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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
iii
“A persistência é o caminho do êxito.”
Charles Chaplin
iv
Dedicatória
v
Aos meus pais, Paulo Roberto e Nair,
exemplos de caráter e amor aos filhos.
vi
Agradecimentos
vii
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.
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Sumário
ix
páginaLista de abreviaturas, siglas e símbolos ..................................... xLista de figuras ...................................................................... xiiiLista de quadros .................................................................... xvLista de tabelas ..................................................................... xviiResumo ................................................................................ xixSummary .............................................................................. xxi
1. INTRODUÇÃO ................................................................. 1
2. REVISÃO DA LITERATURA .............................................. 62.1 Alterações biomecânicas decorrentes das formas de
armazenamento e esterilização dos enxertos .................. 72.2 Comparação alo versus auto-enxertos ............................ 122.3 Integração biológica e histologia dos aloenxertos ............. 152.4 Biomecânica dos aloenxertos, do ligamento cruzado
anterior e do ligamento da patela .................................. 182.5 Aplicações clínicas dos aloenxertos ................................ 23
3. MATERIAL E MÉTODO ..................................................... 273.1 Descrição do Material .................................................. 283.2 Obtenção das peças anatômicas .................................... 303.3 Conservação das peças anatômicas ............................... 313.4 Descongelamento ........................................................ 323.5 Preparo e medição das peças anatômicas ....................... 333.6 Fixação dos corpos de prova ......................................... 383.7 Ensaio mecânico de tração ........................................... 403.8 Análise Estatística ....................................................... 45
4. RESULTADOS ................................................................... 46
5. DISCUSSÃO ..................................................................... 585.1 Material de experimentação .......................................... 645.2 Conservação do material .............................................. 675.3 Preparo e medição das peças anatômicas ....................... 685.4 Fixação dos corpos de prova ......................................... 725.5 Ensaios mecânicos ...................................................... 74
5.5.1 Velocidade de aplicação da carga ......................... 765.5.2 Diagrama carga-deformação ............................... 785.5.3 Propriedades mecânicas e estruturais ................... 805.5.4 Resistência máxima ........................................... 825.5.5 Rigidez e módulo de elasticidade .......................... 855.5.6 Alongamento máximo relativo ............................. 89
6. CONCLUSÕES ................................................................... 93
7. ANEXOS ........................................................................... 95
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................... 99
x
Lista de
Abreviaturas, Siglas e Símbolos
xi
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
H2O2 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
xii
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
xiii
Lista de Figuras
xiv
página
Figura 1 Peças anatômicas preparadas para o testemecânico ................................................... 34
Figura 2 Modelo esquemático do dispositivo deposicionamento de tendão ............................ 35
Figura 3 Dispositivo de posicionamento do tendão parasua medição ............................................... 36
Figura 4 Desenho esquemático da medição da área dotendão utilizando um projetor de perfil paravisualização 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 testemecânico ................................................... 43
Figura 8 Tendão preso às garras na máquina de ensaiosmecânicos no início do teste mecânico ........... 44
Figura 9 Máquina de ensaios, painel de controles emicrocomputador acoplado ao sistema ........... 44
Figura 10 Gráfico carga [N]-deformação [mm] referenteao ensaio mecânico da amostra de número 13(TA congelado a -20°C) ............................... 79
xv
Lista de Quadros
xvi
página
Quadro 1 Dados referentes ao número da amostra, idadee causa mortis dos cadáveres humanos deonde foram extraídos os tendões utilizadosneste estudo .............................................. 29
Quadro 2 Comparação dos valores relativos às áreas desecção transversa do TA e TP com os valoresrelativos ao SMT, LCA e LP encontrados naliteratura ................................................... 71
Quadro 3 Comparação dos valores da resistênciamáxima e da velocidade de aplicação de cargacom os observados em outros estudosbiomecânicos ............................................. 83
Quadro 4 Comparação dos valores do módulo deelasticidade do TA e TP, medido emmegapascal, com os observados em outrosestudos biomecânicos para LCA, LP e SMT ...... 87
Quadro 5 Comparação dos valores de rigidez do TA e TP,medida em N/mm, com os observados emoutros estudos biomecânicos para LCA, LP eSMT .......................................................... 88
Quadro 6 Comparação dos valores de alongamentomáximo relativo do TA e TP, medido emporcentagem, com os observados em outrosestudos biomecânicos para LCA, LP e SMT ...... 90
xvii
Lista de Tabelas
xviii
página
Tabela 1 Valores relativos às características mecânicasdos tendões dos músculos tibiais anteriorescongelados a -20°C ...................................... 48
Tabela 2 Valores relativos às características mecânicasdos tendões dos músculos tibiais anteriorescongelados a -86°C ...................................... 49
Tabela 3 Valores relativos às características mecânicasdos tendões dos músculos tibiais posteriorescongelados a -20°C ...................................... 50
Tabela 4 Valores relativos às características mecânicasdos tendões dos músculos tibiais posteriorescongelados a -86°C ...................................... 51
Tabela 5 Comparação dos valores de resistência máxima(Fmax), medida em Newton, dos tendões dosmúsculos tibiais anteriores (TA) e tibiaisposteriores (TP) congelados a -20°C e a -86°C 52
Tabela 6 Comparação dos valores da Rigidez, medidaem Newton por milímetro, dos tendões dosmúsculos tibiais anteriores (TA) e tibiaisposteriores (TP) congelados a -20°C e a -86°C 53
Tabela 7 Comparação dos valores da área de secçãotransversa, medida em milímetros quadrados,dos tendões dos músculos tibiais anteriores(TA) e tibiais posteriores (TP) congelados a-20°C e a -86°C .......................................... 54
Tabela 8 Comparação dos valores do módulo deelasticidade (E), medido em megapascal, dostendões dos músculos tibiais anteriores (TA) etibiais posteriores (TP) congelados a -20°C e a-86°C ......................................................... 55
Tabela 9 Comparação dos valores de alongamentomáximo relativo (ε%), medido emporcentagem, dos tendões dos músculos tibiaisanteriores (TA) e tibiais posteriores (TP)congelados a -20°C e a -86°C ....................... 56
xix
Resumo
xx
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 estruturaisdos tendões dos músculos tibial anterior (TA) e tibial posterior(TP), o autor realizou ensaios mecânicos de tração com 72 tendõesextraídos de 18 cadáveres humanos frescos, do sexo masculino,com média de idade de 45,2 ± 10,7 anos, variando de 24 a 60anos. Previamente aos ensaios, os tendões foram divididos em doisgrupos do mesmo tamanho e armazenados, cada um dos quais, emcongelador comum a -20°C e em supercongelador a -86°C,durante um período de tempo variável, entre 30 e 90 dias antesdos testes. Depois do descongelamento dos tendões em soluçãoisotônica de NaCl, foram feitas medidas da área de secçãotransversa dos tendões e ensaios mecânicos de tração até aruptura a uma velocidade de aplicação de carga de 20 mm/min, namáquina eletromecânica Kratos, modelo K-5002. Foramdeterminadas as seguintes propriedades biomecânicas: resistênciamáxima, coeficiente de rigidez, módulo de elasticidade ealongamento máximo relativo; os dados obtidos foram comparadosaos existentes na literatura relativos ao ligamento cruzado anterior(LCA), ligamento da patela (LP) e aos tendões dos músculos grácile semitendíneo (G e SMT). Concluiu-se que o TP apresentaresistência máxima à tração e área de secção transversa maioresdo que o TA; o módulo de elasticidade do TA é maior do que o doTP quando ambos são congelados a -86°C; o congelamento a -86°C diminui o módulo de elasticidade do TP e aumenta ocoeficiente de rigidez do TA; o alongamento máximo relativo do TPé maior do que o do TA quando ambos são congelados a -86°C. Acomparação dos dados obtidos neste estudo com os estudosbiomecânicos feitos por outros autores nos permitiu observar que oTA e o TP apresentam semelhanças biomecânicas com o G, SMT eo LCA e o uso destes tendões como substitutos do LCA pode sersugerido nos casos de reconstrução ligamentar em que anecessidade de enxertos alógenos se impuser.
xxi
Summary
xxii
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 andstructural properties of the anterior (AT) and posterior (PT) tibialismuscle tendons submitted to axial traction in an electromechanicalmachine (Kratos K5002), until the point of ultimate failure, with a20 mm/min speed. We used 72 fresh-frozen human tendons from18 male cadavers with mean age of 45.2 ± 10.7, ranging from 24to 60. The tendons were divided in two groups of 36 (18 AT and 18PT) and one was frozen at -20°C and the other at -86°C, for 30 to90 days before the tests. The tendons were thawed in a NaCl 0.9%solution and then the cross sectional area at their central portionwas measured. We studied the following mechanical properties:ultimate load, stiffness, modulus of elasticity and relative strain(%). Data obtained were compared to those from the literaturerelated to the anterior cruciate ligament (ACL), patellar tendon (PT)and gracilis and semitendinous tendons (G and SMT). The ultimateload and cross sectional area of the PT was superior to AT; themodulus of elasticity of the AT was superior to the PT when theyboth were frozen at -86°C; freezing at -86°C decreases themodulus of elasticity of the PT and increases the stiffness of theAT; the relative strain of the PT was superior to the AT when theywere frozen at -86°C. The comparison between AT and PT withother authors studies showed us that they have biomechanicalsimilarities with G, SMT and ACL and their use as ACL grafts can besuggested in cases of ligament reconstruction where allograftscould be used.