Análise das propriedades biomecânicas dos tendões dos músculos tibial anterior e tibial posterior:

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1 ALEXANDRE DE CHRISTO VIEGAS Análise das propriedades biomecânicas dos tendões dos músculos tibial anterior e tibial posterior: estudo experimental em cadáveres humanos Dissertação apresentada à Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Medicina. Área de Concentração: Ortopedia e Traumatologia Orientador: Prof. Dr. Gilberto Luis Camanho São Paulo 2003

2 A persistência é o caminho do êxito. Charles Chaplin iii

3 iv Dedicatória

4 Aos meus pais, Paulo Roberto e Nair, exemplos de caráter e amor aos filhos. v

5 vi Agradecimentos

6 Ao Professor Doutor Gilberto Luis Camanho, orientador desta dissertação, mestre e amigo, a quem devo toda minha formação como cirurgião de joelho, meu sincero agradecimento pelo incentivo constante, pelas oportunidades oferecidas e pelos anos de convivência diária. Ao Dr. Raul Bolliger Neto, pelas orientações sobre os ensaios mecânicos e finalização desta dissertação. Ao Eng. Tomaz Puga Leivas, pela revisão do primeiro protocolo de pesquisa desta dissertação em 1999 e pelos ensinamentos em biomecânica. Ao tecnólogo César Augusto Martins Pereira, pela paciência inabalável e pelo inestimável apoio em todas as fases dos testes mecânicos e análise estatística deste trabalho. vii

7 viii Sumário

8 página Lista de abreviaturas, siglas e símbolos... x Lista de figuras... xiii Lista de quadros... xv Lista de tabelas... xvii Resumo... xix Summary... xxi 1. INTRODUÇÃO REVISÃO DA LITERATURA Alterações biomecânicas decorrentes das formas de armazenamento e esterilização dos enxertos Comparação alo versus auto-enxertos Integração biológica e histologia dos aloenxertos Biomecânica dos aloenxertos, do ligamento cruzado anterior e do ligamento da patela Aplicações clínicas dos aloenxertos MATERIAL E MÉTODO Descrição do Material Obtenção das peças anatômicas Conservação das peças anatômicas Descongelamento Preparo e medição das peças anatômicas Fixação dos corpos de prova Ensaio mecânico de tração Análise Estatística RESULTADOS DISCUSSÃO Material de experimentação Conservação do material Preparo e medição das peças anatômicas Fixação dos corpos de prova Ensaios mecânicos Velocidade de aplicação da carga Diagrama carga-deformação Propriedades mecânicas e estruturais Resistência máxima Rigidez e módulo de elasticidade Alongamento máximo relativo CONCLUSÕES ANEXOS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ix

9 Lista de Abreviaturas, Siglas e Símbolos x

10 ABNT AIDS cm ed. et al. fig. g G Kgf Associação Brasileira de Normas Técnicas Síndrome da Imunodeficiência Adquirida centímetro edição e outros (et allii) figura grama tendão do músculo grácil quilograma-força HCFMUSP Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo H 2 O 2 HIV IKDC IML IOT LCA LCL LCM LCP LP peróxido de hidrogênio (água oxigenada) vírus da imunodeficiência humana International Knee Documentation Committee Instituto Médico Legal Instituto de Ortopedia e Traumatologia ligamento cruzado anterior ligamento colateral lateral ligamento colateral medial ligamento cruzado posterior ligamento da patela xi

11 m min mm MPa MRad metro minuto milímetro megapascal MegaRad, onde Rad = Roentgen absorbed dose n número N Nm Newton Newton x metro p. página SMT SVOC TA TP tf tendão do músculo semitendíneo Serviço de Verificação de Óbitos da Capital tendão do músculo tibial anterior tendão do músculo tibial posterior tonelada-força C graus Celcius > maior que < menor que xii

12 xiii Lista de Figuras

13 página Figura 1 Peças anatômicas preparadas para o teste mecânico Figura 2 Modelo esquemático do dispositivo de posicionamento de tendão Figura 3 Figura 4 Dispositivo de posicionamento do tendão para sua medição Desenho esquemático da medição da área do tendão utilizando um projetor de perfil para visualização por raios refratados (à esquerda) e refletidos (à direita) Figura 5 Projetor de perfil Figura 6 Garras utilizadas no ensaio de tração Figura 7 Tendão preso às garras antes do teste mecânico Figura 8 Figura 9 Figura 10 Tendão preso às garras na máquina de ensaios mecânicos no início do teste mecânico Máquina de ensaios, painel de controles e microcomputador acoplado ao sistema Gráfico carga [N]-deformação [mm] referente ao ensaio mecânico da amostra de número 13 (TA congelado a -20 C) xiv

14 xv Lista de Quadros

15 página Quadro 1 Quadro 2 Dados referentes ao número da amostra, idade e causa mortis dos cadáveres humanos de onde foram extraídos os tendões utilizados neste estudo Comparação dos valores relativos às áreas de secção transversa do TA e TP com os valores relativos ao SMT, LCA e LP encontrados na literatura Quadro 3 Comparação dos valores da resistência máxima e da velocidade de aplicação de carga com os observados em outros estudos biomecânicos Quadro 4 Comparação dos valores do módulo de elasticidade do TA e TP, medido em megapascal, com os observados em outros estudos biomecânicos para LCA, LP e SMT Quadro 5 Comparação dos valores de rigidez do TA e TP, medida em N/mm, com os observados em outros estudos biomecânicos para LCA, LP e SMT Quadro 6 Comparação dos valores de alongamento máximo relativo do TA e TP, medido em porcentagem, com os observados em outros estudos biomecânicos para LCA, LP e SMT xvi

16 xvii Lista de Tabelas

17 Tabela 1 Tabela 2 Tabela 3 Tabela 4 Tabela 5 Tabela 6 página Valores relativos às características mecânicas dos tendões dos músculos tibiais anteriores congelados a -20 C Valores relativos às características mecânicas dos tendões dos músculos tibiais anteriores congelados a -86 C Valores relativos às características mecânicas dos tendões dos músculos tibiais posteriores congelados a -20 C Valores relativos às características mecânicas dos tendões dos músculos tibiais posteriores congelados a -86 C Comparação dos valores de resistência máxima (Fmax), medida em Newton, dos tendões dos músculos tibiais anteriores (TA) e tibiais posteriores (TP) congelados a -20 C e a -86 C 52 Comparação dos valores da Rigidez, medida em Newton por milímetro, dos tendões dos músculos tibiais anteriores (TA) e tibiais posteriores (TP) congelados a -20 C e a -86 C 53 Tabela 7 Comparação dos valores da área de secção transversa, medida em milímetros quadrados, dos tendões dos músculos tibiais anteriores (TA) e tibiais posteriores (TP) congelados a -20 C e a -86 C Tabela 8 Comparação dos valores do módulo de elasticidade (E), medido em megapascal, dos tendões dos músculos tibiais anteriores (TA) e tibiais posteriores (TP) congelados a -20 C e a -86 C Tabela 9 Comparação dos valores de alongamento máximo relativo (ε%), medido em porcentagem, dos tendões dos músculos tibiais anteriores (TA) e tibiais posteriores (TP) congelados a -20 C e a -86 C xviii

18 xix Resumo

19 VIEGAS, A.C. Análise das propriedades biomecânicas dos tendões dos músculos tibial anterior e tibial posterior: estudo experimental em cadáveres humanos. São Paulo, p. Dissertação (Mestrado) Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo. Com o objetivo de avaliar as propriedades mecânicas e estruturais dos tendões dos músculos tibial anterior (TA) e tibial posterior (TP), o autor realizou ensaios mecânicos de tração com 72 tendões extraídos de 18 cadáveres humanos frescos, do sexo masculino, com média de idade de 45,2 ± 10,7 anos, variando de 24 a 60 anos. Previamente aos ensaios, os tendões foram divididos em dois grupos do mesmo tamanho e armazenados, cada um dos quais, em congelador comum a -20 C e em supercongelador a -86 C, durante um período de tempo variável, entre 30 e 90 dias antes dos testes. Depois do descongelamento dos tendões em solução isotônica de NaCl, 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, na máquina eletromecânica Kratos, modelo K 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), ligamento da patela (LP) e aos tendões dos músculos grácil e semitendíneo (G e SMT). Concluiu-se que o TP apresenta resistência máxima à tração e área de secção transversa maiores do que o TA; o módulo de elasticidade do TA é maior do que o do TP quando ambos são congelados a -86 C; o congelamento a - 86 C diminui o módulo de elasticidade do TP e aumenta o coeficiente de rigidez do TA; o alongamento máximo relativo do TP é maior do que o do TA quando ambos são congelados a -86 C. 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 semelhanças biomecânicas com o G, SMT e o LCA e o uso destes tendões como substitutos do LCA pode ser sugerido nos casos de reconstrução ligamentar em que a necessidade de enxertos alógenos se impuser. xx

20 xxi Summary

21 VIEGAS, A.C. Biomechanical analysis of anterior and posterior tibialis tendons: experimental study in human cadavers. São Paulo, p. Dissertação (Mestrado) Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo. The purpose of this study was to evaluate the mechanical and structural properties of the anterior (AT) and posterior (PT) tibialis muscle tendons submitted to axial traction in an electromechanical machine (Kratos K5002), until the point of ultimate failure, with a 20 mm/min speed. We used 72 fresh-frozen human tendons from 18 male cadavers with mean age of 45.2 ± 10.7, ranging from 24 to 60. The tendons were divided in two groups of 36 (18 AT and 18 PT) 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 in a NaCl 0.9% solution and then the cross sectional area at their central portion was measured. We studied the following mechanical properties: ultimate load, stiffness, modulus of elasticity and relative strain (%). Data obtained were compared to those from the literature related to the anterior cruciate ligament (ACL), patellar tendon (PT) and gracilis and semitendinous tendons (G and SMT). The ultimate load and cross sectional area of the PT was superior to AT; the modulus of elasticity of the AT was superior to the PT when they both were frozen at -86 C; freezing at -86 C decreases the modulus of elasticity of the PT and increases the stiffness of the AT; the relative strain of the PT was superior to the AT when they were frozen at -86 C. The comparison between AT and PT with other authors studies showed us that they have biomechanical similarities with G, SMT and ACL and their use as ACL grafts can be suggested in cases of ligament reconstruction where allografts could be used. xxii