Se estudia el comportamiento mecánico de rodillas animales que han sido congeladas en 1 o varias ocasiones mediante la aplicación de cargas axiales hasta la fractura o test destructivos. Se analizan el tipo y localización de fracturas aparecidas mediante un estudio radiográfico.We study the mechanical behavior in animal knees who are fresh frozen in one or various times. Axial loading are applied until the final fracture ( destructive test). Also it evaluates the tipe and localization of the fractures with radiological study

Navarro Quilis, A.

Roure Fernández, Francisco

Serra Porta, T.

UPCommons (Universitat Politècnica de Catalunya)

72Biomecánica, 14 (2), 2006,  pp. 72-80T. SERRA PORTA , F. ROURE , A. NAVARRO QUILIS .Servicio de Cirugía Ortopédica y Traumatología. Hospital Vall d’Hebrón. Barcelona.Escola Tècnica Superior d’Enginyers Industrials de Barcelona.Universitat Politècnica de Catalunya.ResumenSe estudia el comportamiento mecánico de rodillas animales que han sido congeladas en 1 ovarias ocasiones mediante la aplicación de cargas axiales hasta la fractura o test destructivos. Seanalizan el tipo y localización de fracturas aparecidas mediante un estudio radiográfico.Palabras clave: rodilla, experimental, congelación, fractura, biomecánica.AbstractWe study the mechanical behavior in animal knees who are fresh frozen in one or various times.Axial loading are applied until the final fracture ( destructive test). Also it evaluates the tipe andlocalization of the fractures with radiological study.Key words: Knee, experimental, fresh frozen, fracture, biomechanical.Correspondencia:Dra. T. Serra PortaServicio de Cirugía Ortopédica y Traumatología,Hospital Vall d’Hebrón.Pas. Vall d’Hebron, 119-129.08035, Barcelonae-mail: ez.reg@terra.esFax: 93 741 47 06Efecto de la congelación en rodillas animales:Estudio biomecánico experimentalIntroducciónLa experimentación biomecánica sobre huesobiológico debe hacer especial hincapié en el sistemade conservación utilizado. Existen numerososestudios que demuestran la idoneidad de lacongelación [1,2,3,4] respecto a otros métodos deconservación que alteran la estructura y resistenciadel hueso [5,6,7,8,9,10].En unidades ósteo-articulares, elcomportamiento mecánico es debido a la conjunciónde hueso, estructuras ligamentosas y capsulares y21cartílago articular, cada uno de ellos con módulosde resistencia y elasticidad distintos. No hayreferencias en la bibliografía de los cambios deresistencia mecánica secundarios a varios procesosde congelación en este tipo de muestras(unidadesósteo-articulares).Se ha diseñado un estudio mecánico yradiológico in vitro en rodillas de animales paraanalizar los cambios de resistencia mecánica a lacompresión axial hasta la fractura ósea cuando hansido sometidas a uno, tres o cinco ciclos decongelación y descongelación.Material y métodosModelos animalesPara estudio empleamos 9 unidades ósteo-tendinosas de rodilla de cerdo híbrido de Duroc–Piatren de edad media 6 meses y peso medio120KG. La preparación de las muestras consisteen la desperiostización y exéresis de restos211musculares diafisarios con conservación de laarticulación de la rodilla a excepción del aparatoextensor (tendón rotuliano y rótula). Se practicanosteotomías diafisarias femoral y tibial consiguiendomuestras uniformes de 31 cm de longitud yosteotomía del cuello del peroné(Figura 1). Todaslas muestras se someten a congelación de –20ºCen extensión.Mediciones radiológicasSe obtienen proyecciones póstero-anteriores(PA) antes y después del test mecánico. En amboscasos se efectúa un estudio angular y después deltest  de compresión se evalúan las fracturasaparecidas.Se efectúan 3 mediciones angulares: ángulofemoral distal, ángulo tibial proximal y ángulofémoro-tibial. El ángulo femoral distal (aFD), setraza entre el eje transverso articular distal del fémury el eje diafisario femoral,el ángulo tibial proximal(aTP) se obtiene por la intersección del ejetransverso articular de la tibia y el eje tibial y elángulo fémoro-tibial (aFT) usa el eje de femoral ytibial de las muestras. Todos ellos se miden en lavertiente externa(Figura 2).El registro de las fracturas contempla: el huesoafectado (tibia y/o fémur),  su localización (fisis,metáfisis y/o diáfisis) y el momento de apariciónde las mismas.Figura 1. Muestras animales. Pieza íntegra y después de las secciones metafisarias7374Test MecánicoEl estudio mecánico consiste en la aplicaciónde una carga axial progresiva en el eje longitudinalde la muestra hasta producir fractura ósea (testdestructivo) audible y visible y registrar undescenso de las lecturas de fuerza(Figura 3).Para el estudio mecánico usamos una máquinade ensayos universal ( ETSIEB) especialmenteadaptada para el montaje de las rodillasmediante soportes metálicos diafisariosendomedulares y extramedulares (corona detornillos) (Figura 4).Figura 2. Mediciones angulares: aFD: ángulo femoral distal; aTP: ángulo tibial proximal ; aFT: ángulofémoro-tibialFigura 3. Bastidor Mecánico: Montaje de la muestra75Figura 5. Curva de fuerza-desplazamiento: Zona I , Zona II y Pico de fuerza ( señalado con punta deflecha)Figura 4. Sistemas de anclaje: 4A.endomedular (centradores) y 4B.extramedular ( corona de tornillos)76Los captadores incorporados permiten lamedición en tiempo real de las lecturas de fuerza(Nw) y desplazamiento (mm). El tratamientoinformático de los resultados permite la construcciónde una curva en una gráfica XY (Fuerza/desplazamiento) y el cálculo de la rigidez de lamuestra ( F/mm).En la gráfica de Nw/mm la fractura óseacoincide con el fallo del sistema, definido por ladisminución de las lecturas de fuerza durante laaplicación constante de carga axial precedido porun pico máximo de fuerza. El fallo del sistema serefleja en una inflexión de la curva después del picomáximo de fuerza o máxima lectura de fuerza.Las curvas de fuerza /desplazamiento estáncaracterizadas por la aparición de una doblependiente que hemos separado en 2 tramos: la ZonaI, correspondiente a la primera fase de aplicaciónde fuerzas con ascenso poco marcado y Zona II,más verticalizada usada para la evaluación de larigidez.Grupos de estudioLas muestras de dividen en 3 grupos de estudio(3 muestras por grupo) caracterizados por elnúmero de ciclos de congelación/descongelación aque son sometidos antes de la prueba mecánica.Un ciclo de congelación/descongelación se iniciacon la congelación de la muestra diseccionada a –20ºC durante una semana y posteriordescongelación a temperatura ambiente durante 4horas.El grupo I (o control) se somete a 1 ciclo decongelación/descongelación antes de la realizacióndel estudio mecánico. En el grupo II se realizan 3ciclos de congelación/descongelación, a lo largo de3 semanas. Y finalmente en el grupo III se aplican5 ciclos de congelación/descongelación antes de laaplicación de cargas destructivas.ResultadosResultados mecánicosSe analizan las mediciones absolutas obtenidas.Los valores máximos de fuerza o pico de fuerzaalcanzados en cada muestra y las lecturas dedesplazamiento correspondientes a dicho picocorresponden a la aparición de fractura metafisariaa excepción de un caso, donde apareció unafractura longitudinal en la diáfisis tibial provocadapor el anclaje óseo(centrador endomedular).Los valores obtenidos demuestran una granhomogeneidad tanto en los resultados de fuerza(Nw) como en el desplazamiento (mm). En la tablase pormenorizan los valores absolutos y se exponenlos valores medios de grupo(Tabla 1).En la Zona II, la pendiente es superponible enlos 8 casos, lo que demuestra un comportamientomecánico parecido cuando la muestra sufre unaplastamiento en la zona metafisaria(Figura 5). Secalcula la rigidez de las muestras mediante elcociente fuerza/desplazamiento expresado enNewton/milímetros en esta zona de la gráfica,Rigidez=1316N/mm140066400p-17Desplazamiento=12,3mm1600187200p-14Pico=7333N950138400p-10Rigidez=975N/mm1200159000p-13Desplazamiento=16mm400133000p-12*Pico=9400N750179800p-11Rigidez=1166N/mm1200127400p-16Desplazamiento=11,3mm1086115900p-15Pico=6966N1212117600p-9Valores medios de grupo(Nw/mm)Máx (mm)(Nw)RigidezDesplazamientoPico de fuerzamuestra    GRUPO I Tabla 1. Resultados mecánicos. (Grupo I o control: 1 proceso de congelación; Grupo II: 3 procesos;y Grupo III: 3 procesos de congelación-descongelación). *fractura longitudinal en diáfisis tibialprovocada por un centrador endomedular inadecuado GRUPO III           GRUPO II    presentando también pocas diferencias como puedeobservarse en la Tabla I.Resultados radiológicosLas fracturas aparecen básicamente en el huesoesponjoso metafisario por aplastamiento del tejidoóseo. La localización en la tibia proximal (Figura6A) es la más frecuente apareciendo en todos losespecimenes del grupo I y de forma variable en losdemás grupos. Sólo en 1 caso apareció una fracturaa través del tejido fisario (epifisiolisis), asociada afractura por compresión en la metáfisis femoral(Figura 6C).También se observan fracturas en la diáfisisproducidas por sistema de anclaje. Aparecen antesque las fracturas metafisarias y no provocan el fallodel sistema, son producidas por la corona de tornillos(Figura 6B) que se utiliza como sistema de anclajeextramedular. Sólo en una ocasión apareció unfractura diafisaria longitudinal tibial en el curso detest de compresión debida a un centradorendomedular.El ángulo femoral distal (aFD) permiteevidenciar los cambios aparecidos por las fracturasmetafisarias femorales que siempre producen ungrado de varismo en los aplastamientos. El ángulotibial proximal (aTP) se modifica de forma másaleatoria en las fracturas metafisarias tibiales; laepifisiolisis que aparece en una muestra invalidaesta medición.El ángulo fémoro-tibial (aFT) obtenido despuésde la compresión presenta un varismo constanteen todos los casos. Las rodillas de cerdo sedistinguen por un varismo constitucional marcadooscilante entre 0 y 8º ,característicamente el fallopor compresión axial nunca produce un valguismorelevante(Tabla 2).Figura 6. Resultados radiológicos: fracturas aplastamiento metafisarias fermoral y tibial(Fig 6A),fractura diafisaria por corona de tornillos del sistema de anclaje(Fig 6B) y epifisiolisis(Fig 6C)7778DiscusiónEl tejido óseo de origen animal presenta lasmismas características biomecánicas que elhumano y se usa frecuentemente en investigación[11,12,13]. Anatómicamente la estructura humanade extremidades inferiores es común a diferentesmodelos animales [14,15,16] aunque lascaracterísticas mecánicas a las que se hallasometida son especialmente similares en el casodel cerdo.En los estudios experimentales «in vitro» sobrehueso biológico, el sistema de conservación poseeuna importancia capital ya que puede modificar losresultados mecánicos. Los sistemas químicosproducen una alteración de la mineralización óseay son desaconsejables en estudios mecánicos[6,7,8,9]. Por otra parte, también influyen en laincorporación de injertos óseos en modelos in vivo[17,18]. La conservación por congelación ha sidoestudiada en segmentos óseos y unidades ósteo-articulares como rodillas o segmentos vertebrales[19,20]. Se ha demostrado la resistencia mecánicaa la compresión, torsión y cizallamiento permaneceinalterada cuando se realiza un único proceso decongelación [3,4,12].Sin embargo dependiendo del estudio al que sehalle sometido, la cadena de frío puede verseinterrumpida una o varias ocasiones. No hemoshallado en la literatura referencias al efectomecánico secundario a varios ciclos de congelaciónpara ello hemos desarrollado este estudio.El tejido óseo ha sido repetidamente descritocomo material anisótropo con comportamientovisco-elástico[21,22] sin embargo en unidadesósteo-articulares coexiste con otras estructuras conmódulos de resistencia y elasticidad distintos. Lostest mecánicos destructivos por compresión axialson especialmente adecuados en este tipo demuestras ya que los estudios de bending,cizallamiento o torsión provocan una deformaciónprogresiva de la articulación a expensas de loscomponentes cápsulo-ligamentosos [23,24]. Por elcontrario la fuerza axial pura obtiene parámetrosmecánicos absolutos coincidentes con la fractura ósea.La primera pendiente de la curva de fuerzadesplazamiento o Zona I ha sido descrita por otrosautores [6,25] y corresponde a la absorción de lacompresión por el cartílago articular y partesblandas. La Zona II demuestra la carga del hueso.La pendiente registrada en esta región es la quemide la rigidez del hueso, que se demuestrainmodificada en los tres grupos. El pico de fuerza omedición máxima de fuerza en una muestra indicala inflexión producida por la aparición de la fracturaósea, a partir de este punto la aplicación de cargasaxiales progresivas no registra mayores medicionesya que el sistema de «descarga». Este cambio decomportamiento mecánico expresa el aplastamientometafisario en casi todas las muestras.El estudio radiológico nos ayuda a identificar loseventos que se asocian a los resultados mecánicos.El patrón de fractura ósea es predominantementemetafisario y no existen diferencias importantesentre el grupo control (Grupo I) respecto al GrupoII y Grupo III. En el caso de fractura a través de lafisis (epifisiolisis) las lecturas de fuerza/desplazamiento presentan pocas diferencias.-CoronaAplastamiento-Aplastamiento17617284868292p-17---CoronaAplastamiento18818094949488p-14--Aplastamiento--18517890889090p-10SiCoronaAplastamiento-Aplastamiento19217696909288p-13-Longitudinal (Centrador)---18018088889292p-12---CoronaAplastamiento18617890889890p-11--AplastamientoCorona-17818090869094p-16-CoronaAplastamiento--18617890849294p-15-CoronaAplastamiento--19018294909292p-9Metáfisis Diáfisis          Metáfisis Diáfisis                      FisisPre      post     Pre    post     Pre   PostFemoral                                           TibialaFD aTP aFTFRACTURASMEDICIONES ANGULARESTabla 2. Mediciones angulares y topografía de las fracturas. (aFD: ángulo femoral distal; aTP: ángulotibial proximal; aFT: ángulo femoro-tibial)79Las fracturas diafisarias provocadas por lacorona de tornillos (sistema de anclaje)  expresanel aumento de tensión en los extremos de la muestray son previos al pico máximo de fuerza. El un caso,un centrador endomedular tibial excesivamentegrande produjo una fractura diafisaria longitudinaly una mediciones absolutamente discordantessiendo etiquetado como fallo técnico.Las mediciones angulares son pocorepresentativas de los cambios aparecidos en cadagrupo. La fractura de la muestra se produce siempreaumento el varismo aunque las medicionesangulares resultan poco modificadas. Aunque el aFT(ángulo fémoro-tibial) y el aFD( ángulo femoraldistal) acostumbran a aumentar, el aTP ( ángulotibial proximal ) presenta en algunas ocasionesaumento (varismo tibial) y en algunos casos elaplastamiento por compresión es bastante uniformey prácticamente no modifica la medición angular.Creemos que la osteotomía del peroné influyeen la mayor frecuencia de aparición de fractura anivel de la tibia proximal ya que debilita el extremodistal  de la muestra.Con este estudio, demostramos que la repeticiónde congelación / descongelación no alteramecánicamente a las unidades ósteo-articulares.Este punto es importante en investigación, dondepodrían requerirse distintos tiempos odescongelaciones en una misma muestra.Por otraparte en clínica, creemos que si se aseguran lascondiciones de esterilidad, la rotura de la cadenade frío no constituye una contraindicación absolutapara reutilizar  tejido óseo o unidades ósteo-articulares una vez ha sido descongelados.ConclusionesProcesos repetidos de congelación /descongelación no modifican las característicasmecánicas a la compresión axial (pico de fuerza yrigidez) de las unidades ósteo-articulares de rodillaanimal.No se detectan alteraciones significativas en elpatrón de fractura en rodillas congeladas en 1,3 o 5ocasiones.BibliografíaBonfield W, Li CH: The temperature dependanceof the deformation of bone. 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Efecto de la congelación en rodillas animales. Estudio biomecánico experimental

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