Análise das propriedades biomecânicas dos tendões dos músculos

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
“A persistência é o caminho do êxito.”
Charles Chaplin
iii
Dedicatória
iv
Aos meus pais, Paulo Roberto e Nair,
exemplos de caráter e amor aos filhos.
v
Agradecimentos
vi
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
Sumário
viii
Lista de abreviaturas, siglas e símbolos .....................................
Lista de figuras ......................................................................
Lista de quadros ....................................................................
Lista de tabelas .....................................................................
Resumo ................................................................................
Summary ..............................................................................
página
x
xiii
xv
xvii
xix
xxi
1. INTRODUÇÃO .................................................................
1
2. REVISÃO DA LITERATURA ..............................................
2.1 Alterações biomecânicas decorrentes das formas de
armazenamento e esterilização dos enxertos ..................
2.2 Comparação alo versus auto-enxertos ............................
2.3 Integração biológica e histologia dos aloenxertos .............
2.4 Biomecânica dos aloenxertos, do ligamento cruzado
anterior e do ligamento da patela ..................................
2.5 Aplicações clínicas dos aloenxertos ................................
6
18
23
3. MATERIAL E MÉTODO .....................................................
3.1 Descrição do Material ..................................................
3.2 Obtenção das peças anatômicas ....................................
3.3 Conservação das peças anatômicas ...............................
3.4 Descongelamento ........................................................
3.5 Preparo e medição das peças anatômicas .......................
3.6 Fixação dos corpos de prova .........................................
3.7 Ensaio mecânico de tração ...........................................
3.8 Análise Estatística .......................................................
27
28
30
31
32
33
38
40
45
4. RESULTADOS ...................................................................
46
5. DISCUSSÃO .....................................................................
5.1 Material de experimentação ..........................................
5.2 Conservação do material ..............................................
5.3 Preparo e medição das peças anatômicas .......................
5.4 Fixação dos corpos de prova .........................................
5.5 Ensaios mecânicos ......................................................
5.5.1 Velocidade de aplicação da carga .........................
5.5.2 Diagrama carga-deformação ...............................
5.5.3 Propriedades mecânicas e estruturais ...................
5.5.4 Resistência máxima ...........................................
5.5.5 Rigidez e módulo de elasticidade ..........................
5.5.6 Alongamento máximo relativo .............................
58
64
67
68
72
74
76
78
80
82
85
89
6. CONCLUSÕES ...................................................................
93
7. ANEXOS ...........................................................................
95
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................
99
ix
7
12
15
Lista de
Abreviaturas, Siglas e Símbolos
x
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
AIDS
Síndrome da Imunodeficiência Adquirida
cm
centímetro
ed.
edição
et al.
e outros (et allii)
fig.
figura
g
grama
G
tendão do músculo grácil
Kgf
quilograma-força
HCFMUSP Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da
Universidade de São Paulo
H 2 O2
peróxido de hidrogênio (água oxigenada)
HIV
vírus da imunodeficiência humana
IKDC
“International Knee Documentation Committee”
IML
Instituto Médico Legal
IOT
Instituto de Ortopedia e Traumatologia
LCA
ligamento cruzado anterior
LCL
ligamento colateral lateral
LCM
ligamento colateral medial
LCP
ligamento cruzado posterior
LP
ligamento da patela
xi
m
metro
min
minuto
mm
milímetro
MPa
megapascal
MRad
MegaRad, onde Rad = Roentgen absorbed dose
n°
número
N
Newton
Nm
Newton x metro
p.
página
SMT
tendão do músculo semitendíneo
SVOC
Serviço de Verificação de Óbitos da Capital
TA
tendão do músculo tibial anterior
TP
tendão do músculo tibial posterior
tf
tonelada-força
°C
graus Celcius
>
maior que
<
menor que
xii
Lista de Figuras
xiii
página
Figura 1
Peças anatômicas preparadas para o teste
mecânico ...................................................
34
Modelo
esquemático
do
dispositivo
de
posicionamento de tendão ............................
35
Dispositivo de posicionamento do tendão para
sua medição ...............................................
36
Desenho esquemático da medição da área do
tendão utilizando um projetor de perfil para
visualização por raios refratados (à esquerda)
e refletidos (à direita) ..................................
37
Figura 5
Projetor de perfil .........................................
38
Figura 6
Garras utilizadas no ensaio de tração .............
39
Figura 7
Tendão preso às garras antes do teste
mecânico ...................................................
43
Tendão preso às garras na máquina de ensaios
mecânicos no início do teste mecânico ...........
44
Máquina de ensaios, painel de controles e
microcomputador acoplado ao sistema ...........
44
Figura 10 Gráfico carga [N]-deformação [mm] referente
ao ensaio mecânico da amostra de número 13
(TA congelado a -20°C) ...............................
79
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 8
Figura 9
xiv
Lista de Quadros
xv
página
Quadro 1
Quadro 2
Quadro 3
Quadro 4
Quadro 5
Quadro 6
Dados referentes ao número da amostra, idade
e causa mortis dos cadáveres humanos de
onde foram extraídos os tendões utilizados
neste estudo ..............................................
29
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 ...................................................
71
Comparação dos valores da resistência
máxima e da velocidade de aplicação de carga
com os observados em outros estudos
biomecânicos .............................................
83
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 ......
87
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 ..........................................................
88
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 ......
90
xvi
Lista de Tabelas
xvii
página
Tabela 1
Tabela 2
Tabela 3
Tabela 4
Tabela 5
Tabela 6
Tabela 7
Tabela 8
Tabela 9
Valores relativos às características mecânicas
dos tendões dos músculos tibiais anteriores
congelados a -20°C ......................................
48
Valores relativos às características mecânicas
dos tendões dos músculos tibiais anteriores
congelados a -86°C ......................................
49
Valores relativos às características mecânicas
dos tendões dos músculos tibiais posteriores
congelados a -20°C ......................................
50
Valores relativos às características mecânicas
dos tendões dos músculos tibiais posteriores
congelados a -86°C ......................................
51
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
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 ..........................................
54
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 .........................................................
55
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 .......................
56
xviii
Resumo
xix
VIEGAS, A.C. Análise das propriedades biomecânicas dos
tendões dos músculos tibial anterior e tibial posterior:
estudo experimental em cadáveres humanos. São Paulo,
2003. 115 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-5002.
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
Summary
xxi
VIEGAS,
A.C.
Biomechanical
analysis
of
anterior
and
posterior tibialis tendons: experimental study in human
cadavers. São Paulo, 2003. 115 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