Estudo da Biomecânica em Ortopedia

Cesar Martins, méd.

Universidade de Passo Fundo - RS

Biomecânica Básica

•  Propriedades de Material –  Elástica-Plástica –  Tensão de Ruptura –  Frágil-Dúctil –  Dureza

•  Não Depende da forma!

•  Propriedades Estruturais –  Flexão –  Torsão –  Axial

•  Depende da forma!

Teste de Materiais

Resistência elástica do LCA e dos enxertos mais utilizados

Tipo de enxerto Resistência Elástica Máxima (N)

LCA íntegro 2160 + 157 Ligamento patelar osso-tendão-osso (10 mm)

2376 + 151 Semitendíneo simples 1216 + 50 Tendão flexor quádruplo 4108 + 200 Tendão quadricipital (10 mm)

2352 + 495

Fu FH, Bennett CH, Lattermann C and Ma CB: Current trends in anterior cruciate ligament reconstruction Part I: Biology and Biomechanics o reconstruction. Am J Sports Med 1999; 27:821-830

Biomecânica Básica Força – Deslocamento - Rigidez

Força

Deslocamento

Inclinação = rigidez = Força/Deslocamento

Biomecânica Básica

Tensão =

Force/Àrea

Deformação = Mudança na Altura(ΔL) / Altura original (L0)

Força Àrea ΔL

Artroplastia Total do Quadril Estudo da Tribologia - atrito

Tensão-deformação & Módulo Elástico

Tensão = Força/Àrea

Deformação = Mudança no comprimento / Comprimento original (ΔL/ L0)

Inclinação = Módulo elástico= Tensão /deformação

Materiais Comuns em Ortopedia

•  Módulo Elástico(GPa) •  Aço Inox 200 •  Titanium 100 •  Osso Cortical 7-21 •  Cimento Ósseo 2.5-3.5 •  Osso Esponjoso 0.7-4.9 •  UHMW-poli 1.4-4.2

Stress

Deformação

Módulo de Elasticidade

•  Deformação Elástica •  Deformação Plástica •  Energia Energia

Absorvida

Força

Deformação

Plástica Elástica

Mecânica Óssea •  Densidade

–  Mudanças sutis na densidade levam a grandes alt. no módulo elásticos

•  Densidade muda: –  Depende da idade –  Doenças –  Uso –  Desuso

Cortical Bone

Trabecular Bone

Figure from: Browner et al: Skeletal Trauma 2nd Ed. Saunders, 1998.

Cargas Aplicadas no Osso

•  Acidentes de alta energia

Cargas Ósseas

•  Flexão •  Axial

–  Tensão –  Compressão

•  Torsão

Flexão Compressão Torsão

Mecânica da Fratura

Figure from: Browner et al: Skeletal Trauma 2nd Ed, Saunders, 1998.

Mecânica da Fratura

•  Carga em Flexão: –  Força de compressão

maior que força de tensão

–  Falha óssea

Figure from: Tencer. Biomechanics in Orthopaedic Trauma, Lippincott, 1994.

Momento de Inércia

•  Reistência a flexão, torção, compressão, tração ou cizalhamento de um objeto é a função de sua forma

•  Relação de uma força aplicada para a distribuição da massa (forma) com respeito a um eixo. Figure from: Browner et al, Skeletal Trauma 2nd Ed,

Saunders, 1998.

Mecânica da Fratura

•  Calo fraturário –  Momento de Inércia

proporcional a r4

–  Aumento no raio pelo calo, aumenta grandemente o momento of inércia e rigidez

1.6 x + forte

0.5 x + fraco Browner et al, Skeletal Trauma

2nd Ed, Saunders, 1998. Tencer et al: Biomechanics in

Orthopaedic Trauma, Lippincott, 1994.

Hastes Intramedulares Momento de Inércia

•  Rigidez proporcional à 4a potência

Browner et al, Skeletal Trauma, 2nd Ed, Saunders, 1998.

Diâmetro de uma haste IM

Tencer et al, Biomechanics in Orthopaedic Trauma, Lippincott, 1994.

Abertura da haste

Tencer et al, Biomechanics

in Orthopaedic Trauma, Lippincott, 1994.

Rockwood and Green’s, 4th Ed

• Permite mais flexibilidade em flexão

• Diminui resistência à torsão

Parafusos de Bloqueio •  Controla torsão e carga axial •  Vantegens

–  Estab. axial e rotacional –  Esta. Angular

•  Desvantagens –  Exposição RX e tempo cir. –  Aumenta estress na haste

•  Localização dos parafusos –  Fixação nas extrem. Hastes

amplia àrea fratura a ser fixada em detrimento da estab.

Biomecânica da Fixação

Tencer et al, Biomechanics in

OrthopaedicTrauma, Lippincott, 1994.

Anatomia do Parafuso

•  Parafuso –  Diâmetro interna –  Diâmetro externo –  “Pitch”

Figure from: Tencer et al, Biomechanics in

OrthopaedicTrauma, Lippincott, 1994.

Parafuso Canulado

•  Canulados –  Requer diâmetro

interno –  Relativamente menores

roscas – reduz “pull out”

–  Resistência parafuso minimamente afetado

(α r4outer core - r4

inner core )

Tencer et al, Biomechanics in

OrthopaedicTrauma, Lippincott, 1994.

Biomecânica da Fixação Externa

Biomecânica da Fixação Externa

•  Diâmetro do pino –  {Raio}4

–  Fator mais significante para a estabilidade da montagem

Biomecânica da Placa Bloqueada

Patient Load

Fixação da Placa Convencional

Carga

< = Força de fricção

Carga

Placa bloqueada + parafuso de fixação

Carga

= < Força compressiva no

osso

Estresse ao Osso

Carga

+ Pré-carga

Carga padrão x parafuso bloqueado

“Pullout” de parafusos

Por um esforço fletor

Resistência maior contra esforço fletor

Maior àrea de resistência

Preservação da irrigação sanguínea

DCP LC - DCP

Preservação da irrigação sanguínea - menor pré-estresse ósseo -

Placa convencional

• Osso pré-estresado

• Periósteo estrangulado

Placa de bloqueio

• Placa (não osso) é pré-estressado

• Periósteo preservado

Muito Obrigado