Análise biomecânica da articulação intacta e implantada da base do polegar com modelo "in-vitro"

Abstract

A articulação da base do polegar entre o primeiro metacarpo e o trapézio é a de maior importância na mão. É esta que torna o polegar no dedo opositor, oferecendo à mão toda a especialização característica do Homem. A articulação trapézio-metacárpica, sendo a mais requisitada, está sujeita a uma forte instabilidade, levando à ocorrência de diversas patologias. A rizartrose, a segunda artrose mais comum na mão, afeta a base do polegar e em casos mais graves pode colocar em causa a qualidade de vida do paciente. Atualmente, vários modelos de próteses trapézio-metacárpicas têm sido utilizados e clinicamente estudados, no entanto, a diversidade de resultados leva a conclusões menos explícitas. Estudos revelam que a principal razão para o insucesso destes implantes é o descolamento asséptico. Neste contexto, o trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação procurou quantificar numericamente as alterações estruturais provocadas nas estruturas ósseas da articulação trapézio-metacarpo, antes e após a artroplastia, para um dos implantes utilizados neste tipo de intervenção, o implante Elektra. A primeira fase deste trabalho consistiu num estudo anatómico e biomecânico do complexo da mão e da articulação trapézio-metacárpica, possibilitando assim uma melhor compreensão das estruturas e sua função na articulação. Posteriormente, e com o objetivo de conhecer os principais problemas associados à articulação, realizou-se um levantamento relativo às patologias e às principais técnicas cirúrgicas, dando ênfase à artroplastia trapézio-metacárpica. Na segunda fase, desenvolveram-se os modelos numéricos, com recurso ao método dos elementos finitos que replicam o estado nativo e implantado da articulação em estudo a partir de modelos ósseos de geometria análoga em material compósito. Nos modelos representativos da situação implantada foram considerados dois estados clínicos temporais: um representativo de um período pós-cirúrgico e outro representativo de um período de longo termo após a cirurgia. Seguidamente, os três modelos foram utilizados para a determinação do comportamento biomecânico das estruturas ósseas e para uma condição de carga fisiológica de preensão de garra. Os resultados obtidos evidenciam alterações do comportamento mecânico do osso adjacente ao implante na situação pós cirúrgica, ou seja com o implante ainda não osteointegrado, no sentido de provocar um aumento dos níveis de deformação no osso relativamente à situação intacta, estando assim presente o risco de fratura óssea por efeito das cargas cíclicas no metacarpo e no trapézio. Igualmente nesta condição, a estabilidade do implante é reduzida, sendo os micromovimentos na interface osso-implante bem superiores aos limites para uma osteointegração do implante. Assim, será conveniente que a articulação seja protegida de níveis de cargas fisiológicas neste período pelo paciente. Na condição clinica de longo termo, em que é suposto que o implante se encontre já osteointegrado, o comportamento mecânico relativamente à situação intacta foi bem distinto entre o metacarpo e o trapézio. Isto na medida em que, nesta condição, o metacarpo apresenta algum risco de reabsorção óssea na zona proximal por ação da redução dos níveis de deformação nesta região, ou seja por efeito de stress-shielding da haste. No trapézio o comportamento foi o oposto, pois os níveis de deformação induzidos no osso adjacente foram bem superiores aos níveis considerados aceitáveis fisiologicamente, estando assim presente um sério risco de fratura por fadiga do trapézio por ação das cargas cíclicas que podem conduzir à falha de suporte da cúpula com a consequente migração e luxação do implante, como referido em alguns estudos clínicos. Assim, mesmo uma para condição de longo termo em que é suposta uma perfeita ancoragem da cúpula ao trapézio, deve ser evitada pelo paciente a realização de atividades fisiológicas que envolvam grandes esforços sobre o polegar, como é o caso da preensão de garra utilizada no presente estudo. Tendo em consideração o presente estudo, a artroplastia da base do polegar com o implante Elektra implica que o paciente limite os níveis de esforços fisiológicos sobre o dedo polegar por forma a não colocar em causa a sua longevidade.

The joint at the base of the thumb, between the first metacarpal and the trapezium, is the most important in the hand. It’s what it makes the thumb the opposition finger, providing the hand with all the expertise characteristic of the human. The trapezium-metacarpal joint, being the most requested, is subjected to strong instability, leading to the occurrence of several pathologies. The rizartrose, the second most common arthritis in the hand, affects the base of the thumb and in severe cases can jeopardize the patients life quality. Currently, several models of metacarpal-trapezoid prosthesis have been used and clinically studied, however, the diversity of the results leads to less clear conclusions. Studies show that the main reason for the failure of these implants is the aseptic detachment. In this context, the work developed within this dissertation searched for numerical quantification of the structural changes induced in the bone structure of the trapezium-metacarpal joint, before and after arthroplasty, for one of the used implants in this type of procedure, the Elektra implant. The first stage of this work consisted of an anatomical and biomechanical study of the hand complex and the trapezium-metacarpal joint, allowing a better understanding of the structures and their function in the joint. Subsequently, in order to know the main problems related to the joint, a survey was performed on the pathologies and surgical techniques, with emphasis on arthroplasty trapezium-metacarpal. In the second stage, numerical models were developed using the finite element method that replicate the native and deployed state of the joint in study from bone models of similar geometry in composite material. In representative models of the implanted medical condition two temporal states were considered: one representing a post-operative period and the other representing a long-term period after surgery. Next, the three models were used to determine the biomechanical behavior of the bone structure and to a condition of physiological load gripping claw. The results show changes of the mechanical behavior of the adjacent bone of the implant in the after surgical situation, with the implant not osseointegrated, in order to increase the deformation levels in the intact bone situation, being present the risk of bone fracture effect by cyclic loading in the metacarpal and the trapezium. Also in this condition, the stability of the implant is reduced, being the bone-implant micromotion to above the limits for an osseointegration of the implant interface. Thus, it is appropriate that the joint is protected from the physiological loads levels during this period by the patients. In long-term clinical condition, in which the implant it is supposed to be already osseointegrated, the mechanical behavior relatively to the intact situation was quite different between the metacarpal and the trapezium. That to the extent that, in this condition, the metacarpal bone presents some risk of proximal resorption by the action of reduced levels of deformation in this region, ie the effect of stress-shielding of the stem. In trapezium behavior was the opposite, the levels of induced deformation in the adjacent bone were higher, being present a serious risk of fatigue fracture of the trapezium by action of cyclic loading that can lead to failure the of dome support with the consequent migration and dislocation of the implant, as reported in some clinical studies. Thus, even for a long-term condition in which it is supposed a perfect dome anchoring to the trapezium, physiological activities involving a big strain on the thumb should be avoided by the patient, as is the case of the hold claw used in the present study. Considering the present study, the base of the thumb arthroplasty with Elektra implant implies that the patient limits the levels of physiological stress on the thumb not to jeopardize their longevity.