a Departamento de Ortopedia, Santa Casa de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil
b Serviço de Ortopedia e Traumatologia, Hospital Israelita Albert Einstein, Universidade Federal de São Paulo (Unifesp), São Paulo, SP,Brasil
c Instituto de Ortopedia, Hospital das Clínicas, Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo (USP), São Paulo, SP, Brasil
d Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo (Unifesp), São Paulo, SP, Brasil
Introdução
Hastes polidas, sem colar, afiladas e cimentadas funcionamcomo um sistema de montagem sob pressão, comportamentoconhecido como force-closed.1Hastes do tipo force-closed, taiscomo a Exeter, têm mostrado excelentes resultados em longoprazo.
A haste migra devido à fluência do cimento e isso produza transmissão de carga por meio do cimento para o tecidoósseo de uma forma homogênea.1,3Diferentes mudanças deprojeto sutis de hastes tipo force-closed têm sido concebidasnas ultimas décadas. Exemplos de tais mudanças são a ExeterUniversal duplamente afilada e a haste C triplamente afilada.4Mudanças de forma da haste, tais como da seção transver-sal, geometria proximal, dos ângulos e planos de afilamento,podem interferir na rigidez da haste e na sua estabilidade,assim como na transmissão de carga para o cimento e parao tecido ósseo. Todos esses aspectos podem ser relacionadosao potencial de sobrevivência da artroplastia total de quadril.
Testes mecânicos foram previamente propostos para com-parar a mecânica de projetos muito diferentes de hastespara artroplastia total do quadril.5No entanto, são escassosestudos sobre a resposta mecânica da artroplastia devido asutis diferenças na forma de hastes de conceituação espe-cífica, assim como as hastes do tipo force-closed. Estudos desimulação numérica foram feitos para prever o dano pordeformação do cimento e compararem-se hastes do tipoforce-closed.6No entanto, testes mecânicos que permitammonitorar a migração da haste e as deformações impostastanto ao cimento quanto ao fêmur podem também contri-buir para o entendimento das respostas mecânicas de talconcepção de artroplastia total do quadril.
O objetivo do presente estudo foi determinar se o protocolode testes mecânicos proposto é capaz de salientar diferençascom respeito à transmissão de carga e migração de hastes dotipo force-closed que têm sutis diferenças de projeto.
Materiais e métodos
Três grupos de hastes do tipo force-closed foram fabricadosa partir de aço inoxidável ASTM F 138 e fornecidos paraos estudos pelo fabricante (MDT Implantes, Rio Claro, Bra-sil). Os grupos diferenciaram-se em relação à forma da haste(fig. 1). As mais relevantes diferenças entre as hastes são comosegue: Haste A, (Spoac®): 1?15' de conicidade da parte dis-tal, projetada para promover a autocentralização com o canalintramedular; Haste B (Maxima®): duplamente afilada (4?30' e1?respectivamente na lateral e no lado medial, vistos no planofrontal, 3?12' no plano lateral), seção transversal retangularcom cantos arredondados; Haste C (Spoac NC®): triplamenteafilada (3?, 3?30', 3?53', respectivamente nos planos frontal,lateral e transversal), seção transversal retangular com cantosarredondados. A haste A tem ombro mais estreito. A transiçãoentre o nível proximal e o medial da haste B ocorre por meio deum menor raio de curvatura do lado medial (o raio do calcar).Esse raio das hastes A, B e C é de respectivamente 120 mm,40 mm e 60 mm. Por isso, a haste B tem menor rigidez proxi-mal, seguida pela haste A. Quatro hastes de cada grupo foramimplantadas em 12 grandes fêmures compósitos esquerdos(3306 Pacific Research Labs.).
O tamanho apropriado de haste foi selecionado de acordocom templates. A cavidade intramedular foi bloqueada pormeio do uso de restritor posicionado a 20 mm da ponta
da haste antes da implantação. Cimento ósseo (SimplexP, Stryker-Howmedica-Osteonics, Allendale, NJ) foi aplicadona proporção recomendada de 2 g de pó e 1 ml de líquido.O cimento foi introduzido no canal intramedular de maneiraretrógrada por seringa. As implantações foram feitas semprepelo mesmo experiente cirurgião (LSMG).
A porção distal dos fêmures foi fixada a um dispositivo queassegurou inclinação posterior de 9?e inclinação lateral de 10?,ambas com respeito ao eixo dos fêmures (fig. 2). Após o ade-quado posicionamento e a adequada fixação dos côndilos comparafusos, a porção distal de 50 mm foi embebida com PMMA.As amostras foram carregadas mecanicamente em máquinaservo-hidráulicas (MTS 810, MTS Corporation, Eden Prairie,MN, USA). Cargas estáticas foram aplicadas em três situaçõesde teste diferentes: a) sobre a cabeça dos fêmures intactosantes da implantação; b) na cabeça da haste após implantaçãoe c) na cabeça da haste após cargas cíclicas. Blocos de 10 cargasestáticas foram aplicados com taxa de 2300 N/min seguidos
de um minuto de sustentação na carga e um minuto para oalívio da carga. As variações de deformações e deslocamen-tos devido às cargas estáticas foram tomadas como a médiamedida nos 10 blocos estáticos. A carga cíclica senoidal comfrequência de sete Hz durante um milhão de ciclos foi aplicadano intervalo de 230 e 2300 N.
Método de avaliação
As deformações na superfície externa dos fêmures forammedidas por meio de seis extensômetros de resistência elé-trica (strain-gauges) axiais (Kyowa KFG 2-120-C1-11-N15-C02,Tokio, Japão) durante os três momentos de teste. Os extensô-metros foram aderidos nos fêmures e também no interior domanto de cimento de forma similar à descrita em protocoloprévio.7Os extensômetros foram dispostos na direção do eixodo fêmur. As posições dos extensômetros foram medidas pormeio de altímetro (resolução de 0,1 mm).
As deformações no cimento foram medidas por meio dequatro extensômetros de resistência elétrica axiais durante ascargas estáticas após a implantação e durante as cargas está-ticas finais, após as cargas cíclicas. Durante as cargas cíclicasas deformações no cimento também foram monitoradas paraavaliar as deformações permanentes. Camadas de cimentoósseo foram aplicadas nos níveis proximal e distal de cadahaste. As camadas de cimento foram lixadas até atingir espes-sura de 1 mm, medida com paquímetro (resolução de 0,1 mm).Os extensômetros foram aplicados na camada de cimento noslados medial e lateral. A figura 1 mostra um extensômetro ade-rido sobre a camada de cimento na parte distal de uma hasteantes da implantação. A tabela 1 descreve a posição de todos osextensômetros usados no estudo. A figura 3 mostra as posições
dos extensômetros com relação tanto ao cimento quanto aofêmur. As deformações foram medidas com um condicionadorde sinal (HBM MGCplus, Darmstadt, Alemanha). Para aumen-tar a confiabilidade dos dados, todos os extensômetros foramcalibrados com resistor elétrico de precisão.
A migração axial e rotacional das hastes com relação aosfêmures foram medidas por meio de um extensômetro dedeslocamento (resolução de 0,01 mm) e dois transdutoresde deslocamento variável linear (resolução 0,02 mm) para ava-liar, respectivamente, a migração axial e rotacional das hastes.Os medidores de deslocamento foram suportados por um dis-positivo de alumínio fixado ao grande trocânter por meio deparafusos e um manto de epoxy, para garantir grande rigi-dez de fixação (fig. 2). O extensômetro para medir a migraçãoaxial foi acoplado na face superior do ombro das hastes. Ostransdutores para medir a rotação foram dispostos separa-damente a 14 mm um do outro, ortogonalmente sobre a facefrontal da parte proximal das hastes. O ângulo de rotação foientão calculado por meio das relações trigonométricas entre adiferença de deslocamentos medidos por ambos os transduto-res e a distância de 14 mm. Dessa forma as medidas de rotaçãotiveram uma resolução de 0,16?. As migrações foram medidaspor meio de um condicionador de sinal (HBM Spider8, Darms-tadt, Alemanha). As deformações permanentes das hastesforam monitoradas durante as cargas cíclicas.
Foi feita análise de variância (one-way Anova) para detectardiferenças significativas entre os grupos em todos os testes(p = 0,05). De acordo com Cristofolini et al.,5são requeridasao menos três amostras de cada grupo para dar diferença sig-nificativa nas variáveis medidas. No presente estudo foramusadas quatros amostras para cada grupo.
Resultados
As deformações medidas nos fêmures intactos durante oprimeiro período de testes são mostradas na tabela 2. Asdeformações foram negativas nos aspectos medial, anteriore posterior, enquanto que as deformações no aspecto lateralforam positivas.
Com respeito às deformações no cimento, deformaçõesnegativas foram encontradas no lado medial (extensômetro
um e dois), sem diferenças significativas entre os grupos(fig. 4). Alguns extensômetros das posições três e quatro foramdanificados durante a implantação e prejudicaram a análiseestatística das deformações do cimento na parte lateral.
Com relação às deformações nos fêmures, após aimplantação, os fêmures mostraram redução de deformaçãosob as cargas estáticas. Os resultados foram apresentadoscomo deformações remanescentes, ou seja, a relação entre asdeformações medidas após a implantação e aquelas medidas previamente, para cada extensômetro nos fêmures intactos.A haste triplamente afilada C apresentou 33% de deformaçãoremanescente no aspecto proximal medial (extensômetrocinco), com diferença significativa em relação a ambas, hastecônica A (43%) e haste duplamente afilada B (49%), comoapresentado na figura 5. No aspecto proximal lateral, a hasteduplamente afilada B apresentou 18% de deformação rema-nescente, com diferença significativa em relação a ambas ashastes cônica A (27%) e triplamente afilada C (36%).
As deformações iniciais permaneceram 42% para todas ashastes no aspecto anterior. Menor redução foi encontradano aspecto posterior, onde a haste duplamente afilada Bapresentou 98% de deformação remanescente, sem diferençasignificativa com respeito a ambas as hastes cônica A(71%) e triplamente afilada C (80%), como apresentado nafigura 6.
Tanto os extensômetros embebidos no cimento quantoos medidores de migração apresentaram, respectivamente,deformações permanentes e migrações permanentes e seestabilizaram entre 0,2 e 0,6 milhões de ciclos. Não foramobservadas significativas mudanças na amplitude cíclicadurante os monitoramentos. A figura 7 mostra a variaçãode deformação do extensômetro dois de uma das hastes Cdurante as cargas cíclicas. É possível notar a deformação per-manente a se estabilizar próximo de 0,6 milhão de ciclos,enquanto que a amplitude de deformação permaneceu semmudança.
Não foram encontradas diferenças significativas namigração axial permanente das hastes. A migração distal,conhecida como subsidence, foi no intervalo médio de 0,06 mmpara a haste triplamente afilada C e 0,12 mm para a hasteduplamente afilada B (tabela 3). Foi encontrada diferença sig-nificativa na rotação permanente entre as hastes duplamenteafiladas B e as hastes triplamente afiladas C, respectivamentecom 1,1?e -0,22?(tabela 3). A rotação das hastes foi emgeral em retroversão. Porém, a haste C apresentou rotaçãomédia em anteversão.
Discussão
Diversos ensaios mecânicos foram publicados anteriormentepara comparar projetos de hastes para artroplastia total dequadril. No entanto, os estudos em geral foram dirigidosou para a medição de deformações ou para a medição damigração da haste. Além do mais, os estudos prévios em geralforam focados na comparação de hastes com grande diferençano projeto, tais como o estudo de Cristofolini et al.,5que com-pararam a haste (Lubinus SPII), de bons resultados clínicos, e ahaste curvada de Müller, de maus resultados clínicos. No pre-sente estudo, três modelos de haste do tipo force-closed que têmsutis diferenças de projeto foram comparadas. A migração dashastes, assim como as deformações no cimento e no fêmur,foi avaliada durante cargas estáticas e cíclicas. O protocolo detestes sugerido permitiu obter diferenças significativas entreas hastes.
As análises devem ser feitas tendo em mente o uso defêmures compósitos, sem a presença de reações biológi-cas. A frequência de sete Hz aplicada nos testes cíclicospode ser usada sem prejuízo das propriedades constitutivasdo cimento8e com o benefício do menor tempo despen-dido durante os testes, se comparada com testes cíclicos demenor frequência. Os testes foram feitos sem a presençade forças musculares. Embora um estudo9mostre a impor-tância das forças musculares aplicadas ao grande trocânterpara uma mais adequada avaliação da distribuição de ten-sões devido à artroplastia total do quadril, o presente estudofoi efetivo em produzir diferenças significativas em ambas,migração e deformações. Embora alguns extensômetros dedeformação nas posições três e quatro tenham sido danifica-dos durante a implantação e prejudicado a análise estatísticadas deformações do cimento apenas na região lateral, con-seguimos fazer a comparação das deformações do cimentona região medial de todas as hastes. Não foram encontradasdiferenças significativas entre as três hastes com respeito àsdeformações do cimento. Os deslocamentos e as deformaçõespermanentes medidos nos nossos testes cíclicos apresenta-ram uma taxa decrescente e estabilizaram entre 0,2 e 0,6milhão de ciclos. A carga imposta ao cimento durante asposturas in vivo provoca a fluência do cimento. A taxa defluência reduz com o tempo (ou das cargas cíclicas) e, emborapermaneça por um longo período, pode se tornar insignifi-cante em longo prazo.10De acordo com Nelissen et al.,11aestabilização da taxa de migração de uma haste duplamenteafilada ocorre em até seis meses de uso in vivo. Portanto, é pos-sível comparar nosso carregamento cíclico com tal período deuso in vivo.
De acordo com Stolk et al.,12a rotação é o modo primáriode migração em tais conceitos de hastes do tipo force-closedpara artroplastia total de quadril. Uma diferença significativana rotação permanente foi observada para a haste dupla-mente afilada B comparada com a haste triplamente afilada C.Embora não tenha sido observada diferença significativa paraa haste cônica A comparada com as outras duas, a rotação per-manente tão elevada quanto 1,8?foi observada para a haste duplamente afilada B. Essa haste duplamente afilada é maisesbelta do que as outras duas. Ela tem menor rigidez proxi-mal devido ao menor raio do calcar, ao mesmo tempo em quetem a maior relação dimensional entre o comprimento distale o comprimento proximal. Esses aspectos podem aumentaro potencial de rotação da haste. A rotação da haste pode serprejudicial em longo prazo para hastes polidas e afiladas, umavez que a persistência da rotação ao longo do tempo pode cau-sar pequenos espaços nas interfaces entre a haste e o cimento.Esses espaços podem ser relacionados com a osteólise e pro-blemas de fretting.
13Concordamos que o protocolo de testes mecânicos nãopode ser usado para decidir sobre o sucesso de um ou outromodelo de haste testada e, além disso, os testes só podemser validados pelos resultados de acompanhamento clínicoem longo prazo das hastes. No entanto, podemos esperar quese problemas relacionados à reabsorção óssea forem detec-tados nos acompanhamentos clínicos em longo prazo, taisproblemas ocorrerão nas regiões de menor deformação trans-mitida ao fêmur. Após a implantação das hastes, a redução dedeformação foi pronunciada principalmente no aspecto pro-ximal dos fêmures, região em que a soltura asséptica é maisevidente após longo período de acompanhamento clínico paraa haste Exeter,2um modelo consagrado de haste do tipo force--closed. Nossos resultados para redução de deformação emdiferentes posições (extensômetros 5-10) mostraram reduçãosignificativa na deformação inicial para as hastes tripla-mente afiladas C no aspecto proximal medial (extensômetro5). Essa foi também a região onde encontramos a menormédia de deformação no cimento para essa haste triplamenteafilada C. Para a haste duplamente afilada B, observamosuma redução pronunciada das deformações no aspecto pro-ximal lateral (extensômetro 7), novamente de acordo coma tendência para a deformação do cimento dessa haste(extensômetro 3). A haste duplamente afilada B apresentou amenor deformação remanescente no aspecto proximal lateral(18%), mas a maior deformação remanescente no aspecto pro-ximal medial (49%), enquanto que a haste triplamente afiladaC apresentou o contrário, ou seja, menor deformação rema-nescente no aspecto proximal medial (33%) e maior no aspectoproximal lateral (36%). A haste duplamente afilada B tem omenor raio do calcar e a menor rigidez proximal. Isso pro-voca maior momento de flexão, aumenta a carga transmitidacontra o calcar e reduz a carga no aspecto proximal lateral dofêmur.
Conclusões
Três projetos de hastes do tipo force-closed foram anali-sados quanto às deformações e migrações. O protocoloproposto para os testes foi efetivo em resultar em diferençassignificativas entre as hastes. A haste de menor rigidez pro-ximal apresentou menor estabilidade rotacional. A hastecom menor raio do calcar aumentou a carga transmitida aocalcar.
Conflitos de interesse
Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
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