Estudio biomecánico de las placas dinámicas cervicales mediante modelos de elementos finitos y ensayos biomecánicos

Abstract

A les cirurgies cervicals anteriors s’utilitzen plaques cargolades per augmentar la taxa de fusió de l’empelt ossi que s’interposa entre vèrtebres; el seu disseny ha anat evolucionant per adaptar-se als inconvenients que s’han anat trobant: inicialment els cargols no estaven subjectes a les plaques, per la qual cosa podien deixar-se anar.. posteriorment, en subjectar-los s’altera la distribució de càrrega a través de l’empelt, necessària per a afavorir-ne la integració (seguint la llei de Wolff). Per tot això, van sorgir les plaques cervicals dinàmiques, que permeten la continuïtat de la càrrega de l’empelt alhora que es garanteix una estabilitat mínima suficient; la dinamicitat pot aconseguir-se per rotació dels cargols o per translació dels mateixos o de la placa (o ambdós mecanismes), donant lloc a plaques rotacionals o translacionals, que poden ser uni o bidireccionals en funció que el mecanisme dinàmic estigui en un extrem o tots dos de la placa. D’altra banda, durant el procés de fusió es pot produir un escurçament de l’empelt, i les plaques estàtiques (que no permeten la mobilitat) es poden acomodar adequadament a aquesta situació. A la literatura no hi ha cap estudi que compari in vitro el comportament biomecànic d’una placa dinàmica bidireccional en comparació amb aquesta mateixa placa en comportament estàtic, en un model de corpectomia (en els casos de discectomia no és imprescindible l’ús de placa). L’objectiu d’aquest estudi és investigar si la suposada superioritat de la placa dinàmica és efectivament atribuïble al dinamisme intrínsec de la mateixa, o podria atribuir-se més aviat al disseny de la placa. Per fer-ho emprarem assaigs biomecànics i Models d’Elements Finits, que són dissenys per ordinador que combinen elements geomètrics i físics. Els resultats obtinguts en aquest estudi, després de les simulacions realitzades (de la manera descrita anteriorment) amb la placa funcionant de manera estàtica o dinàmica, i simulant una situació amb empelt de longitud completa o després d’escurçament, mostren que les plaques estàtiques suporten més tensions que. les dinàmiques (pot haver-hi afluixament o trencament dels implants a llarg termini), que poden augmentar amb el temps a mesura que l’empelt s’escurça, fent que les plaques estàtiques no puguin transferir la càrrega a l’empelt amb la mateixa eficàcia. Per contra, les plaques dinàmiques -que ja en el postoperatori immediat-, transfereixen una càrrega més gran a l’empelt que les estàtiques, són capaces d’adaptar-se a la nova geometria i permeten la continuació de la transmissió de la càrrega a l’empelt. Per tots aquests motius, en els casos en què calgui utilitzar plaques cervicals, seria aconsellable utilitzar plaques dinàmiques translacionals, ja que s’ha demostrat in vitro la major transmissió de càrregues a l’empelt, i la menor tensió de la placa, que a la llarga pot ser una font de complicacions dels implants.

En las cirugías cervicales anteriores se emplean placas atornilladas para aumentar la tasa de fusión del injerto óseo que se interpone entre vértebras; su diseño ha ido evolucionando para adaptarse a los inconvenientes que se han ido encontrando: inicialmente los tornillos no estaban sujetos a las placas, por lo que podían soltarse.. posteriormente, al sujetarlos se altera la distribución de carga a través del injerto, necesaria para favorecer su integración (siguiendo la ley de Wolff).. Por todo ello, surgieron las placas cervicales dinámicas, que permiten la continuidad de la carga del injerto a la vez que se garantiza una estabilidad mínima suficiente; la dinamicidad puede lograrse por rotación de los tornillos o por traslación de los mismos o de la placa (o ambos mecanismos), dando lugar a placas rotacionales o traslacionales, que pueden ser uni o bidireccionales en función de que el mecanismo dinámico esté en un extremo o ambos de la placa. Por otro lado, durante el proceso de fusión puede producirse un acortamiento del injerto, y las placas estáticas (que no permiten la movilidad) pueden acomodarse adecuadamente a esta situación. En la literatura no existe ningún estudio que compare in vitro el comportamiento biomecánico de una placa dinámica bidireccional en comparación con esa misma placa en comportamiento estático, en un modelo de corpectomía (en los casos de discectomía no es imprescindible el uso de placa). El objetivo de este estudio es investigar si la supuesta superioridad de la placa dinámica es atribuible efectivamente al dinamismo intrínseco de la misma, o podría atribuirse más bien al diseño de la placa. Para ello emplearemos ensayos biomecánicos y Modelos de Elementos Finitos, que son diseños por ordenador que combinan elementos geométricos y físicos. Los resultados obtenidos en este estudio, tras las simulaciones realizadas (de la manera descrita anteriormente) con la placa funcionando de forma estática o dinámica, y simulando una situación tanto con injerto a longitud completa o tras acortamiento, muestran que las placas estáticas soportan más estrés que las dinámicas (pudiendo producirse aflojamiento o rotura de los implantes a largo plazo), lo que puede aumentar con el tiempo al acortarse el injerto, volviéndose las placas estáticas incapaces de transferir de forma tan efectiva la carga al injerto. Por el contrario, las placas dinámicas .que ya en el postoperatorio inmediato-, transfieren mayor carga al injerto que las estáticas, sí son capaces de adaptarse a la nueva geometría y permiten la continuación de la transmisión de la carga al injerto. Por todo ello, en los casos en que haga falta utilizar placas cervicales, sería aconsejable la utilización de placas dinámicas traslacionales, dado que se ha demostrado in vitro la mayor transmisión de cargas al injerto, y la menor tensión de la placa, que a la larga puede ser fuente de complicaciones de los implantes.

Screwed plates are used in cervical surgeries to increase the fusion rate of the bone graft placed between two vertebrae, which design has evolved to overcome their disadvantages. In the initial models, the screws were not firmly attached to the plates, with risk of loosening of the same; this was addressed by firmly attaching the screws to the plates, but unfortunately this modifies the load distribution through the bone graft (following Wolff’s Law, compression is useful to foster bone formation). This is the reason why dynamic plates evolved, which allow graft load at the same time that guarantees enough stability for the fusion. Dynamicity can be achieved by rotation (toggling) of the screws, or by traslation of the screws or the plate itself; this can be so in one or two directions. On the other hand, during the fusion process there is a possibility of graft shortening; and the static plates may not be able to adapt to this situation. To the best of our knowledge, there is no study comparing the biomechanical behaviour of a bidirectional dynamic plate with its static counterpart, in a in vitro corpectomy model (the plate may not be necessary with discectomy). The purpose of this study is to investigate whether the supposed superiority of the dynamic plate can be certainly attributable to the intrinsic dynamism of the plate itself, or could be due to the plate design. For this purpose, both biomechanical essays and finite element models will be used; the latter are computer designs which combine geometric and physic elements. After the simulations with the plate in either static or dynamic work configuration, and with full graft length or simulated shortening, the results of the study show that the static plates bear more stress than the dynamic ones (which could theoretically in the long run cause implant loosening or breakage); and this increases as time goes by and the graft shortens, so the static plates are unable to effectively transfer the load. On the contrary, dynamic plates can transfer higher loads to the graft, and are also capable to adapt to the modified geometry after graft shortening, and allow the continuation of load transmission to the graft. For this reason, in those cases when plates are needed, it would be advisable to use traslational dynamic plates, as they have demonstrated in vitro the higher load transmission to the graft as well as less tension to the plate, which could eventually cause hardware complications.