Ensaios mecânicos com espaçadores vertebrais ( cages ) *

ARTIGO ORIGINAL Ensaios mecânicos com espaçadores vertebrais ( cages ) * HELTON L.A. DEFINO 1, ANTÔNIO CARLOS SHIMANO 2 RESUMO Foi realizado ensaio mecânico de resistência à compressão axial, com a finalidade de estudar a resistência máxima de um tipo de espaçador vertebral a essas forças e a influência da utilização do anel interno na resistência mecânica desses espaçadores. O tipo de espaçador utilizado resistiu a cargas de compressão axial da ordem de 7.000N e o emprego do anel interno aumentou sua resistência às forças de compressão axial, tendo sido a diferença entre o grupo com e sem anel interno estatisticamente significativa. Unitermos vertebral; biomecânica; coluna vertebral ABSTRACT Biomechanical testing of vertebral cages A mechanical study was performed to evaluate the mechanical strength and the influence of the inner ring on cages submitted to axial compressive forces. The cages withstood loads of 7000 N and it was observed that the use of inner rings increased the mechanical strength of the cage to axial compressive loads. Key words Cages; biomechanics; spine * Trabalho realizado no Departamento de Cirurgia, Ortopedia e Traumatologia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP (DCOT-FMRP- USP). Trabalho realizado com auxílio do CNPq. 1. Professor Associado do Departamento de Ortopedia e Traumatologia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP. 2. Engenheiro Mecânico do Laboratório de Bioengenharia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP. Endereço para correspondência: Prof. Helton L.A. Defino, Av. Bandeirantes, 3.900 11º and., Ortopedia e Traumatologia, Campus Universitário Monte Alegre 14048-900 Ribeirão Preto, SP. Recebido em 16/5/00. Aprovado para publicação em 3/8/00. Copyright RBO2000 INTRODUÇÃO A cirurgia moderna da coluna vertebral tem sido desenvolvida com o objetivo da realização de artrodeses curtas; podemos afirmar que estamos na era da instrumentação vertebral segmentar, na qual os cirurgiões têm procurado a redução da área de artrodese. A realização de artrodeses mono ou bissegmentares tem sido suficiente para solucionar a grande maioria dos casos relacionados a fraturas, tumores ou doenças degenerativas. Essa tendência moderna da cirurgia da coluna vertebral tem sido baseada no princípio biomecânico que considera o corpo vertebral ou coluna anterior como a parte responsável pelo suporte de cerca de 80 a 85% das forças de compressão que atuam sobre o segmento vertebral (1-3), de modo que a reconstrução dessa parte do segmento vertebral tem sido parte obrigatória dos procedimentos reconstrutivos, com o objetivo de promover uma situação biomecânica mais favorável para a artrodese e equilíbrio da coluna vertebral (4,5). O enxerto tricortical oriundo do osso ilíaco possui as qualidades biomecânicas e biológicas ideais para a reconstrução da coluna anterior do segmento vertebral (6), mas a sua utilização está relacionada ao aparecimento de complicações referentes à área doadora de enxerto (7,8), não sendo portanto procedimento isento de morbidade, além de apresentar limitações relativas ao tamanho e à quantidade de osso a ser retirado do ilíaco. Essas desvantagens da utilização do enxerto ósseo oriundo do ilíaco motivaram o desenvolvimento de alternativas para a reconstrução da coluna anterior do segmento vertebral; em 1986, Harms desenvolveu os espaçadores cilíndricos e fenestrados de titânio (cages), que eram preenchidos com osso esponjoso oriundo do próprio corpo vertebral ressecado, ou do osso ilíaco, para a reconstrução da coluna anterior e resistência à aplicação de cargas axiais (9). Esses espaçadores vertebrais têm despertado nosso interesse para a sua utilização clínica e o objetivo deste traba- Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 7 Julho, 2000 235

H.L.A. DEFINO & A.C. SHIMANO Fig. 1 es vertebrais utilizados no estudo. À esquerda, espaçador com anel interno e, à direita, sem anel interno. lho foi a realização de um estudo biomecânico de uma modalidade de espaçador cilíndrico fenestrado de titânio (G.M. Reis ), com ênfase na sua resistência à aplicação de cargas axiais e ao papel da utilização do anel de reforço interno no aumento da sua resistência às cargas axiais. MATERIAL E MÉTODOS Foram utilizados no estudo dez espaçadores de titânio com 30mm de altura e 16mm de diâmetro, que foram divididos em dois grupos experimentais para o estudo. O grupo I era formado pelos espaçadores sem a utilização do anel interno de reforço e o grupo II pelos espaçadores com o anel de reforço interno, colocado nas duas extremidades do espaçador (fig. 1). Os anéis de reforço apresentavam 4mm de altura e 14mm de diâmetro e eram fixados aos espaçadores por meio de três parafusos (fig. 2). Foram realizados ensaios de compressão utilizando-se máquina universal de teste, tendo sido empregada célula de carga Kratos com capacidade de até 2.000kgf. A velocidade de aplicação de carga foi de 0,1mm/minuto, com uma pré-carga de 5kgf e tempo de acomodação de 30 segundos. As medidas das deformações foram realizadas por meio de um relógio comparador Mitutoyo com precisão de centésimos de milímetros. Os ensaios foram realizados em duas etapas. Na primeira, os testes foram efetuados dentro da fase elástica do material, com o objetivo de estudar a influência do anel interno e comparar a resistência axial dos espaçadores com e Fig. 2 Anel interno do espaçador e seus parafusos de fixação. A) Anel interno aplicado no espaçador. B) Anel interno isolado. sem anel interno. Esse teste foi realizado até uma deformação máxima de 0,2mm, que ainda se encontrava na fase elástica do material. Na segunda etapa, o ensaio mecânico foi realizado até atingir a capacidade máxima dos espaçadores e foi efetuado somente nos espaçadores sem o anel interno. RESULTADOS Os resultados da primeira etapa dos ensaios mecânicos de compressão, que foram realizados dentro da fase elástica do material e com a finalidade de observar os efeitos da utilização do anel interno, estão representados nas figs. 3, 4 e 5. Observou-se um comportamento homogêneo dos espaçadores durante a realização dos testes, que pode ser analisado nos gráficos ilustrando a carga versus a deformação (figs. 3 e 4). As curvas no grupo dos espaçadores 236 Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 7 Julho, 2000

Fig. 3 Aplicação de carga e deformação nos espaçadores sem anel interno Fig. 4 Aplicação de carga e deformação nos espaçadores com anel interno TABELA 1 Valores da rigidez (N/m) observados nos espaçadores com e sem o anel interno Rigidez (N/m) Sem anéis Com anéis Fig. 5 Ensaio comparativo da rigidez dos espaçadores sem e com o anel interno sem anel interno apresentaram menor inclinação quando comparadas com as curvas do grupo dos espaçadores com anel interno, significando maior deformação com a aplicação da mesma carga. Essa diferença da inclinação das curvas mostra a superioridade dos espaçadores com anel interno para a resistência às forças de compressão axial. Os valores da rigidez nos grupos I e II estão representados na tabela 1 e na fig. 5. A rigidez maior foi observada no grupo II (espaçadores com anel interno), tendo sido a diferença estatisticamente significativa (teste t de Student, com p < 0,05). Os resultados da segunda etapa dos testes, realizada somente nos espaçadores sem o anel interno, e no qual foi realizado o ensaio de compressão axial até a capacidade máxima de suporte do material, ultrapassando a sua fase elástica, estão representados nas figuras 6 e 7 e na tabela 2. 1 9433900 10638200 2 9259200 10869600 3 8333000 9259200 4 8794500 10064400 5 9342500 10753700 Média 9032620 10317020 Desvio padrão 462212 667456 Fonte: DCOT-FMRP-USP Foi observado um valor de carga máxima que variou de 7.133 a 7.299N (média de 7.217N e desvio padrão de 62N). As curvas de deformação do teste da carga máxima estão representadas na fig. 6; elas apresentaram comportamento homogêneo nos espaçadores utilizados no ensaio. DISCUSSÃO A reconstrução da coluna anterior do segmento vertebral tem norteado a nossa filosofia de tratamento das patologias da coluna vertebral e o desenvolvimento dos espaçadores vertebrais despertou o nosso interesse devido à sua capacidade de restauração do suporte das cargas axiais, associada à eliminação das desvantagens relacionadas à morbidade da retirada de enxerto ósseo do osso ilíaco (8,10). Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 7 Julho, 2000 237

H.L.A. DEFINO & A.C. SHIMANO Fig. 6 Comportamento dos espaçadores sem anel interno no teste de resistência máxima Fig. 7 Cages sem o anel interno, após o teste de aplicação da carga máxima TABELA 2 Valores da carga máxima (N) suportada pelos espaçadores sem o anel interno Carga máxima (N) 1 7190 2 7251 3 7299 4 7133 5 7212 Média 7217 Desvio padrão 62 Fonte: DCOT-FMRP-USP Até o momento, a utilização do enxerto autólogo continua sendo o padrão para a realização da artrodese vertebral anterior (9) e os resultados obtidos com as novas técnicas devem ser comparados com os conseguidos com a utilização de osso autólogo, que apresenta as vantagens biológicas e o mesmo módulo de elasticidade do osso da vértebra. Os espaçadores ou cages, que é a denominação universalmente utilizada para mencionar esses dispositivos, têm recebido grande atenção por parte dos cirurgiões de coluna e diferentes tipos têm sido desenvolvidos e implantados em pacientes. Esses dispositivos devem possuir rigidez primária para o suporte da carga axial, módulo de elasticidade próximo ao do osso e também deixar espaço livre para a placa vertebral, para que ocorra a integração do enxerto ósseo. Diferentes modalidades de espaçadores vertebrais foram desenvolvidas, existindo basicamente dois tipos: os espaçadores horizontais e os verticais. O tipo de espaçador utilizado em nosso estudo é o vertical; têm sido apontadas algumas vantagens mecânicas desse tipo de espaçador em relação aos horizontais, que, para alcançarem a mesma resistência às forças de compressão axial, necessitam de uma espessura de sua parede de três a quatro vezes maior que os espaçadores verticais. Os resultados observados nos ensaios mecânicos mostraram que os espaçadores verticais utilizados em nosso estudo suportaram cargas axiais de cerca de 7.000N, atendendo às solicitações de carga axial sobre o corpo vertebral, que varia de 2.000 a 5.000N, dependendo da região da coluna vertebral (9). A utilização dos anéis de reforço aumentou a resistência do espaçador às forças de compressão axial e essa diferença foi estatisticamente significativa nos ensaios mecânicos que realizamos. Os anéis de reforço, além de aumentar a resistência às forças de compressão axial, ampliaram a área de contato entre o espaçador e a placa vertebral, reduzindo a probabilidade de sua penetração no interior do corpo vertebral, o que tem sido observado em algumas situações clínicas. Em ensaios mecânicos, constatou-se que a placa vertebral terminal pode suportar cargas de até 2.200N através dos espaçadores vertebrais; a partir desse valor ocorre a penetração do espaçador no interior do corpo vertebral (9). Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram que a modalidade de espaçador estudada suportou cargas mecânicas compatíveis com a solicitação mecânica da coluna vertebral, em situações fisiológicas, e que os anéis de reforço aumentaram a sua resistência às forças de compressão axial, mas deve ser também analisado o fator biológico na utilização desses espaçadores, relacionados à integra- 238 Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 7 Julho, 2000

ção do enxerto ósseo. Esperamos que estudos futuros possam esclarecer melhor os fenômenos básicos envolvidos na utilização desses espaçadores vertebrais, que têm sido um foco de atenção recente no âmbito da cirurgia da coluna vertebral. CONCLUSÃO O espaçador vertebral utilizado nos ensaios mecânicos resistiu a cargas de compressão axial da ordem de 7.000N e a utilização do anel interno aumentou sua resistência às forças de compressão axial. REFERÊNCIAS 1. Enker P., Steffee A., McMillin C., Keppler L., Biscup R., Miller S.: Artificial disc replacement: preliminary report with a three-year minimum follow-up. Spine 18: 1061-1070, 1993. 2. Harms J., Stoltze D.: The indications and principles of correction of post-traumatic deformities. Eur Spine J 1: 142-151, 1992. 3. Nachemson A.: The load on lumbar discs in different positions of the body. Clin Orthop 45: 107, 1966. 4. Edwards W.T., Yuan H.: Biomechanics General consideration, evaluation and testing in Bridwell K., DeWald R.: The textbook of spinal surgery. 2nd ed, Philadelphia, Lippincott, p.p. 141-154, 1997. 5. Matthias H.H., Heine J.: The surgical reduction of spondylolisthesis. Clin Orthop 203: 33-44, 1986. 6. Kozak J.A., Heilman A.E., O Brien J.P.: Anterior lumbar fusion options: operative technique and graft materials. Clin Orthop 300: 45-51, 1994. 7. Whitecloud T.S., Ricciardi J.E., Werner J.G.: Bone graft, hardware and halo fixator-related problems in Clarke C.R. (ed.): The cervical spine. 3rd ed, Philadelphia, Lippincott, p.p. 923-940, 1998. 8. Young E.M., Chapman M.V.: Morbidity at bone graft donor site. J Orthop Trauma 3: 192-195, 1989. 9. Lowery G., Harms J.: Titanium surgical mesh for vertebral defect replacement and intervertebral spacers in Thalgott J., Aebi M.: Manual of internal fixation of the spine. Philadelphia, Lippincott-Ravers, p.p. 127-146, 1996. 10. Kurz L.T., Garfin S.R., Booth R.E.: Haversting autogenous iliac crest bone grafts: a review of complications and techniques. Spine 14: 1324-1331, 1989. Rev Bras Ortop _ Vol. 35, Nº 7 Julho, 2000 239