Figura 1. Espectro de isocromáticas, donde los diferentes
números representan el «n» correspondiente a cada franja.
Comparación biomecánica entre los sistemas convencionales y uni-lock en osteosíntesis del ángulo mandibular. Estudio fotoelástico
Biomechanical comparison of the conventional and uni-lock systems for mandibular osteosynthesis. A photoelastic study
José Luis Cebrián-Carreteroa, Rocío Sánchez-Burgosa, María Teresa Carrascal-Morillob, Germán Vincent-Frailec, Fernando Ortiz de Artiñanod y Miguel Burgueño-Garciaa
aServicio de Cirugía Oral y Maxilofacial, Hospital Universitario La Paz, Madrid, España
bDepartamento de Mecánica, E.T.S Ingenieros Industriales, UNED, Madrid, España
cLaboratorio de Prótesis Dental Vincent Dental, Madrid, España ]]>
dServicio de Cirugía Oral y Maxilofacial, Hospital Virgen de la Luz, Cuenca, España
Dirección para correspondencia
RESUMEN
Introducción: Las implicaciones biomecánicas de la interacción de las placas y tornillos de titanio con la mandíbula fracturada no son del todo conocidas. Los modelos matemáticos desarrollados hasta hoy en día muestran ciertas limitaciones, y los estudios experimentales han fracasado en reproducir las fuerzas musculares y la distribución de las tensiones internas en la interfaz entre mandíbula e implante.
Material y métodos: En el presente estudio, empleamos un simulador estático del sistema músculo-esquelético masticatorio para demostrar en réplicas mandibulares de resina epoxi, por medio de la fotoelasticidad tridimensional, la distribución de tensiones que se produce en fracturas del cuerpo mandibular tras la aplicación de diferentes métodos de osteosíntesis.
Resultados: Los resultados muestran que el simulador y la fotoelasticidad 3D son útiles para estudiar las interacciones entre el hueso y el material de osteosíntesis. Los sistemas «lock» o bloqueados reflejaron la distribución de tensiones más favorable en la mandíbula de resina epoxi fracturada.
Conclusiones: La fotoelasticidad tridimensional en modelos de resina epoxi es un método útil para evaluar la distribución de tensiones en una estructura para estudios biomecánicos. En lo que se refiere a la osteosíntesis mandibular, las placas tipo «lock» mostraron ser las menos agresivas para el hueso.
Palabras clave: Fotoelasticidad. Fracturas de mandíbula. Ensayos biomecánicos. Placas tipo «lock».
Introduction: The biomechanical effects of the interaction between titanium plates and screws and the fractured mandible are not well known. The mathematical models that have been developed to date show limitations and the experimental studies fail in reproducing muscle forces and internal stress distributions in the bone-implant interface with the mandibular structure.
Material and methods: In the present study we use a static simulator of the masticatory system to show, in epoxy resin mandibular models, by means of 3D (three-dimensional) photoelasticity, the stress distribution using different osteosynthesis methods in mandibular body fractures.
Results: The results showed that the simulator and 3D photoelasticity were useful for studying interactions between bone and osteosynthesis materials. The "Lock" system displayed the most favourable stress distribution in the epoxy resin mandible.
Conclusions: 3D photoelasticity in epoxy resin models is a useful method to evaluate stress distribution for biomechanical studies. In terms of mandibular osteosynthesis, "lock" plates show the most favourable stress distribution due to being less aggressive to the bone.
Key words: Photoelasticity. Mandible fractures. Biomechanics. "Lock" plates.
Introducción
Aunque los principios de la osteosíntesis cráneo-maxilofacial fueron desarrollados durante los años 60 y 70, su aplicación no se generalizó hasta los años 80. En esta situación los primeros estudios retrospectivos con un aceptable periodo de seguimiento no aparecieron hasta 1990. En estas revisiones la osteosíntesis mostró su superioridad sobre otros métodos para el tratamiento de los fracturas1-3.
En el campo de la osteosíntesis mandibular la investigación continúa muy activa tratando de discernir cuál es el tamaño y forma ideal de las placas, su número y disposición, así como los principios biomecánicos que rigen su empleo con vistas a mejorar los resultados quirúrgicos.
]]> Cuando se emplean sistemas de placas convencionales, la estabilidad se consigue cuando la cabeza del tornillo comprime la placa contra el hueso a medida que el tornillo se va apretando. La morbilidad de estos sistemas se relaciona con: 1) la movilidad y fracaso del material; 2) alteraciones en la alineación de los segmentos fracturados debido al escaso moldeado de la placa, y 3) reabsorción del hueso adyacente a la placa por la compresión. Estas situaciones son especialmente preocupantes en casos de mala vascularización ósea, como fracturas conminutas, pacientes medicamente comprometidos o en ciertas localizaciones anatómicas de irrigación ósea terminal4.Los sistemas de placas y tornillos bloqueados («lock») obvian alguna de estas complicaciones, ya que obtienen estabilidad mediante un sistema que bloquea el tornillo a la placa cuando es atornillado en el hueso. En esta situación, sus teóricas ventajas son: 1) menor pérdida y aflojamiento de los tornillos bloqueados, 2) mayor estabilidad de la fractura, 3) menor necesidad de un moldeado preciso de la placa ya que el sistema se comporta como un fijador «externo-interno» en el que el tornillo no comprime a la placa y al hueso5,6. Lo fundamental es que el bloqueo entre la placa y el tornillo evita la necesidad de compresión entre la placa y el hueso, en nuestro caso la mandíbula, como se requiere en los sistemas convencionales.
Estas ventajas teóricas han tratado de ser confirmadas en ciertos ensayos biomecánicos en los que básicamente se ha comprobado la mayor estabilidad de los sistemas bloqueados, si bien el hecho de la mayor o menor compresión de las corticales ósea y su eventual reabsorción no ha sido todavía demostrada7,8.
Para comprobar este último aspecto es preciso:
1. Disponer de un simulador biomecánico que reproduzca las condiciones de trabajo en situaciones fisiológicas y patológicas del sistema músculo-esquelético que queramos estudiar, en este caso el sistema músculo esquelético masticatorio9-11.
2. Disponer de una técnica experimental que nos permita analizar la interfaz entre el material implantado y el hueso11,12.
A lo largo de los años en la literatura internacional, se han descrito modelos «in vitro» que analizaban la fijación de las fracturas, pero las simulaciones obtenidas nunca han sido capaces de explorar adecuadamente las peculiaridades biomecánicas de la unión hueso-implante12.
El objetivo del presente artículo es desarrollar un simulador biomecánico del sistema músculo-esquelético masticatorio, que nos permita aplicar una técnica experimental para evaluar y comparar el comportamiento de las placas y tornillos «lock» con respecto a los sistemas convencionales y sus supuestas ventajas en el campo de la osteosíntesis mandibular.
]]> Material y método
Fotoelasticidad y técnica de congelación de tensiones
La fotoelasticidad se basa en un fenómeno óptico denominado birrefringencia temporal. Cuando un material transparente, de características adecuadas, se somete a cargas mecánicas y se observa en un banco fotoelástico o polariscopio dispuesto para luz polarizada circular y en montaje cruzado para la extinción de la luz, aparecen unos espectros de franjas de colores, llamadas isocromáticas, que son los lugares geométricos de los puntos para los que la diferencia de tensiones principales es constante, denominándose a este fenómeno fotoelasticidad bidimensional.
La diferencia de tensiones entre dos isocromáticas responde a la fórmula:
Diferencial de tensió n = f × n/h
Donde f y h son constantes y n corresponde a la situación tensional de cada isocromática. El espectro de isocromáticas se repite de forma constante desde las áreas de menos a más tensión (Figura 1).
Figura 1. Espectro de isocromáticas, donde los diferentes
números representan el «n» correspondiente a cada franja.
Cuando se quiere determinar el estado tensional en el interior de una pieza cualquiera utilizando el método fotoelástico se utiliza la técnica de la fotoelasticidad tridimensional. Es una técnica muy precisa y con la enorme ventaja de presentar el estado de tensiones de toda la pieza instrumentada, permitiendo además trabajar con modelos a escala, elaborados a base de plásticos transparentes o colocar estos plásticos sobre el prototipo. Para ello se usan polímeros translúcidos, como las resinas epoxi, de buenas características fotoelásticas y que presentan una propiedad específica que los hace adecuados para su uso en fotoelasticidad tridimensional. Estos modelos cargados y sometidos a cierta temperatura durante un periodo de tiempo, cuando se enfrían hasta la temperatura ambiente, conservan el mismo estado tensional, apareciendo el fenómeno denominado «congelación de tensiones». El proceso por el cual se lleva a cabo esta «congelación de tensiones» se explica a nivel molecular, ya que estos plásticos se presentan en dos fases distintas: una sólida a temperatura ambiente que será viscosa a cierta temperatura, mientras que la otra mantiene cualidades de sólido cristalino en ambas condiciones. Por tanto, cuando este material se ha calentado las cargas aplicadas provocan deformaciones y tensiones en la fase cristalina, mientras la fase viscosa fluye libremente, conservándose el estado tensional al retirar las cargas después de enfriado el conjunto. Este material se corta en finas rebanadas adecuadamente para no introducir nuevas tensiones, y con las técnicas de la fotoelasticidad bidimensional, se observa el estado tensional en su interior5,8. Esta técnica se considera ideal para estudiar las tensiones generadas en la columna lumbar, ligamento cruzado anterior y en las mandíbulas7,10.
Simulador biomecánico
Para la reproducción del esqueleto facial recurrimos a un cráneo adulto con maxilar y mandíbulas con dentición completa. Para la réplica craneal y maxilar acudimos a una reproducción en escala 1:1 realizada en poliuretano y obtenida por vaciado de una impresión de silicona de un cráneo óseo. El cráneo actuaría como parte fija del sistema. Los prototipos mandibulares se obtuvieron partiendo de una mandíbula modelo de adulto sano, con dentición permanente completa, a partir de la cual se manufacturaron un total de 10 réplicas en resina epoxi. Para ello se sumergió el modelo en un baño de silicona autopolimerizable que reproducía fielmente el tamaño, forma y contorno mandibular, y se rellenaron mediante inyecciones sucesivas de los componentes de la resina epoxi que polimerizaron dando lugar a 10 réplicas de la mandíbula. La elección de la resina epoxi se debió a sus propiedades ópticas y mecánicas (rigidez y resistencia similares al tejido óseo). Las mandíbulas así obtenidas se articularon con el hueso maxilar del cráneo. La réplica de la musculatura masticatoria se realizó aplicando tornillos, ganchos y adhesivo en los lugares inserción muscular para sostener elásticos, que traccionasen con una fuerza similar a las conocidas para la musculatura masticatoria en diversas posiciones. Los músculos simulados fueron: maseteros, pterigoideos laterales, pterigoideos mediales, temporales y músculos depresores. Las fuerzas masticatorias aplicadas representaron un tercio de las fuerzas masticatorias máximas para no vencer la resistencia de la resina, dando lugar a una fractura de la misma. Las fuerzas aplicadas fueron en la dirección fisiológica de los músculos masticatorios.
En el caso concreto del sistema esquelético masticatorio, estudiamos la situación tensional en rodajas de la zona dentada mandibular (sínfisis, cuerpo y ángulo) tras la aplicación de determinadas cargas, y su perpetuación mediante el método de congelación de tensiones.
Ensayos
Sobre estas mandíbulas se realizaron fracturas en el ángulo mandibular derecho (Figura 2a y b) que fueron fijadas usando dos métodos de fijación distintos:
]]>1. Miniplacas convencionales 2.0.
2. Placas tipo «Lock» o bloqueadas 2.4
Para estudiar la interfaz entre hueso y tornillos, estos fueron retirados antes de aplicar el método de congelación de tensiones. Después las zonas adyacentes a la fractura fueron cortadas en rodajas de 5mm y pulidas bajo abundante irrigación con el fin de que fuesen lo suficientemente transparentes para su observación y estudio con el polaroscopio.
Si recordamos la fórmula: Diferencial de tensió n= f × n/h
y consideramos que f y h son constantes podemos concluir que a mayor n, mayor será el diferencial de tensiones en un lugar determinado de la pieza.
Resultados
Cuando se emplean sistemas de osteosíntesis convencional con placas para tornillos de 2,0mm, que comprimen directamente la placa contra el hueso, existe una elevada concentración de tensiones en la cortical externa del área que rodea a la placa, que se extiende hacia el hueso alveolar y basilar. Del mismo modo las tensiones son tan intensas que se continúan a lo largo de toda la longitud del tornillo, con una importante reacción en la cortical interna (Figura 3). En el caso de emplear dos mini-placas de 2.0 en posiciones craneal y caudal (Figura 4), existía una elevada concentración de tensiones a lo largo de toda la extensión de los tornillos, independientemente de su longitud, así como en la cortical externa. Las franjas isocromáticas que rodeaban ambos implantes se sumaban, dando lugar a un área de gran concentración de tensiones entre ellos.
]]>
Figura 4. Espectro de tensiones alrededor de dos
tornillos de 2mm del sistema convencional. Nótese
la gran concentración de tensiones alrededor de
toda la longitud de los tornillos así como en la cortical ]]>
externa del hueso mandibular, y en el espacio entre los tornillos.
Por el contrario, aquellos casos en los que se empleó un sistema roscado en la placa («lock»), las fuerzas de compresión sobre el hueso mandibular fueron mucho menores. En la Figura 5 se puede apreciar cómo la concentración de tensiones era de menor intensidad que en el caso anterior, y además quedaban limitadas al segmento del tornillo cercano a la cabeza sin extenderse a su zona más distal. Del mismo modo, en ningún momento se produjo efecto de compresión sobre la cortical en contacto con la placa, ni mucho menos reacción tensional en la cortical contralateral.
Figura 5. Sistema «lock». Nótese la escasa
concentración de tensiones, y su localización en la
zona que rodea al tornillo.
Discusión
Durante los últimos treinta años, la investigación en osteosíntesis maxilofacial se ha centrado en conseguir el material más biocompatible desde el punto de vista de composición, tamaño y forma. Parece ser que en lo que se refiere a la composición el titanio se ha mostrado como el metal más versátil con una amplia documentación clínica, pero en lo referente a los aspectos biomecánicos se sigue buscando aquella situación en la que el material interfiera lo menos posible con el patrón normal de función y distribución de tensiones mandibulares13,14.
]]> Los sistemas de placas y tornillos convencionales requieren una adaptación muy precisa al hueso subyacente, que consiga reducir la fractura y restablezca de forma predecible las relaciones oclusales. Esta adaptación requiere en ocasiones un moldeado complejo y siempre supone un cierto grado de compresión del tornillo y la placa contra la cortical externa del hueso para conseguir la estabilidad deseada. Así aunque este sistema favorece la curación primaria, a medio plazo puede causar alteraciones de la vascularización de la cortical ósea con la consiguiente reabsorción y aflojamiento de los tornillos7,8.Para obviar estas complicaciones se desarrollaron los sistemas tipo lock o bloqueados, cuya ventaja teórica es evitar esta compresión ya que el tornillo queda enroscado a la placa y no la comprime contra el hueso. Además la estabilidad de la fractura y el mantenimiento de las relaciones interoclusales se consigue gracias a su actuación como un fijador interno-externo. Esta ventaja es aún mayor cuando se emplean grandes placas, como las de reconstrucción mandibular, que son realmente difíciles de adaptar.
Estas ventajas teóricas, que se manifestarán clínicamente a largo plazo, no han sido experimentalmente ni mecánicamente demostradas, ya que es difícil encontrar un método que explore la compleja relación entre hueso, placas y tornillos. En un intento de conseguirlo, en el presente estudio hemos tratado de evaluar la validez de la fotoelasticidad y la congelación de tensiones para estudiar la interfaz entre implantes y hueso receptor.
La fotoelasticidad ha sido ampliamente empleada para evaluar experimentalmente los métodos de osteosíntesis. Quizás los estudios más conocidos son los de Champy et al que, empleando bloques de resina epoxi fotoelástica, establecieron los principios de la fijación funcionalmente estable a través de la redistribución de las fuerzas actuantes12,14. Desde entonces muchos autores han empleado la fotoelasticidad para evaluar las diferentes opciones de osteosíntesis en traumatología, ortodoncia y reconstrucción mandibular15-17.
En todos estos ensayos, los sistemas de simulación eran rudimentarios y difícilmente reproducían las características biomecánicas de los sistemas músculo-esqueléticos que estudiaban. La ventaja de los sistemas de congelación de tensiones aplicados sobre rodajas mandibulares de resina epoxi que presentamos en este estudio es doble:
1. Por un lado, permite el estudio de la interfaz entre hueso y tornillo.
2. Por otro, permite un análisis tridimensional si la información obtenida de cada rodaja mandibular es estudiada secuencialmente.
Esto es así porque las tensiones quedan memorizadas en la pieza incluso tras la retirada de las placas, y tras cortar la mandíbula en sentido cráneo-caudal.
En los sistemas de osteosíntesis convencional la placa es firmemente comprimida al contorno del hueso. En los experimentos realizados en este estudio se ha comprobado cómo la compresión del tornillo a la placa y al hueso causa un incremento de tensiones muy importante alrededor de esta, tanto alrededor de los tornillos como en ambas corticales, la externa por el contacto, y la interna por la intensa reacción a esas fuerzas. Estas tensiones se sumarán además a otras a las que puede estar sometida la mandíbula en ese momento como fijaciones intermaxilares y fuerzas de cierre mandibular. Estudios experimentales han mostrado reabsorción ósea adyacente a la placa debido a la falta de aporte vascular relacionado con la compresión18,19. Aun así en individuos sanos, la mayor parte de las fracturas tratadas mediante osteosíntesis convencional evolucionan de forma favorable, debido a la enorme tendencia a la curación del hueso fracturado.
]]> No obstante en individuos médicamente comprometidos, en áreas mal vascularizadas y en casos de fracturas conminutas en las que la vascularización es crítica, los métodos de osteosíntesis aplicados deben ser totalmente respetuosos con el hueso subyacente.Aunque los sistemas tipo «lock» se desarrollaron hace más de 30 años, su utilización en la práctica clínica no se ha popularizado hasta los últimos 10 años, de manera que las primeras comparaciones entre ambos sistemas en la literatura maxilofacial se deben a Gutwald quien, empleando galgas extensiométricas, concluyeron que se obtenía mayor estabilidad con los sistemas «locking». Se trataba de estudios bidimensionales, de superficie, en mandíbulas de cadáver que en ningún momento fueron capaces de investigar la interfaz hueso-implante5.
En los experimentos llevados a cabo en este estudio, se ha elegido una fractura de la región posterior del cuerpo, donde la vascularización es terminal. Al comparar los dos sistemas, se pudo comprobar que las fuerzas de compresión sobre ambas corticales, así como alrededor del tornillo, eran mucho menores cuando se aplicaban sistemas atornillados a la placa. En estos casos, como se aprecia en las figura 5 a y b, las tensiones se concentraban en forma de bandas anchas, de escasa densidad, a lo largo de la punta o extremo terminal del tornillo, sin que apareciesen tensiones relacionadas con efectos de compresión en ambas corticales y a lo largo de toda la longitud del tornillo. Por tanto, la sobrecarga funcional de regiones a las que no es necesario someter a esfuerzos compresivos es mucho mayor en los sistemas convencionales. Por otro lado, el diseño y características de las placas tipo «lock» es tal que con una sola placa se consigue la misma fijación que con dos mini-placas convencionales. En la figura 4 podemos ver cómo la colocación de dos miniplacas supone la existencia de una zona de elevada concentración de tensiones entre ellas que se suma a las ya descritas sobre las corticales, que pueden comprometer el éxito de la osteosíntesis.
En este experimento se emplearon placas de 2,4mm porque en el momento de realización de los ensayos el uso de placas «lock» más pequeñas para las fracturas de cuerpo era controvertido20,21, pero desde entonces el sistema se ha ido perfeccionando hasta la aparición de placas pequeñas de 2mm que ofrecen la misma, e incluso mayor estabilidad que los sistemas de osteosíntesis convencionales22,23. El principal problema de estos sistemas es que hoy en día son más caros que los convencionales.
Es cierto que los factores biomecánicos son solo uno de los aspectos a tener en cuenta a la hora del tratamiento de las fracturas mandibulares, pero también lo es que el respeto por la estructura ósea que caracteriza a los sistemas «lock» ya ha sido clínicamente documentado de manera que incluso son los recomendados para el rescate de los casos de fracaso de la osteosíntesis24.
Conclusiones
En definitiva, en el presente trabajo se propone un modelo y método fiable para estudiar las características biomecánicas del sistema músculo-esquelético en el caso de fracturas mandibulares fijadas con diversos sistemas de osteosíntesis. Se ofrece un análisis cualitativo y semi-cuantitativo de las tensiones que actúan en el sistema en cada caso y permite concluir cómo los sistemas tipo «lock» o bloqueados son los que menos interfieren con el patrón normal de función y distribución de tensiones mandibulares. El presente estudio experimental demuestra la validez de la fotoelasticidad y el sistema de congelación de tensiones para el estudio de la biomecánica mandibular como ya apuntábamos en el estudio de referencia publicado en esta revista25.
Como allí se apuntaba estamos trabajando para desarrollar más aplicaciones de este método que nos permitan reproducir las condiciones de trabajo. De esta manera podemos analizar el comportamiento de los diferentes materiales en condiciones de carga cíclica. La dinamización del sistema depende de conseguir adaptar los mecanismos existentes de apertura y cierre para someterlos al proceso de congelación de tensiones.
]]> Conflicto de intereses
Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Agradecimientos
Al Prof. Mariano Rodríguez-Avial por facilitarnos el uso del Laboratorio de Resistencia de Materiales de la ETSII de la UNED.
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Dirección para correspondencia: ]]>
ro_sb@hotmail.com
(R. Sánchez-Burgos)
Recibido 26 Septiembre 2011
Aceptado 14 Noviembre 2011