Pinto RZA poliaxiais. Os componentes metálicos implantados foram produzidos com titânio de mesma origem. Os grupos experimentais foram submetidos a testes mecânicos na máquina universal de ensaios EMIC, modelo EMIC DL Resultados: os resultados obtidos no ensaio de compressão nas amostras do Grupo 1 tiveram carga máxima média de 2104,15 N e carga de escoamento média de 1822,55 N. Os resultados obtidos no ensaio de compressão nas amostras do Grupo 2 tiveram uma carga máxima média de 967,17 N e uma carga de escoamento média de 804,71 N. Visto terem sido realizados testes in vitro, os resultados devem ser analisados no contexto de que existem características cirúrgicas de adaptação da interface haste-parafuso que não são reproduzíveis no momento cirúrgico, quando comparados a testes realizados em condições ideais. Conclusão: o sistema de parafusos fixos apresentou maior resistência às forças de compressão quando comparado ao sistema com parafusos poliaxiais. DESCRITORES: Parafusos ósseos; Placas ósseas; Fixação interna de fratura/instrumentação metallic components implanted were produced with titanium coming from the same origin. The experimental groups were submitted to mechanical tests in a universal testing machine EMIC, model EMIC DL The results obtained in the compression trial in samples of Group 1 showed an average maximum charge of N, and an average discharging load of N. Results: the results obtained in the compression trial in the samples of Group 2 showed an average maximum charge of N, and an average discharging load of N. As the trials were in vitro, the results should be analyzed in the context that there are surgical characteristics of adaptation of the stalk/screw interface that are not reproducible in the surgical situation, when compared to tests carried out in ideal conditions. Conclusion: the system of fix screws has presented greater resistance to compression strengths as compared to the system with polyaxial screws. KEYWORDS: Bone screws; Bone plates; Fracture fixation, internal/instrumentation metálicos implantados fueron producidos con titanio del mismo origen. Los grupos experimentales fueron sometidos a testes mecánicos en la máquina universal de ensayos EMIC, modelo EMIC DL Resultados: los resultados obtenidos en el ensayo de compresión en las muestras del Grupo 1 tuvieron una carga máxima en promedio de N y una carga de declive en promedio de N. Los resultados obtenidos en el ensayo de compresión en las muestras del Grupo 2 tuvieron una carga máxima en promedio de N y una carga de declive en promedio de N. Como los testes fueron in vitro, los resultados deben ser analizados en el contexto de que existen características quirúrgicas de adaptación de la interfase hastatornillo que no son reproducibles en el momento quirúrgico, cuando comparados con los testes realizados en condiciones ideales. Conclusión: El sistema de tornillos fijos presentó mayor resistencia a las fuerzas de compresión cuando comparado con el sistema de tornillos poliaxiales. DESCRIPTORES: Tornillos óseos; Placas óseas; Fijación interna de fracturas/instrumentación INTRODUÇÃO A fixação com sistema de parafusos pediculares da coluna vertebral foi introduzida por Boucher 1, em 1959, e popularizada, posteriormente, por Roy-Camille 2-3. Avanços no desenho dos parafusos e na técnica cirúrgica têm sido feitos por vários autores 4-5 com as finalidades de aumentar a rigidez do sistema 4,6-7 e facilitar a implantação do instrumental, de modo a aumentar a taxa de consolidação, embora o grau de rigidez ideal dos sistemas não tenha sido estabelecido 6. A implantação dos sistemas de parafusos pediculares frequentemente exige ajustes em sua angulação e profundidade para acomodação adequada das hastes 6. Os parafusos poliaxiais, quando comparados com os parafusos monoaxiais, permitem maior facilidade de adaptação das hastes na ausência de seu perfeito alinhamento. Além disso, tem sido observada a diminuição na incidência de quebra dos implantes com a utilização do sistema poliaxial, algo possivelmente relacionado à sua mobilidade, que removeria algum estresse do parafuso pedicular 4. Dentro da revisão da literatura realizada, não há, até o presente momento, um estudo biomecânico realizado in vitro, dentro das normas ASTM F , comparando o sistema de fixação pedicular fixo e poliaxial, montado em corpos de prova e submetido a forças de compressão. O objetivo deste estudo é comparar a rigidez às cargas de flexão de um sistema de fixação pedicular composto por parafusos pediculares fixos com a de um sistema composto por parafusos poliaxiais. MÉTODOS O modelo experimental, utilizado para avaliar os sistemas de parafusos poliaxiais e monoaxiais, associados com hastes, foi montado e testado conforme o padrão descrito pela American Society for Testing Materials (ASTM), no ensaio F O método baseia-se na análise de um modelo de vertebrectomia por meio de largo espaço entre os blocos de polietileno, para avaliação mecânica dos implantes de coluna submetidos a diversas forças 8. No entanto, o presente estudo não teve como objetivo a comparação dos modelos em relação a outras forças que não as de compressão. Os testes foram realizados no Centro de Caracterização e Desenvolvimento de Materiais ao_35_133_138.indd :03:45

3 Estudo biomecânico comparativo da resistência às forças de compressão entre os parafusos pediculares poliaxiais e monoaxiais 135 da Universidade Federal de São Carlos UFSCar. A confecção do modelo foi feita em etapas. Inicialmente, foram confeccionados blocos de polietileno de peso molecular ultraelevado (UHMWPE) nas dimensões demonstradas (Figura 1). Os blocos de UHMWPE possuem a singular característica de eliminar os efeitos de variabilidade das propriedades ósseas e morfometria 8. Em seguida, foi montado o dispositivo, que consistiu de dois blocos de polietileno fixados com parafusos pediculares e unidos por duas hastes longitudinais e um sistema de conexão transversal dentro das normas ASTM F (Figura 2). Figura 1A Figura 1B Figura 1 - Medidas dos modelos dos blocos de polietileno. 1A) Esboço dos blocos de UHMWPE; 1B) Esboço do sistema montado Figura 2 Figura do dispositivo montado para teste Fonte: Universidade Federal de São Carlos Os parafusos poliaxiais e monoaxiais possuem sistema de fixação por meio de porca e parafuso interno, com 6mm de diâmetro e 45mm de comprimento. A identificação das amostras, a especificação, o lote e a codificação dos componentes de cada sistema de fixação estão apresentados nos Quadros 1 e 2. As amostras foram divididas em dois grupos, sendo o Grupo 1 composto pelos ensaios com parafusos fixos e o Grupo 2, com parafusos poliaxiais. Ao final dos testes de compressão, os resultados obtidos foram comparados por meio de análise estatística, buscando-se identificar: o desvio de compensação de 2% escoamento, o deslocamento elástico, a carga de escoamento na compressão, a rigidez (N/mm), o deslocamento máximo na compressão e a carga máxima de compressão. Os componentes metálicos implantados foram produzidos com titânio de mesma origem. Foram utilizados, para o ensaio de compressão, três corpos de prova para cada grupo, com implantes de Ti6AI4V ELI do Sistema de Fixação de Coluna Vertebral Fixação Pedicular Dytech - Baumer S.A. Os grupos experimentais foram submetidos a testes mecânicos na máquina universal de ensaios EMIC, modelo EMIC DL 10000, a uma velocidade de 5mm/min, com a finalidade de avaliar a deformação do sistema quando submetido a forças de compressão, sendo que a velocidade máxima prescrita, por norma, é de 25mm/min. Quadro 1 - Identificação das amostras e identificação dos componentes metálicos implantáveis dos parafusos monoaxiais Grupo 1 Sistema de fixação de coluna vertebral Fixação pedicular Dytech - porca e parafuso interno Descrição do Produto Barra longitudinal Conector de barras Barra Transversal Porca Parafuso para coluna 6,0 x 45mm Parafuso interno Designação CCDM Lote MET Código D A A ao_35_133_138.indd :03:47

4 136 França LCM, Oliveira MPC, Falcon RS, Porto Filho MA, Rugani MG, Werlang PM, Águiar LF, Pinto RZA Quadro 2 - Identificação das amostras e identificação dos componentes metálicos implantáveis dos parafusos poliaxiais Grupo 2 Sistema de fixação de coluna vertebral - Fixação pedicular Dytech - com fixação através de porca e parafuso interno Descrição do Produto Barra longitudinal Barra Transversal Porca Parafuso interno Parafuso para coluna 6,0 x 45mm Designação CCDM Lote MET Código D A A.645 RESULTADOS Os resultados experimentais obtidos pelo ensaio de compressão dos Grupos 1 e 2 são apresentados nas Tabelas 1 e 2. Esses resultados estão documentados nos relatórios MET , para parafusos monoaxiais, e MET , para parafusos poliaxiais. A Tabela 3 apresenta, comparativamente, os resultados finais de cada grupo, sendo este o valor médio obtido a partir das três amostras. Os dados foram analisados por meio do teste T, com intervalo de confiança de 95%. Tabela 1 - Valores obtidos no ensaio de compressão MET Parafusos monoaxiais Amostra MET % elástico Rigidez (N/mm) - escoamento máxima máximo CP1 5,26 3,74 507,82 (50,78 Kgf/mm) 1880,60 (188,06 Kgf) 2100,90 (210,09 Kgf) 16,93 CP2 CP3 Média Padrão 5,30 5,28 5,28 0,02 3,78 3,76 3,76 0,02 510,17 (51,02 Kgf/mm) 509,67 (50,97 Kgf/mm) 509,22 (50,92 Kgf/mm) 1,24 (0,12 Kgf/mm) 1881,70 (188,17 Kgf) 1885,36 (188,54 Kgf) 1882,55 (188,25 Kgf) 2,49 (0,25 Kgf) 2115,70 (211,57 Kgf) 2095,86 (209,59 Kgf) 2104,15 (210,41 Kgf) 10,31 (1,03 Kgf) 17,67 16,98 17,19 0,41 Tabela 2 - Valores obtidos no ensaio de compressão MET Parafusos poliaxiais Amostra MET % elástico Rigidez (N/mm) escoamento máxima máximo CP1 4,42 2,90 344,78 (34,48Kgf/mm) 798,51 (79,85 Kgf) 934,48 (93,48 Kgf) 15,23 CP2 CP3 Média Padrão 4,99 4,46 4,62 0,32 3,47 2,94 3,10 0,32 288,62 818,47 (28,86 Kgf/mm) (81,84 Kgf) 339,67 797,14 (33,97 Kgf/mm) (79,71 Kgf) 324,36 804,71 (32,43 Kgf/mm) (80,47 Kgf) (3,10 Kgf/mm) 11,94 (1,19 Kgf) 929,99 (92,99 Kgf) 1036,70 (103,67 Kgf) 967,17 (96,71 Kgf) 60,27 (6,02 Kgf) 14,83 15,46 15,17 0,32 ao_35_133_138.indd :03:47

5 Estudo biomecânico comparativo da resistência às forças de compressão entre os parafusos pediculares poliaxiais e monoaxiais 137 Tabela 3 - Valores dos ensaios de compressão dos Grupos 1 e 2 Grupos 2% elástico Rigidez (N/mm) escoamento máxima máximo Grupo 1 - Monoaxiais 5,28 3,76 509,22 (50,92 Kgf/mm) 1882,55 (188,25 Kgf) 2104,15 (210,41 Kgf) 17,19 Grupo 2 - Poliaxiais 4,62 3,10 324,36 (32,43 Kgf/mm) 804,71 (80,47 Kgf) 967,17 (96,71 Kgf) 15,17 Com a realização dos ensaios, foram obtidos resultados que, quando colocados em curvas específicas para cada tipo de fixação, apresentaram aspectos semelhantes (Figuras 3 e 4), sendo isso um indicativo da reprodutibilidade do ensaio e da qualidade e uniformidade dos sistemas avaliados. As variações nos formatos das curvas provenientes dos parafusos poliaxiais estão associadas ao torque aplicado durante a montagem dos sistemas. No entanto, não houve quantificação deste. Com relação à integridade dos componentes metálicos implantáveis do sistema com parafusos monoaxiais e poliaxiais, não foi observado nenhum tipo de escorregamento, quebra e/ou soltura de porcas, parafusos ou qualquer outro componente dos sistemas. No sistema com parafusos poliaxiais, houve deformação dos parafusos correspondentes à parte superior do sistema. Já no sistema com parafusos monoaxiais, houve somente deformação das barras lisas (Figura 5). Figura 3 Curvas obtidas nos ensaios de compressão do Grupo 1 Fonte: Universidade Federal de São Carlos Figura 5 Deformação do dispositivo Fonte: Universidade Federal de São Carlos Figura 4 Curvas obtidas nos ensaios de compressão do Grupo 2 DISCUSSÃO A utilização de sistemas de parafusos pediculares para coluna é cada vez mais freqüente, com indicações que variam do trauma à correção de deformidades 5. Alguns estudos sugerem que a fixação rígida com parafusos pediculares aumenta os índices de fusão, embora o grau de rigidez ideal não tenha sido estabelecido 6,9-11. Esses sistemas, em virtude de sua rigidez, requerem alinhamento preciso das cabeças dos parafusos para acomodação das hastes longitudinais, o que muitas vezes não ocorre em virtude de dificuldades técnicas intrínsecas ao procedimento cirúrgico. Os parafusos pediculares poliaxiais permitem certo grau de liberdade e mobilidade que facilitam a construção do sistema. Entretanto, estudos biomecânicos comparando ao_35_133_138.indd :03:48

6 138 França LCM, Oliveira MPC, Falcon RS, Porto Filho MA, Rugani MG, Werlang PM, Águiar LF, Pinto RZA sistemas poliaxiais e monoaxiais têm relatos esporádicos na literatura 4,6, sendo que trabalhos especificamente relativos à comparação de ambos os sistemas em situação de compressão não foram encontrados na revisão realizada. Não existe um modelo universalmente aceito para realização de estudos biomecânicos. Estudos em cadáver têm como limitadores a qualidade óssea, que pode criar situações não representativas da prática clínica, além do preço e da dificuldade para obtenção das amostras. Shepard 6, em estudo biomecânico, utilizou amostras de coluna de porcos. Góes 7 empregou blocos de madeira mogno como modelos. No presente estudo, foram utilizados como modelos blocos de polietileno de peso molecular ultraelevado (UHMWPE), que têm como característica a eliminação dos efeitos de variabilidade das propriedades ósseas e morfométricas 8. Os resultados obtidos no ensaio de compressão nas amostras do grupo de parafusos monoaxiais apresentaram uma carga máxima média de 2104,15N e uma carga de escoamento média de 1822,55N. Já os resultados obtidos no grupo de parafusos poliaxiais demonstraram uma carga máxima média de 967,17N e uma carga de escoamento média de 804,71N. Shepard 6, em estudo utilizando vértebras lombares de porcos, não observou diferenças significativas na rigidez comparando sistemas monoaxiais, híbridos e poliaxiais em situações de flexão-extensão, inclinação lateral esquerda e direita. Em relação a forças torcionais, a construção com parafusos poliaxiais apresentou rigidez significativamente maior, possivelmente em virtude da melhor acomodação da haste longitudinal em relação à cabeça do parafuso, permitindo um melhor contato entre os implantes. No presente estudo, não foi analisada a influência da ausência do estabilizador transversal nos sistemas. Góes 7 mostra que a utilização do estabilizador transversal aumenta significativamente a estabilidade mecânica do sistema no plano frontal e, principalmente, no plano rotacional. CONCLUSÃO No presente estudo, a montagem com parafusos monoaxiais mostrou valores de rigidez, carga de escoamento, carga máxima e deslocamento máximo maiores, com significância estatística, quando comparada com montagens com parafusos poliaxiais. REFERêNCias 1. Boucher HH. A method of spinal fusion. J Bone Joint Surg Br. 1959;41-B(2): Roy-Camille R, Saillant G, Mazel C. Internal fixation of the lumbar spine with pedicle screw plating. Clin Orthop Relat Res. 1986; (203): Roy-Camille R, Saillant G, Mazel C. Plating of thoracic, thoracolumbar, and lumbar injuries with pedicle screw plates. Orthop Clin North Am. 1986; 17(1): Fogel GR, Reitman CA, Liu W, Esses SI. Physical characteristics of polyaxial-headed pedicle screws and biomechanical comparison of load with their failure. Spine. 2003; 28(5): Suk SI, Lee SM, Chung ER, Kim JH, Kim SS. Selective thoracic fusion with segmental pedicle screw fixation in the treatment of thoracic idiopathic scoliosis: more than 5-year follow-up. Spine. 2005; 30(14): Shepard MF, Davies MR, Abayan A, Kabo JM, Wang JC. Effects of polyaxial pedicle screws on lumbar construct rigidity. J Spinal Disord Tech. 2002; 15(3): Góes ALA, Shimano AC, Defino HLA. Estudo biomecânico da participação do estabilizador transversal na estabilidade mecânica das fixações vertebrais com o fixador interno. Coluna/ Columna. 2004; 3(3): Designation: ASTM F Standard Test Methods for Spinal Implants Constructs in a Vertebrectomy Model. USA: ASTM International; [Book of Standards, v ]. 9. McAfee PC, Farey ID, Sutterlin CE, Gurr KR, Warden KE, Cunningham BW Volvo Award in basic science. Devicerelated osteoporosis with spinal instrumentation. Spine. 1989; 14(9): Vaccaro AR, Garfin SR. Pedicle- Screw Fixation in the Lumbar Spine. J Am Acad Orthop Surg. 1995; 3(5): Zdeblick TA. A prospective, randomized study of lumbar fusion. Preliminary results. Spine. 1993; 18(8): Correspondência Luiz Cláudio de Moura França Av. Prudente de Moraes 1965/70 Belo Horizonte (MG), Brasil CEP: francaluiz@hotmail.com Tel: ; ao_35_133_138.indd :03:48