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.

viii

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.