ARTIGO ORIGINAL S.L.B. PEREIRA, O.P. CAMARGO, A.T. CROCI, R. BOLLIGER Nº, C.A.M. PEREIRA, A.M. BAPTISTA & M.T. CAIERO Análise biomecânica dos módulos de titânio das endopróteses modulares empregadas nas substituições dos grandes ossos * SILVIO LUIZ BORGES PEREIRA 1, OLAVO PIRES DE CAMARGO 2, ALBERTO TESCONI CROCI 3, RAUL BOLLIGER NETO 4, CÉSAR AUGUSTO MARTINS PEREIRA 5, ANDRÉ MATHIAS BAPTISTA 6, MARCELO TADEU CAIERO 7 RESUMO Os autores submeteram montagens de 100mm de comprimento, formadas com várias combinações de módulos de 25 ou de 50mm da endoprótese modular de titânio empregada nas reconstruções de tumores ósseos, a ensaios mecânicos de compressão axial excêntrica e de torção, calculando a rigidez do sistema. Concluem que a variação dos tipos de montagens e a direção de aplicação excêntrica de força não foram fatores determinantes de variações no índice de rigidez das montagens. Unitermos Prótese modular; titânio; análise biomecânica ABSTRACT Biomechanical analysis of titanium modular prosthesis The authors submitted 100 mm sets of titanium modular prosthesis to eccentric axial compression or rotational load * Trabalho realizado no Departamento de Ortopedia e Traumatologia da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (DOT-FMUSP). 1. Médico Pesquisador do DOT- 2. Professor Associado da FMUSP; Chefe do Corpo Clínico do IOT-HC- 3. Livre-Docente; Médico Assistente do IOT-HC- 4. Vice-Responsável pelo Laboratório de Biomecânica LIM-41 do IOT-HC- 5. Tecnólogo em Saúde do Laboratório de Biomecânica LIM-41 do IOT- HC- 6. Pós-Graduando do DOT- 7. Preceptor do DOT- Recebido em 13/9/00. Aprovado para publicação em 16/10/00. Copyright RBO2000 and calculated stiffness evolution. The sets were made using several combinations of 25 mm and/or 50 mm modules. They concluded that neither variation in set building, nor direction of eccentric load were factors determining significant variation in the set stiffness index. Key words Modular prosthesis; titanium; biomechanical analysis INTRODUÇÃO A ressecção segmentar óssea com substituição por endoprótese vem sendo realizada no Instituto de Ortopedia e Traumatologia do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo-IOT-HC-FMUSP desde 1955, como método de preservação dos membros nos casos de tumores malignos ósseos e nas lesões metastáticas que acometem o esqueleto. Na última década, com os avanços da quimioterapia para os osteossarcomas e dos métodos de diagnóstico por imagem, e com a evolução dos métodos de estadiamento baseados em critérios anatômicos, novas técnicas operatórias oncológicas foram desenvolvidas, permitindo ampliação nas indicações de ressecções segmentares, inclusive para os sarcomas de alta malignidade. Esses fatores, aliados ao aumento da sobrevida dos pacientes, demandaram o desenvolvimento de endopróteses estáveis, com técnica cirúrgica fácil para instalação e eventual revisão, e que possibilitassem reabilitação a curto prazo e de boa qualidade de vida diária. As endopróteses existentes para substituição segmentar de ossos longos são basicamente classificadas em dois tipos: a pré-moldada, feita sob medida para o paciente, e a modular, que pode ser ajustada no ato cirúrgico. 390 Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 10 Outubro, 2000
ANÁLISE BIOMECÂNICA DOS MÓDULOS DE TITÂNIO DAS ENDOPRÓTESES MODULARES EMPREGADAS NAS SUBSTITUIÇÕES DOS GRANDES OSSOS Fig. 1 Módulos de 25mm e 50mm Fig. 2 Sistema de encaixe dos módulos O sistema modular de endoprótese não é uma idéia nova, tendo sido empregado com sucesso por muitos autores desde 1985, objetivando-se uma reconstrução mais simples. O uso do sistema modular possibilita o emprego imediato da endoprótese, sem a necessidade da confecção sob medida, que, além de estar sujeita a eventuais erros de dimensionamento, demanda espera de tempo para a sua manufatura. O Grupo de Tumores do Instituto de Ortopedia e Traumatologia do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo desenvolveu um sistema de endoprótese modular de titânio para substituição de segmentos diafisários de ossos longos, visando a atender os requisitos citados acima, com ênfase na rapidez e facilidade técnica para inserção e eventual revisão cirúrgicas. Nesse sistema, módulos com tamanhos variados são acoplados, permitindo diversas configurações de montagem para a inserção da endoprótese. O objetivo do presente estudo é comparar várias configurações de montagem do sistema de endopróteses modulares de titânio supracitado, submetendo-as a ensaios mecânicos de torção e de compressão excêntrica, utilizandose a rigidez em fase elástica como parâmetro de comparação. MATERIAL E MÉTODO Fig. 3 Ensaio de compressão axial excêntrica O sistema modular de endoprótese é composto de módulos confeccionados com liga de titânio em diversos tamanhos, para possibilitar o ajuste do comprimento desejado para cada caso. O encaixe entre os elementos é feito pelo sistema de travamento cônico Morse, com componente curto de fixação, permitindo, durante o ato operatório, o travamento e destravamento, quando necessários (fig.1). Os módulos são truncados na face posterior e possuem um pino estabilizador para limitação da rotação (fig. 2). A fixação intramedular é feita nas extremidades da endoprótese através de hastes intramedulares de vários tamanhos e espessuras, que são cimentadas proximalmente e distalmente. Esses componentes conectam-se aos módulos adjacentes pelo mesmo sistema de encaixes cônicos. As montagens utilizadas nos ensaios tinham 100mm de comprimento e foram compostas de módulos de 25mm (P) e 50mm (G), montados com as seguintes configurações: 25 25 25 25 PPPP 25 50 25 PGP 50 25 25 GPP 25 25 50 PPG 50 50 GG Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 10 Outubro, 2000 391
S.L.B. PEREIRA, O.P. CAMARGO, A.T. CROCI, R. BOLLIGER Nº, C.A.M. PEREIRA, A.M. BAPTISTA & M.T. CAIERO efetuadas três repetições, sendo aplicado um torque de até 6,90Nm, na fase elástica. Para cada ensaio foi obtido pelo computador um diagrama força x deformação linear, que foi transformado em diagrama momento x deformação angular através das equações: Fig. 4 Dispositivo móvel para ensaio em torção Os ensaios de compressão axial excêntrica foram realizados em máquina universal de ensaios mecânicos Kratos 5002, dotada de célula de carga de 10tf e provida de dispositivos especiais para montagem dos módulos aos seus cabeçotes fixo e móvel (fig. 3). No dispositivo acoplado ao cabeçote móvel da máquina, havia um pino afastado 25mm do eixo longitudinal para aplicação excêntrica de carga e nos ensaios foram realizadas quatro direções de excentricidade de carregamento: 1) Ântero-medial Carga oposta ao pino estabilizador (AM). 2) Ântero-lateral Carga a 90º com o pino estabilizador (AL). 3) Póstero-medial carga a 90º com o pino estabilizador (PM). 4) Póstero-lateral carga na direção do pino estabilizador (PL). Para os ensaios, padronizou-se o membro inferior direito para direções de aplicação de carga. Os ensaios de carga compressiva excêntrica foram realizados com velocidade de 20mm por minuto, até o limite de 1.400N, dentro da fase elástica, e foram feitas três repetições de ensaio com cada montagem, obtendo-se, pelo computador, o diagrama força x deformação, com o qual se calculou a rigidez na fase elástica (declividade da curva na fase elástica). Para a análise de torção, foi acoplado ao cabeçote fixo, na base da máquina universal de ensaios mecânicos, um dispositivo especial dotado de um sistema de roda denteada e corrente para produzir um movimento de rotação (fig. 4). Foram utilizadas quatro configurações de montagens nos ensaios de torção (PPPP, PGP, GPP e GG), nas quais foram momento (torque) = força x 0,06875 [Nm] deformação angular = deformação linear x 360/ 431,97 [grau] em que: raio da roda denteada = 0,06875m perímetro da roda denteada (360º) = 431,97mm Do diagrama momento x deformação angular foi calculada, pelo computador, a rigidez à torção. Foi feita a comparação da rigidez entre as montagens, para cada direção de aplicação de carga axial e também para aplicação do momento de torção. Nos ensaios de compressão axial excêntrica, foi feita a comparação da rigidez entre as direções de aplicação da carga, para cada tipo de montagem. Para a rigidez (parâmetro quantitativo), foi feita a estatística descritiva da amostra. Nas comparações, foi feita a análise de variância, com discriminação pelo teste de Tukey, adotando-se o nível de significância de 5% (α = 0,05). RESULTADOS Os resultados estão nas tabelas 1, 2 e 3 e nos gráficos 1, 2 e 3. DISCUSSÃO O sistema modular de endoprótese, empregado por diversos autores desde 1955, tem como principais vantagens a possibilidade de emprego imediato, sem a necessidade da confecção do implante sob medida, procedimento este demorado e que está sujeito a eventuais erros de dimensionamento. Há ainda a possibilidade de que variações na ressecção cirúrgica tornem o implante confeccionado maladaptado. A endoprótese modular facilita certas revisões cirúrgicas, que podem ser feitas pela simples troca dos módulos, diminuindo o tempo intra-operatório e a morbidade do procedimento. Este estudo foi idealizado para verificar o que ocorre com as condições de rigidez (e conseqüentemente de segurança) desta endoprótese modular, quando se emprega um número maior ou menor de módulos para preencher um dado comprimento de osso ressecado. Havendo uma 392 Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 10 Outubro, 2000
ANÁLISE BIOMECÂNICA DOS MÓDULOS DE TITÂNIO DAS ENDOPRÓTESES MODULARES EMPREGADAS NAS SUBSTITUIÇÕES DOS GRANDES OSSOS TABELA 1 Resultados médios da rigidez (N/mm) em fase elástica nas diversas direções de aplicação de carga axial em compressão excêntrica, comparando-se as configurações de montagem Direção GG GPP PGP PPG PPPP Anova p = Signif. AL 3.982,00 4.036,53 3.946,07 4.131,27 4.153,37 0,4327 AM 4.174,67 3.838,80 3.770,67 3.587,70 3.708,00 0,0358 PL 4.219,00 4.174,40 3.932,67 3.701,07 4.319,80 0,0358 * PM 4.508,10 4.522,80 4.178,97 4.294,73 3.908,43 0,0130 * Fonte: IOT-HC-FMUSP Teste de Tukey diferenças significativas: PL: PPG x PPPP PM: GG x PPPP e GPP x PPPP TABELA 2 Resultados médios da rigidez (N/mm) em fase elástica nas diversas configurações de montagem, comparando-se as direções de aplicação de carga axial em compressão excêntrica Montagem AL AM PL PM Anova p = Signif. GG 3.982,00 4.174,67 4.219,00 4.508,10 0,4086 GPP 4.036,53 3.838,80 4.174,40 4.522,80 0,0063 * PGP 3.946,07 3.770,67 3.932,67 4.178,97 0,1805 PPG 4.131,27 3.587,70 3.701,07 4.294,73 0,00034 * PPPP 4.153,37 3.708,00 4.319,80 3.908,43 0,0261 * Fonte: IOT-HC-FMUSP Teste de Tukey diferenças significativas: GPP: AL x PM e AM x PM PPG: AL x AM, AM x PM e PL x PM PPPP: AM x PM TABELA 3 Resultados médios da rigidez (Nm/grau) em fase elástica nas diversas configurações de montagem, com aplicação de carga em torção GG GPP PGP PPPP Anova p = Signif. 15,980 14,496 14,324 14,660 0,5564 Fonte: IOT-HC-FMUSP Não houve diferenças detectadas pelo teste de Tukey. semelhança na rigidez, aumentam as possibilidades de opção do cirurgião quanto ao uso desse implante. A aplicação excêntrica de carga axial foi empregada devido ao fato de que, no membro normal, a aplicação não é exatamente centralizada, introduzindo momentos de flambagem no sistema. As montagens foram ensaiadas com diferentes direções de aplicação de carga de compressão excêntrica, para avaliação de possível efeito da assimetria dos módulos, devido ao seu truncamento posterior, e da interferência do pino estabilizador da rotação. Os resultados obtidos para a rigidez podem ser considerados semelhantes, embora tenham ocorrido pequenas variações nos tipos de montagem ensaiadas, dentro da amplitude que seria esperada em um estudo experimental. Os valores dos resultados foram próximos, apesar de algumas comparações resultarem estatisticamente significantes, provavelmente devido à variação extremamente baixa da rigidez em torno da média, em cada um dos tipos de montagem testados. As montagens com maior número de módulos menores (PPPP) apresentaram valores máximos de rigidez nos ensaios com aplicação de carga ântero-lateral e póstero-late- Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 10 Outubro, 2000 393
S.L.B. PEREIRA, O.P. CAMARGO, A.T. CROCI, R. BOLLIGER Nº, C.A.M. PEREIRA, A.M. BAPTISTA & M.T. CAIERO Rigidez (N/mm) 5000 4000 3000 2000 1000 0 AL AM PL PM Direção de aplicação de carga GG GPP PGP PPG PPPP Rigidez (N/mm) 5000 4000 3000 2000 1000 0 GG GPP PGP PPG PPPP Montagens AL AM PL PM Gráfico 1 Resultados médios da rigidez (N/mm) em fase elástica nas diversas direções de aplicação de carga axial em compressão excêntrica, comparando-se as configurações de montagem. Fonte: IOT-HC- Gráfico 2 Resultados médios da rigidez (N/mm) em fase elástica nas diversas configurações de montagem, comparando-se as direções de aplicação de carga axial em compressão excêntrica. Fonte: IOT-HC- ral e valores mínimos naqueles com aplicação de carga póstero-medial (gráfico 1). As montagens opostas, com menor número de módulos maiores (GG), mostraram ter rigidez máxima nos testes com aplicação de carga ântero-medial e mínima nos ensaios nos quais foram aplicadas cargas na direção ântero-lateral (gráfico 1). Como os tipos extremos de montagem variaram, em termos de rigidez, do valor mínimo ao valor máximo, ao se alterar a direção de aplicação de carga, a variação de montagem não teve, em geral, influência determinante no valor da rigidez. No aspecto direcionamento de carga (anterior ou posterior), a rigidez foi, em geral, maior na aplicação da carga excêntrica em direções posteriores (póstero-medial e póstero-lateral) (gráfico 1), fato que pode ter sido influenciado por um efeito da localização posterior do pino estabilizador na rigidez. Esse resultado, entretanto, é contrário ao que seria esperado quanto ao efeito do truncamento posterior do módulo, que seria uma menor rigidez na aplicação de cargas longitudinais excêntricas posteriorizadas. Na maioria das montagens (GG, GPP, PGP, PPG) (gráfico 2), o valor máximo da rigidez ocorreu na aplicação de carga póstero-medial, sendo que a direção de aplicação de carga ântero-medial resultou no valor mínimo de rigidez, para maior parte das montagens (GPP, PGP, PPG, PPPP) (gráfico 2). Como as direções mediais de aplicação de carga produziram valores de rigidez tanto máximos como mínimos na maior parte das montagens, pode-se dizer que o fator lateralidade na aplicação de carga axial excêntrica não teve influência isolada na determinação da rigidez. Rigidez (Nm/grau) 16,5 16 15,5 15 14,5 14 13,5 13 GG GPP PGP PPPP Montagens Gráfico 3 Resultados médios da rigidez (Nm/grau) em fase elástica nas diversas configurações de montagem, com aplicação de carga em torção. Fonte: IOT-HC- Nos ensaios de torção, a aplicação do torque foi centralizada no eixo do sistema, não havendo variações na sua direção. Foi ensaiado apenas um tipo de montagem construído com um módulo de 50mm em um extremo e dois de 25mm no outro (GPP), porque, devido à simetria do ensaio, consideramos que o efeito sobre a outra variante (PPG) seria semelhante. Para o ensaio de torção, as variações dos resultados da rigidez entre os diversos tipos de montagens e todas as comparações entre cada dois destes tipos não foram estatisticamente significantes (gráfico 3). Nestes ensaios, variações no tamanho e no número dos módulos utilizados não produziram alterações na rigidez do sistema, comprovando a eficiência do pino estabilizador. Podemos concluir que o receio, em termos da soltura das montagens dos componentes modulares pelo uso de maior número de módulos maiores, o que seria uma desvantagem do método, não ficou demonstrado por este ensaio. Apesar de serem necessários outros ensaios visando à 394 Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 10 Outubro, 2000
ANÁLISE BIOMECÂNICA DOS MÓDULOS DE TITÂNIO DAS ENDOPRÓTESES MODULARES EMPREGADAS NAS SUBSTITUIÇÕES DOS GRANDES OSSOS resistência, podemos afirmar que esta endoprótese modular pode ser empregada com boa confiabilidade na reconstituição após amplas ressecções ósseas. CONCLUSÕES A direção de aplicação de carga axial excêntrica não é, isoladamente, fator determinante de um sentido de variação no valor da rigidez. A variação de tipos de montagens também não é, por si, determinante de alterações na rigidez à compressão axial excêntrica. Não há diferença na rigidez à torção com a variação dos tipos de montagem. REFERÊNCIAS 1. Camargo F.P.: Ressecção segmentar em tumores ósseos e reconstituição cirúrgica do esqueleto: estudo de 81 casos [Tese]. São Paulo: Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo, 1967. 2. Camargo O.P.: Tratamento cirúrgico de tumores: ressecção e reconstituição com endopróteses de polietileno [Tese]. São Paulo: Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo, 146 p., 1989. 3. Camargo O.P., Croci A.T., Campos Filho R.: Nova endoprótese diafisária no tratamento de neoplasias ósseas metastáticas. Resultados preliminares. Rev Bras Ortop 27: 841-843, 1992. 4. Camargo O.P., Croci A.T., Oliveira N.R.B., Campos Filho R.: Endoprótese parcial proximal de tíbia (25 casos 1975/1991). Rev Bras Ortop 27: 819-821, 1994. 5. Kaburwoglu Y., Grimer R.J., Tillman R.M., Carter A.S.: Endoprosthetic replacement for primary malignant tumor of the proximal femur. Clin Orthop 358: 8-14, 1999. 6. Kotz R.: Tumor endoprosthesis in malignant bone tumors. Orthopäde 358: 8-14, 1999. 7. Velkenke H.K., Oldloff J., Postma A.: An extendable modular endoprothetic system for bone tumor management in the leg. J Biomed Eng 12: 91-96, 1990. 8. Velkenke H.K., Schrafordt Koops H., Veth R.P., et al: Development and test of tendable endoprosthesis for bone reconstruction in the leg. Int J Artif Organs 17: 155-162, 1994. 9. Wintz D.C., Heler K.D., Wietlhand F.U.: Biomechanical aspects of load bearing capacity after endoprosthesis replacement of the hip joint Evolution of current knowledge and review of the literature. Z Orthop Ihre Grenzgeb 136: 310-316, 1998. Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 10 Outubro, 2000 395