Avaliação biomecânica de diferentes técnicas de fixação de fratura vertical do colo do fêmur

Abstract

Fraturas verticais do colo do fêmur em jovens adultos são geralmente decorrentes de traumas de alta energia e podem ser classificadas de acordo com o seu grau de verticalização, em que as fraturas de maior angulação são as que possuem uma orientação mais vertical, de acordo com a classificação de Pauwels. Essas fraturas são de difícil estabilização, uma vez que são submetidas a grandes esforc¸os cisalhantes, envolvendo riscos de falha na fixação do implante, pseudoartrose e necrose avascular da cabeça femoral. O presente estudo visa avaliar, através de ensaios experimentais in vitro e análises numéricas computacionais in sílico, a estabilidade proporcionada por três diferentes métodos de fixação de fraturas verticais do colo do fêmur: (i) parafuso deslizante de quadril com parafuso antirrotatório (PDQ + PA), (ii) parafusos canulados com placa medial bloqueada (PCPMB) e (iii) parafusos canulados com placa medial não bloqueada (PCPMNB). Para os ensaios experimentais, a fratura foi reproduzida em ossos sintéticos e reduzida com as referidas técnicas, para posterior verificação do comportamento mecânico sob carregamento cíclico e carga até a falha. Para as análises numéricas foi realizado o modelamento do sistema biomecânico e reproduzidas as condições do experimento. A rigidez do sistema, para cada técnica, cirúrgica foi determinada antes e após o carregamento cíclico. Nenhuma técnica de osteossíntese apresentou valores de amplitude vertical de deslocamento na cabeça femoral que fossem maiores que 5 mm durante o carregamento cíclico, indicando que as três técnicas estudadas são adequadas para o tratamento de fraturas verticais do colo do fêmur. Os resultados estatísticos da amplitude de deslocamento do foco de fratura também indicaram as três técnicas como sendo adequadas para o tratamento de fraturas verticais do colo do fêmur. Os modelos numéricos foram validados comparando-se os resultados simulados e os resultados experimentais medidos. A distribuição das tensões de von Mises foi determinada para todos os implantes analisados.

Abstract: Vertical femoral neck fractures in young adults are usually caused by a high-energy trauma, leading to tipically vertical shear fractures. Femoral neck fractures can be classified based on the degree of verticality using the Pauwels classification, with the higher grade fracture having a more vertical orientation. These injuries are difficult to stabilize due to significant shear forces acting on the fracture site. Their treatment is challenging and has increased risks of complications, such as fixation failure, malunion, nonunion, and avascular necrosis of the femoral head. This study aims to evaluate, by comparing experimental and Finite Element Analysis (FEA), the biomechanical stability provided by three different fixation methods: (i) dynamic hip screw with derotational screw (DHS + DS), (ii) cannulated screws with blocked medial plate (CSBMP) and (iii) cannulated screws with non blocked medial plate (CSNBMP). Sawbone 4th-generation synthetic composite femurs were used to create a highly repeatable injury model, with a vertical osteotomy performed to represent Pauwels III femoral neck fracture. Axial cyclic loading and destructive axial loading tests were conducted on all specimens. FEA were carried out to model the biomechanical system and reproduce experimental conditions. The mechanical stiffness of each fixation method was determined before and after the cyclic loading. All fixation methods had vertical femoral head displacement lower than 5 mm during cyclic loading (either FEA and experimental results), suggesting that all techniques are suitable to treat vertical femoral neck fractures. The statistical results of the fracture displacement also indicated the three techniques as being suitable for the treatment of vertical femoral neck fractures. The numerical models were validated by comparing the FEA results and the experimental results. The von Mises stress distribution was determined for all analyzed techniques.