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Trabalho de Pesquisa

Modelo biomecânico para teste de arrancamento axial de miniimplantes inseridos em tecido ósseo – Descrição de dispositivos e técnica

ABSTRACT The biomechanic performance of screws inserted into bone can be evaluated through axial pull-out test. The ASTM F1691-96 recommends an alignment between the device which will be removed and the testing machine when axial pull-out test are being performed, so only the axial forces will be registered. But the ASTM do not show how the alignment can be obtained nor present devices for these purposes. Therefore, 60 1.6 x 6.0 mm Neodent mini-implants were inserted in the mandible of ten mongrel dogs to evaluate the axial pull-out torque in regressive periods of 60, 15 and 0 days. The axial pull-out test was performed in a universal testing machine with a constant velocity of 0.05 mm/s. Several devices were specifically created for the samples alignment with the testing machine. This research shows that axial pull-out test and the samples alignment process here conceived are precise and effective techniques to evaluate mini-implants inserted into bone. Care must be taken during samples insertion in resin acrylic in order to avoid the involvement of the MI by the resin which possibly might alter the pull-out test results. Key Words - Axial pull-out test; Mini-implant; Alveolar bone; Biomechanic essay.

Recebido em: abr/2007 Aprovado em: fev/2008

*Doutor em CTMBF; Pós-Doutorado Baylor University Medical Center e Baylor College of Dentistry em Dallas, Texas - EUA; Membro da Sociedade NorteAmericana de Cirurgiões da ATM - ASTMJS.

REVISTA IMPLANTNEWS 2008;5(2):121

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CADERNO CIENTÍFICO

RESUMO O desempenho biomecânico de parafusos inseridos em tecido ósseo pode ser avaliado através do teste de arrancamento axial (TAa). A ASTM F1691-961 preconiza para o TAa, um alinhamento entre o dispositivo a ser arrancado e a máquina de teste, para que haja somente o registro da força axial; porém, não exemplifica como esse alinhamento pode ser alcançado. Portanto, para avaliar o TAa de miniimplantes (MI) inseridos in vivo, 60 dispositivos, medindo 1,6 mm por 6 mm, foram implantados em mandíbulas de cães regressivamente aos 60, 15 e 0 dias. O TAa foi realizado em máquina universal para ensaios mecânicos com velocidade constante de 0,05 mm/s.Vários dispositivos foram especificamente criados para o alinhamento dos corpos de prova com a máquina de teste e são aqui apresentados. Este trabalho mostra que o TAa e o processo de alinhamento dos corpos de prova concebido são técnicas precisas e eficazes para avaliar MI inseridos em tecido ósseo. Cuidado deve ser mantido durante a inserção dos blocos ósseos na resina acrílica para evitar envolvimento do MI pela resina, alterando os resultados do TAa. Unitermos - Teste de arrancamento axial; Miniimplante; Osso alveolar; Ensaio biomecânico.

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Éber Luís de Lima Stevão*

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Biomechanical model for axial pull-out of mini-implants inserted into bone - Devices and technique description


Stevão ELL

Para avaliar o desempenho biomecânico de parafusos inseridos em tecido ósseo, testes como o torque de inserção (TI) e teste de arrancamento axial (TAa) são os mais utilizados na cirurgia ortopédica e bucomaxilofacial2-9. O TI é o resultado da resistência friccional entre as roscas do parafuso e o tecido ósseo, servindo para avaliação da estabilidade primária8, uma vez que se acredita que a taxa de sucesso dos MI, entre outros fatores, está relacionada com o torque de inserção10. A força de arrancamento axial (FAa) é o resultado da falência do tecido ósseo2 e esse teste reflete a magnitude da carga de arrancamento que o parafuso suporta antes da ruptura óssea11. Estudos avaliaram a correlação entre TI e FAa para verificar se esse torque poderia ser utilizado para prever a retenção de parafusos no tecido ósseo3-8. Segundo alguns autores, o TI e a FAa se correlacionaram3-5, ao passo que em outras pesquisas, essa correlação não foi observada6-8. Apesar de necessário, não existe uma padronização no que diz respeito à velocidade do arrancamento axial de parafusos de fixação rígida ou de MI, nem aos tipos de dispositivos para apreensão do MI inserido no bloco ósseo para sua embebição na resina acrílica e seu correto alinhamento com a máquina de ensaios mecânicos. Assim sendo, o objetivo deste trabalho é descrever e padronizar duas técnicas: a inserção de forma alinhada dos blocos ósseos contendo o MI em resina acrílica e o TAa de MI, contribuindo para o estudo da ancoragem óssea na Ortodontia.

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CADERNO CIENTÍFICO

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Introdução e Proposição

Material e Método Descrição da técnica Essa pesquisa teve aprovação do Comitê de Ética em Pesquisa com Animais, em fevereiro de 2006. Sessenta MI auto-rosqueáveis, titânio grau 5 (Ti6-Al4-V), medindo 1,6 mm de diâmetro por 6,0 mm de comprimento, da marca Neodent (Neodent Implante Osteointegrável, Curitiba, PR), foram inseridos em mandíbulas de cães de forma regressiva aos 60, 15 e 0 dias. Os animais foram sacrificados nos res-

Figura 1 Bloco bicortical da mandíbula do animal contendo o MI inserido aproximadamente 90º em relação à cortical óssea externa.

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pectivos períodos, as mandíbulas removidas cirurgicamente, seccionadas axial e transversalmente em pequenos blocos (Figura 1). Cada bloco ósseo continha apenas um MI circundado por aproximadamente 4 mm de tecido ósseo2. Os blocos ósseos foram enrolados em gaze embebida em soro fisiológico a 0,9%, congelados a -20°C12, e assim permaneceram cerca de 24 a 48 horas, até o momento da confecção dos corpos de prova, quando foram descongelados à temperatura ambiente. Uma garra ajustável para apreensão da cabeça do MI foi desenvolvida pela Neodent (Figuras 2a e 2b), em titânio, com uma rosca padrão M6 na sua porção terminal, para ser rosqueada na máquina de ensaios. Essa garra foi utilizada para a realização do TAa.

Figura 2a Vista inferior da garra ajustável, desenvolvida para apreensão do miniimplante para o teste de arrancamento. Figura 2b Extensão de todo dispositivo, compreendendo um eixo central, onde em uma extremidade fica a garra ajustável, apreendida ao miniimplante do espécime ósseo, e no outro extremo uma rosca M6, para encaixe na máquina de teste mecânico.

Outros dois dispositivos A e B (Figuras 3a e 3c) foram criados. O dispositivo A serviu para alinhar o MI com o eixo da máquina de ensaios mecânicos tipo EMIC DL 500 (Emic Equipamentos e Sistemas de Ensaio Ltda., São José dos Pinhais, PR), durante o processo de embebição do bloco ósseo na resina acrílica. Esse alinhamento, conforme normativa da ASTM F1691-9613, é preconizado para que durante o arrancamento do dispositivo somente a força no sentido axial seja registrada. O dispositivo A é composto por dois blocos (superior e inferior) de secção retangular, constituídos de aço inox, cujas medidas são 80 mm de comprimento por 40 mm de largura por 25 mm de espessura, posicionados paralelamente ao solo, com duas hastes de secção circular, constituídas de aço inox de 10 mm de diâmetro por 100 mm de comprimento, servindo como


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pilares. O bloco inferior (da base) desse dispositivo contém um rebaixe para adaptação de um anel de aço inox de 29 mm de diâmetro por 4 mm de espessura por 40 mm de comprimento, com um orifício de 11,02 mm de diâmetro, para passagem transversal de uma haste de secção circular constituída de aço inox de 11 mm. O bloco superior do dispositivo A deve conter uma rosca padrão M6 no centro, para rosqueamento de uma garra. Os pilares parafusados a esse bloco superior são encaixados na base do dispositivo A (Figuras 3a e 3b).

levado em banho-maria com água fria, para dissipar a reação exotérmica da resina acrílica, evitando a probabilidade de alteração do tecido ósseo.

Figura 3c Desenho em perspectiva diagonal súpero-inferior do dispostivo A, com o corpo de prova já terminado.

O dispositivo B consiste de dois blocos verticais paralelos entre si, de secção retangular, constituídos de aço inox de 100 mm de comprimento por 40 mm de largura por 25 mm espessura, rosqueados perpendicularmente à base da máquina de ensaios mecânicos tipo Emic. Estes blocos devem apresentar um orifício de 11,02 mm de diâmetro pelos quais passa a haste transversal do dispositivo A (Figuras 4a e 4b). A garra para apreensão da cabeça do MI é rosqueada na máquina de ensaios (Figura 5). Para a confecção dos corpos de prova e realização dos testes de arrancamento axial, deve-se empregar essa garra. Após vaselinar o anel do dispositivo A e a haste circular, esses componentes devem ser montados, com a haste transversal passando pelo orifício anelar. A resina acrílica auto-polimerizável deve ser preparada conforme orientação do fabricante e dispensada dentro desse anel. Com a garra rosqueada no bloco superior do dispositivo A, a cabeça do MI é apreendida por ela e o bloco ósseo contendo o MI submerso na resina acrílica, de forma que suas margens fiquem no mesmo nível da superfície da resina, pois o MI não pode ser envolvido pela resina (Figura 5). Cabe ressaltar, para que a resina fique no mesmo nível das bordas do tecido ósseo é importante que o MI seja inserido o mais próximo possível de 90º em relação à tábua óssea. O dispositivo A, agora contendo o anel com a resina, o bloco ósseo e o MI, é

Figura 5 Vista superior do corpo de prova, mostrando o não envolvimento do MI pela resina acrílica.

Após a presa da resina acrílica (aproximadamente 20 minutos), a garra que prende o MI deve ser liberada e o bloco com os pilares do dispositivo A, removido. Depois, a haste metálica retirada do anel e o corpo de prova é, então, retirado (Figura 6). O orifício deixado na resina acrílica pela haste transversal, deve ser polido com lixa para madeira no 400, através de mandril acoplado em peça de mão reta. O intuito desse polimento é facilitar o deslizamento do corpo de prova através da haste de aço inox no momento do seu posicionamento durante o TAa. O TAa do MI deve ser realizado em uma máquina de ensaios, empregando uma célula de carga de 100 Kg/f a uma velocidade constante de 0,05 mm/s (Figura 7). A força de arrancamento máxima (FAm), que segundo alguns autores8 é a máxima força que a interface osso-parafuso, pode resistir antes da sua falência, deve ser obtida para cada MI em Newton (N/cm) e registrada no arquivo de um programa como o MTest versão 3.00 e os dados estarão prontos para serem estatisticamente analisados.

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Figura 3b Desenho em perspectiva diagonal súpero-inferior do dispositivo A, contendo a resina inserida no anel metálico e o bloco ósseo nela embebido.

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Figura 3a Desenho em perspectiva diagonal súpero-inferior do dispositivo A, composto por dois blocos horizontais, paralelos entre si, duas hastes de secção circular e um anel de contenção da resina, transfixado com uma barra circular.

Figura 4b Desenho em perspectiva frontal ântero-posterior do dispositivo B, contendo o corpo de prova e superiormente a garra aparafusada à Emic.

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Figura 4a Desenho em perspectiva diagonal súpero-inferior do dispositivo B composto de dois blocos verticais paralelos entre si, uma haste transversal seccionando os blocos para encaixe da resina acrílica no formato do anel.


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Figura 6 Corpo de prova contendo MI e bloco ósseo inserido em resina acrílica.

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Figura 7 Máquina de ensaios mecânicos Emic DL 500 (Emic Equipamentos e Sistemas de Ensaio Ltda., São José dos Pinhais,PR) com a garra presa ao MI.

Resultados e Discussão Durante a fase experimental, três MI foram perdidos, sendo um do Grupo T15 e dois do Grupo T60. Portanto, o teste de arrancamento foi realizado em 57 MI e a taxa de sucesso foi de 95%. Todos os 57 MI utilizados neste experimento foram perfeita e adequadamente extraídos dos seus blocos ósseos, sem qualquer intercorrência durante o teste; as forças medidas e submetidas a dados estatísticos, sendo tabuladas. Porém, não são aqui apresentadas, pois não é o objetivo desse artigo. É de extrema importância a padronização do TAa, a fim de que seja possível reproduzir pesquisas na área de reparo ósseo ao redor de MI e nas avaliações de MI submetidos a cargas ortodônticas.

Referências 1. Annual Book of ASTM American Standards medical devices and services, v. 13.01, Easton, USA: West Conshohocken; 1997. 2. Huja SS, Litsky AS, Beck FM, Johnson KA, Larsen PE. Pull-out strength of monocortical screws placed in maxillae and mandibles of dogs. Am J Orthod Dentof Orthop 2005;127:307-13. 3. Zdeblick TA, Kunz DN, Cook ME, McCabe R. Pedicle screw pull-out strength: correlation with insertional torque. Spine 1993;18:1673-6. 4. Boyle III JM, Frost DE, Foley WL, Grady JJ. Comparison between uniaxial pull-out tests and torque measurement of 2.0 mm self-tapping screws. Int J Adult Orthodon Orthognath Surg [A]. 1993;8:129-33. 5. Boyle III LJM, Frost DE, Foley MWL, Grady JJ. Torque and pullout analysis of six currently available self-tapping and “emergency” screws. J Oral Maxillofac Surg [B]. 1993;51:45-50. 6. Kwok AW, Finkelstein JA, Woodside T, Hearn TC, Hu RW. Insertional torque and pull-out atrengths of conical and cylindrical pedicle screws in cadaveric bone. Spine 1996;21:2429-34. 7. Lawson KJ, Brems J. Effect of insertional torque on bone screw pullout strength. Orthopedics 2001;24:451-4.

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A resina acrílica segurou em posição o bloco ósseo durante todo o teste de arrancamento, suportando a tração axial do MI de forma adequada. Não ocorreu fratura da resina nem do bloco ósseo, tampouco soltura do bloco ósseo da resina acrílica. Isso se deu porque a resina acrílica penetrou adequadamente o tecido ósseo, devido ao seu descongelamento apropriado. A literatura mostra que blocos ósseos conservados em temperatura de -20ºC por um período não superior a 48 horas não sofrem alteração e são adequados para realização da pesquisa a que se destinam12. Cuidado deve ser dado para que a resina não ultrapasse os bordos ósseos fluindo por cima dos mesmos e chegue até o MI, pois isso alterará os resultados do TAa. Essa mesma descrição para confecção dos corpos de prova pode ser aplicada para outros tipos de testes de remoção de MI inseridos em tecido ósseo, tais como o de teste de torção e de arrancamento lateral.

Conclusão A avaliação da TAa de MI inseridos em tecido ósseo alveolar tem a finalidade de fornecer informações que possam ser usadas no futuro, correlacionando sua aplicação clínica em pacientes que necessitem de ancoragem óssea como um método coadjuvante de ancoragem para o tratamento ortodôntico. Sendo assim, uma técnica padronizada é necessária para confeccionar corpos de prova e avaliar a força de arrancamento, a fim de que os resultados obtidos possam ser confiáveis, reduzindo os possíveis vieses inerentes a pesquisas que envolvem MI inseridos em tecido ósseo alveolar. A técnica descrita neste artigo, mostrou-se adequada para este tipo de estudo e se aplica para MI inseridos tanto mono quanto bicorticalmente em tecido ósseo alveolar. Endereço para correspondência: Éber Luís de Lima Stevão Rua Buenos Aires, 444 - Conj. 114 - Batel 80250-070 - Curitiba - PR eberstevao@yahoo.com / www.eberstevao.odo.br

8. Inceoglu S, Ferrara L, McLain RF. Pedicle screw fixation strength: pullout versus insertional torque. The Spine J 2004:4:513-8. 9. Struckhoff JA, Huja SS, Beck FM, Litsky AS. Pull-Out strength of monocortical screws at 6 weeks postinsertion. [Reviews and abstracts]. Am J Orthod Dentof Orthop 2006;129:82-3. 10. Motoyoshi M, Hirabayashi M, Uemura M, Shimizu N. Recommended placement torque when tightening an orthodontic mini-implant. Clin Oral Impl Res 2006;17:109-14. 11. McLain RF, Fry MF, Sharkey NA. Lumbar pedicle screw salvage: pullout testing of three different pedicle screw designs. J Spinal Disord 1995;8:62-8. 12. Roe SC, Pijanowski GJ, Johnson AL. Biomechanical properties of canine cortical bone allografts: effects of preparation and storage. Am J Vet Res 1988;49:873-7. 13. Allen RF, Baldini, NC, Donofrio PE, Gutman EL, Keefe E, Kramer JG. Standard teste method for determining axial pull-out strength of medical screws (F1691-96). Annual Book of ASTM Standards medical devices and services, v. 13.01, Easton, USA: West Conshohocken; 1997.


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