Caracterización de las propiedades y el comportamiento mecánico de un nuevo procedimiento quirúrgico utilizado en la reconstrucción del ligamento cruzado anterior de la rodilla

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(1)IM – 2003 – I - 41. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES Y EL COMPORTAMIENTO MECANICO DE UN NUEVO PROCEDIMIENTO QUIRURGICO UTILIZADO EN LA RECONSTRUCCION DEL LIGAMENTO CRUZADO ANTERIOR DE LA RODILLA. ALVARO SANCHEZ PASCITTO. Tesis presentada a la Universidad de los Andes como requisito parcial de grado del programa de pregrado en Ingeniería Mecánica. Bogotá, Colombia, 2003 ©(Álvaro Sánchez Páscitto), 2003.

(2) AGRADECIMIENTOS Deseo agradecer a las siguientes personas que me brindaron su apoyo para la realización de este trabajo de tesis. Klaus Mieth, M.D. Jairo Rincón, M.D. Luis Mario Mateus, Ingeniero Mecánico. Daniel Ricardo Suárez, Ingeniero Mecánico.. ii.

(3) RESUMEN EJECUTIVO. TÍTULO:. CARACTERIZACIÓN. COMPORTAMIENTO. DE. MECANICO. DE. LAS UN. PROPIEDADES NUEVO. Y. EL. PROCEDIMIENTO. QUIRURGICO UTILIZADO EN LA RECONSTRUCCION DEL LIGAMENTO CRUZADO ANTERIOR DE LA RODILLA. ASESOR: LUIS MARIO MATEUS. AUTOR: ALVARO SANCHEZ PASCITTO. OBJETIVO:. El objetivo de este proyecto es conocer y evaluar el comportamiento mecánico del ligamento cruzado anterior de la rodilla, cuando este ha sido reconstruido con la técnica quirúrgica que utiliza auto injerto Grácilis - semitendinoso con soportes o anclajes modificados de diámetro mayor.. DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO UTILIZADO:. Se han llevado a cabo múltiples trabajos que han pretendido comparar distintas propiedades mecánicas de varias técnicas de fijación usadas en la reconstrucción del ligamento cruzado anterior de la rodilla, como son la carga máxima, elongación, esfuerzo, deformación, energía de falla y rigidez entre otras. También iii.

(4) se han utilizado diferentes modelos experimentales trabajando principalmente con cadáveres, bovinos o cerdos. Todos estos trabajos han tenido el objeto de determinar cual anclaje utilizado en la reconstrucción de este ligamento ayudara a proveer la fijación mas segura durante el periodo de la incorporación biológica.. Para este trabajo se construyeron veintisiete probetas con huesos y tendones de cerdo, simulando la manera como se lleva a cabo la reconstrucción del ligamento cruzado anterior de la rodilla, con tres técnicas de fijación diferentes. Se probaron en una maquina universal de pruebas mecánicas modelo 5586 INSTRON Corp., Canton Massachussett ubicada en el laboratorio del CITEC de la Universidad de Los Andes. Para la realización de las pruebas se utilizó una precarga de 50 N y una velocidad de aplicación de la carga de 230 mm/min. Las variables medidas fueron la fuerza máxima soportada, la elongación en el punto de fuerza máxima y el modo de falla.. Para determinar el tamaño de la muestra se utilizó el método estadístico denominado diferencias especificas entre grupos para variables continuas, y un programa denominado Tamaño de la Muestra 1.1... APLICABILIDAD DEL PROYECTO. Este proyecto posee una aplicabilidad muy concreta debido a que la lesión del ligamento cruzado anterior de la rodilla se presenta con mucha frecuencia y genera altos costos especialmente en el deporte de alto rendimiento. Por lo tanto caracterizar mecánicamente los anclajes o fijaciones de una técnica quirúrgica de reconstrucción de este ligamento va a permitir determinar si es posible que una iv.

(5) persona con este tipo de lesión pueda recuperar la estabilidad y la resistencia en la articulación de la rodilla de tal manera que pueda nuevamente realizar todas sus actividades normalmente. Además, ayudar a despejar las dudas desde el punto de vista mecánico sobre que técnica es mejor.. Para que este proyecto se pueda acercar a su real aplicación, debe evaluarse si los resultados obtenidos en este, sobre cerdos, pueden extrapolarse a humanos, o si es necesario utilizar el modelo experimental desarrollado directamente con cadáveres.. CONCLUSIONES. 1. El punto más débil de las probetas es el anclaje artificial del tejido blando en el hueso.. 2. Las probetas que utilizan el equivalente a semitendinoso–gracilis como injerto y taco óseo de 14 mm de diámetro como fijación, son las que soportan la mayor carga durante la prueba, sin embargo también son las que poseen la mayor elongación. No existe una diferencia apreciable entre la carga máxima soportada por la configuración que utiliza como injerto tendón patelar y como anclaje tornillo de interferencia, y la configuración que utiliza como injerto equivalente a semitendinoso-gracilis y como anclaje taco óseo de 10 mm de diámetro. Sin embargo, la primera de estas dos configuraciones presenta una elongación mucho menor.. v.

(6) 3. De acuerdo a la capacidad de carga máxima, la configuración que utiliza equivalente a semitendinoso-agracilis como injerto y taco óseo de 14 mm de diámetro como anclaje, provee la fijación mas fuerte, sin embargo hay que evaluar desde el punto de vista médico si la elongación que se genera en esta configuración durante la aplicación de una fuerza de tensión es tolerable en una rodilla real.. 4. El tiempo de congelación de las probetas es un parámetro que incide sobre los resultados finales, por lo tanto es relevante tenerlo en cuenta en la elaboración del protocolo de pruebas.. vi.

(7) TABLA DE CONTENIDO. AGRADECIMIENTOS. ii. RESUMEN EJECUTIVO. iii. TABLA DE CONTENIDO. vii. LISTA DE FIGURAS. ix. LISTA DE TABLAS. xiii. 1. INTRODUCCION. 1. 1.1. ALCANCES. 1. 2. MARCO TEORICO. 3. 3. MODELO DE LA UNION TIBIO-FEMORAL DE LA ARTICULACION DE LA RODILLA. 6. 3.1. DESCRIPCION DEL MODELO. 6. 3.2. DESARROLLO DEL MODELO. 8. 4. MATERIALES Y METODOS. 11. 4.1. PROBETAS. 11. 4.1.1. Preparación de los especimenes. 12. 4.1.2. Técnicas de fijación. 13. 4.2. REALIZACION DE LAS PRUEBAS. 18. 4.2.1.Equipos. 18. 4.2.2. Diseño experimental. 21. 5. ACOPLE PARA LA MORDAZA DE HUESOS. 25. 6. RESULTADOS. 26. 6.1. MODOS DE FALLA. 26. 6.2. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS. 30. 6.2.1. Configuración I. 35. 6.2.2. Configuración II. 36. 6.2.3. Configuración III. 37. 6.2.4. Comparación de las configuraciones. 37. 6.2.5. Carga máxima. 38 vii.

(8) 6.2.6. Elongación durante la carga máxima. 39. 6.2.7. Modos de falla. 39. 6.3. ANALISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS. 40. 6.3.1. Configuración I. 40. 6.3.2.. Configuración II. 44. 6.3.3. Configuración III. 52. 7. CONCLUSIONES. 61. ANEXO 1 DESCRIPCION DE LA ARTICULACION DE LA RODILLA Y GLOSARIO. 65. A1.1. DESCRIPCION DE LA RODILLA. 65. A1.2. GLOSARIO. 67. A1.2.1. Anatomía. 67. A1.2.2. Instrumental.. 69. ANEXO 2 RESULTADOS INDIVIDUALES DE LAS PRUEBAS. 72. A2.1. CONFIGURACION I. 72. A2.2. CONFIGURACION II. 78. A3.2. CONFIGURACION III. 84. ANEXO 3 PROTOCOLO PARA REALIZAR LAS PRUEBAS MECANICAS SOBRE VARIAS TECNICAS DE RECONSTRUCCION DEL LIGAMENTO CRUZADO ANTERIOR. 89. A3.1. PROTOCOLO PARA REALIZAR LAS PRUEBAS. 89. ANEXO 4 CALCULOS Y PLANOS DEL ACOPLE PARA LA MORDAZA DE HUESOS. 93. A4.1. CALCULOS. 93. A4.2. PLANOS. 95. BIBLIOGRAFIA. 96. viii.

(9) LISTA DE FIGURAS. Titulo. Página. Figura 1.. Diagrama de fuerzas. 9. Figura 2.. Polígono de fuerzas. 9. Figura 3.. Pierna de cerdo. 11. Figura 4.. Tendones extensores de los dedos de los pies de cerdo. 12. Figura 5.. Soporte para huesos. 13. Figura 6.. Corte frontal en el fémur distal. 14. Figura 7.. Agujero de la guía. 15. Figura 8.. Configuración I (Tendón patelar – tornillo de interferencia). 16. Figura 9.. Configuración II (Semitendinoso gracilis – taco óseo de 10 mm). 17. Figura 10. Maquina universal de pruebas. 19. Figura 11. Mordaza para hueso. 20. Figura 12. Mordaza para tejido blando. 21. Figura 13. Montaje para la configuración I. 22. Figura 14. Montaje para la configuración II y III. 23. Figura 15. Acople para la mordaza de huesos. 25. Figura 16. Modo de falla 1. 27. Figura 17. Modo de falla 2. 27. Figura 18. Modo de falla 3. 28. Figura 19. Modo de falla 5. 29. Figura 20. Modo de falla 6. 29. Figura 21. Configuración I (Fuerza VS Elongación). 35. Figura 22. Configuración II (Fuerza VS Elongación). 36. Figura 23. Configuración III (Fuerza VS Elongación). 37. Figura 24. Probetas de la configuración I que presentaron el modo de falla 1 y permanecieron 17 días congeladas. 40. Figura 25. Probetas de la configuración I que presentaron el modo de falla 1 y permanecieron 7 días congeladas ix. 41.

(10) Figura 26. Probetas de la configuración I que presentaron el modo de falla 1 y permanecieron 2 días congeladas. 42. Figura 27. Probetas de la configuración I que presentaron el modo de falla 2. 43. Figura 28. Probetas de la configuración II que permanecieron 17 días congeladas. 44. Figura 29. Probetas de la configuración II que permanecieron 7 días congeladas. 45. Figura 30. Probetas de la configuración II que permanecieron 2 días congeladas. 45. Figura 31. Probetas de la configuración II que presentaron el modo de falla 3.. 47. Figura 32. Probetas de la configuración II que presentaron el modo de falla 6. 47. Figura 33. Probetas de la configuración II que presentaron los modos de falla 5, 7 y 8.. 48. Figura 34. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración II que presentaron el modo de falla 3.. 49. Figura 35. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración II que presentaron el modo de falla 6.. 50. Figura 36. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración II que presentaron los modos de falla 5, 7y8. .. 51. Figura 37. Probetas de la configuración III que permanecieron 17 días congeladas. 52. Figura 38. Probetas de la configuración III que permanecieron 7 días congeladas. 53. Figura 39. Probetas de la configuración III que permanecieron 2 días congeladas. 54 x.

(11) Figura 40. Probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 3. 55. Figura 41. Probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 5. 56. Figura 42. Probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 6. 57. Figura 43. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 3.. 58. Figura 44. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 5.. 59. Figura 45. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 6.. 60. Figura 46. Articulación de la rodilla. 66. Figura 47. Planos antropométricos. 68. Figura 48. Destornillador, guía y tornillos de interferencia. 69. Figura 49. Fresa. 70. Figura 50. Sierra oscilante. 70. Figura 51. Tornillos de interferencia. 71. Figura 52. Trefinas. 71. Figura 53. Tendón Patelar P1. 72. Figura 54. Tendón Patelar P2. 73. Figura 55. Tendón Patelar P3. 73. Figura 56. Tendón Patelar P4. 74. Figura 57. Tendón Patelar P5. 74. Figura 58. Tendón Patelar P6. 75. Figura 59. Tendón Patelar P7. 75. Figura 60. Tendón Patelar P8. 76. Figura 61. Tendón Patelar P9. 76. Figura 62. Tendón Patelar P10. 77. Figura 63. S. Gracilis 10.1. 78 xi.

(12) Figura 64. S. Gracilis 10.2. 79. Figura 65. S. Gracilis 10.3. 79. Figura 66. S. Gracilis 10.4. 80. Figura 67. S. Gracilis 10.5. 80. Figura 68. S. Gracilis 10.6. 81. Figura 69. S. Gracilis 10.7. 81. Figura 70. S. Gracilis 10.8. 82. Figura 71. S. Gracilis 10.9. 82. Figura 72. S. Gracilis 10.10. 83. Figura 73. S. Gracilis 10.11. 83. Figura 74. S. Gracilis 14.1. 84. Figura 75. S. Gracilis 14.2. 85. Figura 75. S. Gracilis 14.3. 85. Figura 77. S. Gracilis 14.4. 86. Figura 78. S. Gracilis 14.5. 86. Figura 79. S. Gracilis 14.6. 87. Figura 80. S. Gracilis 14.7. 87. Figura 81. S. Gracilis 14.8. 88. Figura 82. S. Gracilis 14.9. 88. xii.

(13) LISTA DE TABLAS. Titulo. Página. Tabla 1.. Descripción de todas las probetas. 30. Tabla 2.. Comparación de las configuraciones. 38. Tabla 3.. Tabulación de los modos de falla. 39. Tabla 4.. Protocolo para realizar las pruebas. 90. xiii.

(14) IM – 2003 – I - 41. 1. INTRODUCCIÓN. El ligamento cruzado anterior de la rodilla es el elemento principal encargado de restringir la translación anterior de la tibia con respecto al fémur y además junto con otros componentes de la rodilla determinan los movimientos de deslizamiento y rotación entre la tibia y el fémur.. La lesión de este ligamento es un problema que se presenta con frecuencia y dada la importancia que éste tiene se han desarrollado varias técnicas que permiten su reconstrucción.. Una de estas técnicas desarrollada por el doctor Carlos Uribe utiliza auto injerto de semitendinoso - grácilis con tacos óseos colocados en los túneles femoral y tibial que sirven como dispositivos de fijación para el sustituto del ligamento. Se plantea que al aumentar el diámetro de los tacos óseos usados como anclajes, el auto injerto de semitendinoso - grácilis va a tener mejores características mecánicas respecto a los demás sustitutos y formas de anclaje.. 1.1. ALCANCES. •. Estudiar y adoptar un modelo teórico del mecanismo de la rodilla que permita entender el comportamiento del ligamento cruzado anterior frente a las cargas que la rodilla pueda sufrir.. •. Adecuar un prototipo sobre el cual se puedan realizar pruebas, en donde se simule el accionamiento del ligamento cruzado anterior.. 1.

(15) IM – 2003 – I - 41. •. Estimar el comportamiento mecánico de los procedimientos de reconstrucción que utilizan autoingerto de grácilis semitendinoso, su modificación y tendón patelar, con especial atención en el anclaje realizado en el fémur.. 2.

(16) IM – 2003 – I - 41. 2. MARCO TEORICO. La lesión del ligamento cruzado anterior de la rodilla (LCA) se presenta con mucha frecuencia hoy en día debido a que existe un mayor nivel de competitividad en las actividades deportivas desarrolladas tanto por profesionales como por aficionados. Este tipo de lesión también posee un particular interés debido a los costos que genera en el deporte de alto rendimiento. Debido a lo anterior se han llevado a cabo gran cantidad de estudios acerca de diferentes técnicas utilizadas para la reconstrucción del ligamento cruzado anterior, posteriormente se van a reseñar algunos de los trabajos cuyos resultados son más relevantes y tienen un enfoque cercano al desarrollado durante este proyecto.. Los anclajes o fijaciones son unos de los elementos más importantes para asegurar el éxito de la reconstrucción del ligamento cruzado anterior. Estos anclajes deben ser capaces de brindar estabilidad y resistencia suficiente a la articulación para permitir una pronta rehabilitación del paciente una vez efectuada la cirugía de reconstrucción. Existe una amplia variedad de técnicas de fijación, sin embargo no hay unanimidad respecto a cual técnica es mejor.. Debido a que la técnica que utiliza tendón patelar como injerto y tornillos de interferencia como fijación es muy utilizada, existen muchos estudios que evalúan diferentes configuraciones de esta técnica. Hulstyn, Fadale, Abate y Walsh (1993) realizaron un trabajo para analizar una configuración hueso-tendón patelar-hueso para diferentes longitudes y diámetros de tornillos de interferencia usando un modelo bovino y examinando simultáneamente las fijaciones femoral y tibial, y evaluando la carga máxima y la energía de falla. Kohn y Rose (1994) desarrollaron un trabajo similar al anterior evaluando tornillos de interferencia de varios diámetros y diferentes torques de inserción. El experimento se diseñó para. 3.

(17) IM – 2003 – I - 41. trabajar con rodillas de cadáveres y una velocidad de aplicación de la carga de 200 mm/min.. También se han desarrollado múltiples trabajos para comparar varias técnicas de reconstrucción del ligamento cruzado anterior. Kurosaka, Yoshiya y Andrish (1987) examinaron seis diferentes métodos de fijación en rodillas de cadáveres. Las técnicas quirúrgicas utilizadas fueron argolla de fijación, sutura anudada sobre botones y tornillos de fijación, se fijaron tanto al fémur como a la tibia simultáneamente. Las pruebas demostraron que el ligamento cruzado anterior original es significativamente más rígido y posee una resistencia a la tensión máxima mayor que la de los injertos utilizados para su reconstrucción. También se concluyó. que el método que utiliza tendón patelar con tornillo de interferencia. posee valores mayores en los parámetros evaluados. Todas las pruebas fueron realizadas con una velocidad de aplicación de la carga de 30 mm/s. Matthews, Lawrence, Yahiro y Sinclair (1993) también llevaron a cabo un estudio para evaluar cuatro. métodos de fijación de injerto hueso-tendón patelar-hueso en. rodillas de cadáveres. Los métodos de fijación utilizados fueron tornillos de interferencia y suturas ancladas a tornillos y arandelas en dos configuraciones diferentes para cada método. Se evaluó la carga durante la falla y el modo de falla, y no se encontraron diferencias significativas en el primer parámetro evaluado pero sí en el segundo. La velocidad de aplicación de la carga fue de 510 mm/min. El trabajo desarrollado por Malek, DeLuca, Cunningham y Blackburn (1994) comparó la resistencia de una fijación femoral de taco óseo ajustado por presión contra la resistencia de una fijación femoral con taco óseo y tornillo de interferencia. Se utilizaron rodillas de cadáveres y tendón patelar como injerto. El estudio mostró que no hay diferencias significativas en la carga durante la falla o carga máxima entre los dos mecanismos de fijación. Finalmente es relevante señalar el trabajo llevado a cabo por Selby, Johnson, Hester y Caborn (2001), el propósito de su estudio fue determinar las diferencias biomecánicas entre tornillos de interferencia reabsorbibles de 28 mm y 35 mm de longitud para la fijación tibial 4.

(18) IM – 2003 – I - 41. de cadáveres, utilizando como injerto tejido blando. Se evaluó el modo de falla, el desplazamiento antes de la falla y la carga ultima. Se encontró una diferencia significativa entre la carga máxima soportada por las dos configuraciones. Durante el experimento se utilizó una precarga de 25 N y una velocidad de aplicación de la carga de 20 mm/min.. El trabajo desarrollado por Steiner, Hecker, Brown y Hayes (1994) es el que utiliza un modelo experimental más aproximado al utilizado durante este proyecto, ellos analizaron ocho técnicas de fijación del ligamento cruzado anterior, utilizando como injertos tendón patelar y grácilis-semitendinoso. Se realizó en cadáveres y evaluó simultáneamente los anclajes en el fémur y la tibia. Este grupo encontró que las configuraciones con los dos tipos de injertos tienen aproximadamente la misma resistencia que el ligamento cruzado anterior intacto, pero que solamente la configuración que utiliza tendón patelar como injerto y tornillos de interferencia como anclajes en ambos extremos posee una rigidez similar a la del sistema original.. Se han desarrollado otros trabajos que vale la pena considerar, aunque su enfoque no concuerde exactamente con el de este proyecto. Noyes, Butler, Grood, Zernicke y Hefzy. (1984) determinaron las propiedades mecánicas de varios. tejidos blandos utilizados en la rodilla durante la reconstrucción de ligamentos intra-articulares y extra-articulares. Se determinaron la resistencia y la elongación y se compararon con las propiedades del ligamento cruzado anterior. Woo, Hollis, Adams, Lyon y Takai (1991) realizaron un estudio donde analizaron las propiedades mecánicas de rodillas de cadáveres intactas, evaluando la carga ultima, la rigidez y la energía absorbida en el momento de la ruptura.. 5.

(19) IM – 2003 – I - 41. 3. MODELO DE LA UNION TIBIO-FEMORAL DE LA ARTICULACION DE LA RODILLA. Para el desarrollo de este proyecto se hizo conveniente adoptar un modelo teórico de la unión tibio-femoral de la articulación de la rodilla, que permitiera obtener una verificación teórica del orden de magnitud de la carga que actúa sobre el ligamento cruzado anterior (LCA), la cual a su vez pudiera ser comparada con los datos experimentales. El modelo que se describe a continuación esta basado en los trabajos publicados por tres grupos de autores Chan y Seedhom (1999), Nordin y Frankel (2001) y Collins y O'Connor (1991).. 3.1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO. La rodilla es la articulación más grande y compleja del cuerpo humano, es una estructura compuesta de dos uniones, la tibio-femoral y la patelo-femoral. Debido a que esta situada entre las dos extremidades mas largas del cuerpo humano, es muy susceptible a las lesiones. Además, posee un movimiento bastante complejo, ya que las dos uniones describen una trayectoria en tres planos. Se han desarrollado un numero considerable de modelos biomecánicos de esta articulación, desde algunos relativamente simples, hasta modelos complejos que incluyen todas las estructuras de los tejidos blandos. Con el animo de hacer menos complejo un modelo de esta articulación, a continuación se van a describir todas las restricciones y simplificaciones consideradas en el modelo adoptado para analizar las cargas que actúan sobre el ligamento cruzado anterior:. La cinemática de la rodilla describe su superficie de movimiento en tres planos denominados: frontal, sagital y transversal (anexo 1), sin embargo la unión tibiofemoral posee su rango de movimiento más grande en el plano sagital, siendo este de 0° a 140° desde que la rodilla esta completamente extendida hasta cuando 6.

(20) IM – 2003 – I - 41. esta completamente flexionada. Por lo tanto en este modelo solo se va a considerar el movimiento de esta unión en dicho plano. Además, aunque los ligamentos cruzados estén inclinados sobre el plano sagital, su función principal es restringir el movimiento en la dirección antero-posterior.. La cinemática también describe el rango de movimiento, anteriormente se mencionaba el rango de movimiento completo de la unión tibio-femoral, sin embargo, las actividades diarias se desarrollan completamente entre 0° y 117°. Todo el trabajo que se esta desarrollando pretende enfocarse en las condiciones que se presentan al caminar, excluyendo otros niveles de actividad como trotar o saltar. Debido a esto, el modelo se lleva a cabo con la rodilla flexionada 20°, ya que este es el ángulo al cual se presenta la mayor tensión en el ligamento cruzado anterior (LCA), según el estudio llevado a cabo previamente por Collins and O´connor (1991).. En cuanto a la geometría, se hace una simplificación de una geometría bastante compleja de la rodilla y se reduce a una unión bidimensional con una superficie femoral convexa y una superficie tibial cóncava. Los huesos se consideran rígidos y el contacto que se produce entre estos no presenta fricción, finalmente los ligamentos se consideran como elementos inextensibles. La articulación real es tridimensional, posee un cartílago deformable que bajo la acción de una carga axial modifica su geometría considerablemente, los ligamentos cruzados se deforman bajo la acción de cargas antero-posteriores, por ultimo, también presenta una pequeña resistencia al movimiento entre las superficies de la articulación debido a la fricción.. Las cargas que se van a considerar actuando en esta unión tibio-femoral son una fuerza externa compresiva en dirección vertical sobre el fémur y una fuerza externa antero-posterior actuando sobre la tibia. Como esta actuando dicha fuerza antero-posterior, entonces la tibia se desplaza en esta misma dirección hasta que 7.

(21) IM – 2003 – I - 41. alguno de los ligamentos cruzados restringe el movimiento, en el caso de una fuerza anterior es el ligamento cruzado anterior LCA quien se encarga de esto, esto genera otra de las cargas actuando sobre el modelo que es una fuerza de tensión generada sobre los ligamentos de manera no simultanea. La ultima carga considerada es la fuerza normal a la superficie de contacto tibio-femoral.. Este modelo de cargas sobre la rodilla es bastante simplificado, ya que realmente sobre esta articulación están actuando fuerzas transmitidas por los músculos, ligamentos y superficies articulares, como son las fuerzas transmitidas por el tendón patelar, el hamstring y gastrocnemius medial y lateral, el tracto iliotibial, por los dos cruzados y los dos ligamentos colaterales, y por las fuerzas compresivas transmitidas por los compartimentos medial y lateral. En total son doce fuerzas independientes por determinar y solo hay disponibles seis ecuaciones dinámicas independientes, lo que hace dinámicamente indeterminado este problema, sin embargo, usando la técnica denominada electro miografía (EMG), se puede establecer una relación entre las fuerzas actuando sobre la articulación.. Adoptar un modelo como el descrito en el párrafo anterior vuelve demasiado complejo este trabajo y no se encuentra dentro de su propósito.. 3.2. DESARROLLO DEL MODELO. Teniendo en cuenta las cargas y la geometría descritas anteriormente, se tiene el siguiente diagrama de fuerzas y su correspondiente polígono de fuerzas:. 8.

(22) IM – 2003 – I - 41. Figura 1. Diagrama de fuerzas.. Figura 2. Polígono de fuerzas.. Las convenciones utilizadas son las siguientes: Facl: Tensión sobre el ligamento cruzado anterior. Fa: Fuerza anterior aplicada sobre la tibia. Fc: Fuerza normal al punto de contacto. Fn: Fuerza axial. θ: Angulo de la pendiente de la tangente al punto de contacto. φ: Angulo de inclinación del ligamento cruzado anterior LCA. Aplicando las ecuaciones de equilibrio: Sumatoria de fuerzas en el eje x: ( → +). ∑ Fx = 0. Facl Cosφ − Fa + Fc × Senθ = 0 Entonces : F − Facl × Cosφ Fc = a Senθ 9.

(23) IM – 2003 – I - 41. Sumatoria de fuerzas en el eje y:. (↑ +). ∑ Fy = 0. Facl × Senφ + Fn − Fc × Cosθ = 0. Remplazando la primera ecuación en la ecuación anterior:  Fa − Facl × Cosφ Facl × Senφ + Fn −  Senθ .   × Cosθ = 0 . Despejando la tensión sobre el ligamento cruzado anterior: Facl =. Fa × Cosθ − Fn × Senθ Cos(φ − θ ). Cuando la rodilla esta flexionada a un ángulo de 20°, el ángulo de inclinación del ligamento cruzado anterior φ es en promedio 48.5°.. Este modelo teórico no se uso, debido a que durante el desarrollo del proyecto se cambió el modelo experimental, y se decidió usar cerdos. Como el modelo teórico había sido desarrollado basándose en humanos, no resultaba equivalente comparar los resultados experimentales con esta teoría.. 10.

(24) IM – 2003 – I - 41. 4. MATERIALES Y METODOS. 4.1. PROBETAS. Para el desarrollo de este proyecto se utilizaron rodillas de cerdo debido a su alta disponibilidad, al bajo riesgo de contaminación biológica durante su manipulación y a la similitud que poseen con las rodillas humanas y que para la finalidad de este proyecto resultan adecuadas dado que permiten realizar una comparación entre los dos tipos de anclajes utilizados.. Figura 3. Pierna de cerdo.. 11.

(25) IM – 2003 – I - 41. Aunque inicialmente se había planteado evaluar el comportamiento de los anclajes tanto en el fémur como en la tibia, la evaluación en este ultimo se descartó debido a que los cerdos de los que se extrajo el material eran bastante jóvenes, y por lo tanto la composición presentada en la tibia era bastante inmadura y no era satisfactoria para los fines de este trabajo.. Según el modelo estadístico se hizo necesario utilizar nueve probetas para cada configuración. La edad, tamaño y sexo de los animales no esta disponible, por lo tanto no existe un registro de estos datos.. 4.1.1. Preparación de los especimenes. Figura 4. Tendones extensores de los dedos de los pies de cerdo.. 12.

(26) IM – 2003 – I - 41. De cada pierna de cerdo se pueden extraer dos tendones extensores de los dedos, que se utilizaron como equivalentes al semitendinoso-grácilis en los humanos, y el tendón patelar, por lo tanto se requirieron diez piernas completas y veinte fémures solos.. Una vez se obtuvo la pierna se realizó la disección de los tres tendones, posteriormente se retiró todo el tejido muscular del fémur hasta que este se encontrara completamente sin tejido blando en su exterior. El fémur y los ligamentos se hidrataron con solución salina y finalmente se congelaron a –18 °C y se mantuvieron a esta temperatura hasta el momento de elaborar las probetas.. 4.1.2. Técnicas de fijación. Figura 5. Soporte para huesos.. 13.

(27) IM – 2003 – I - 41. La preparación de cada probeta se llevó a cabo después de descongelar el material necesario durante 24 horas a una temperatura de 4°C. Para facilitar el trabajo, el fémur se colocó en un soporte como el que se muestra en la figura 5. Como se evaluaron tres configuraciones la descripción de la preparación de cada una de ellas se presenta a continuación:. Configuración I: Utiliza tendón patelar como injerto y tornillo de interferencia como anclaje.. Para preparar el hueso se llevo a cabo un corte frontal en el fémur distal para estandarizar las probetas.. Figura 6. Corte frontal en el fémur distal.. A continuación se realizó un agujero con una guía, de modo que saliera por el cortical lateral desde el cóndilo lateral o externo, dicho agujero se encontraba paralelo al fémur en el plano sagital y con 30° de inclinación en el plano frontal. 14.

(28) IM – 2003 – I - 41. Figura 7. Agujero con la guía.. Con la fresa se realizó un túnel de 10 mm de diámetro y 15 mm de profundidad, utilizando la guía como referencia.. Para preparar el tendón patelar, se diseco completamente y se dejo con su inserción natural en la rotula y en la tibia, en esta ultima para evitar problemas de deslizamiento en las mordazas. Después se cortó la tibia, con la sierra oscilante, a 110 mm de su extremo proximal. Debido al desarrollo incompleto presentado por la tibia, se opto por obtener el taco óseo de la rótula, este taco óseo se hizo de 10 mm de diámetro y 20 mm de longitud utilizando una trefina de corte frontal.. Para terminar esta probeta se coloco el tendón en el túnel, teniendo cuidado que el tendón estuviera orientado hacia atrás, se impacto con un martillo y posteriormente se aseguro con un tornillo de interferencia de 7 mm de diámetro y 15.

(29) IM – 2003 – I - 41. 25 mm de longitud, donados por la empresa ORTOMAC. Finalmente con una sierra oscilante se recorto el fémur a 110 mm desde el extremo distal. La configuración I se puede ver en la figura 8.. Figura 8. Configuración I (Tendón patelar – tornillo de interferencia).. Configuración II: Utiliza tendones extensores de los dedos del pie como injerto, los cuales son equivalentes a grácilis - semitendinoso, y un taco óseo de 10 mm de diámetro como anclaje.. Para preparar el hueso se realizó un corte frontal en el fémur distal para estandarizar las probetas. Paralelo al fémur en el plano sagital y con 30° de inclinación en el plano frontal se llevo a cabo un agujero con una guía, de modo que saliera por el cortical lateral desde el cóndilo lateral o externo, a continuación se pasó una trefina para hacer un túnel de 10 mm de diámetro desde la cortical lateral del fémur, siguiendo la trayectoria de la guía, asegurándose que este 16.

(30) IM – 2003 – I - 41. agujero no atravesara completamente el hueso, sino que quedara un espesor de 5 mm aproximadamente formado por la parte exterior del. hueso y el fondo del. agujero. Posteriormente con el extractor de tacos se obtuvo un taco óseo de 10 mm de diámetro. Con una fresa de 7 mm de diámetro se hizo un túnel que atravesara completamente el hueso siguiendo también la trayectoria de la guía. Con la ayuda de una sierra oscilante se recortó el taco óseo para que quedara con una longitud de 10 mm.. Figura 9. Configuración II (semitendinoso grácilis – taco óseo de 10 mm).. Para preparar el tendón, se realizo una sutura longitudinal y dos trampas longitudinales para evitar el deslizamiento del tendón sobre la sutura longitudinal, estas suturas se llevaron a cabo con seda negra No. 0-0. A continuación se doblo el tendón por la mitad y en esta parte se aseguró el taco óseo con otras suturas, a través del agujero dejado por la guía sobre este. 17.

(31) IM – 2003 – I - 41. Posteriormente se colocó el taco óseo y el tendón dentro del túnel y se impactó el taco con un martillo para que quedara bien implantado en el fondo. Finalmente, con la sierra oscilante se recorto el fémur a 110 mm desde el extremo distal, para permitir la colocación de este en la mordaza.. Configuración III: Esta configuración también utiliza tendones extensores de los dedos del pie como injerto y taco óseo como anclaje. El montaje se realizó de manera idéntica al de la configuración II, pero variaron las dimensiones del túnel principal y el taco óseo a 14 mm de diámetro.. Una vez terminadas las probetas estas fueron nuevamente hidratadas y congeladas a –18 °C hasta el momento de realizar las pruebas.. 4.2. REALIZACIÓN DE LAS PRUEBAS. 4.2.1. Equipos. Para la realización de las pruebas se utilizó una máquina universal de pruebas mecánicas modelo 5586 INSTRON Corp., Canton Massachussett (Figura 10), ubicada en uno de los laboratorios del CITEC de la Universidad de los Andes.. 18.

(32) IM – 2003 – I - 41. Figura 10. Maquina universal de pruebas.. Para el montaje de la configuración I, se utilizaron dos mordazas para hueso, que consisten de un cilindro de acero y nueve tornillos prisioneros (Figura 11).. 19.

(33) IM – 2003 – I - 41. Figura 11. Mordaza para hueso.. Para las configuraciones II y III se utilizó para asegurar el fémur la mordaza mostrada en la figura 11, y para asegurar el tejido blando, que en este caso son los tendones de los extensores de los dedos, se utilizó una mordaza INSTRON 2710-002 (Figura 12), especialmente diseñada para este tipo de materiales y con la cual se pretendió asegurar que no existiera ningún tipo de deslizamiento, ni de cizallamiento.. 20.

(34) IM – 2003 – I - 41. Figura 12. Mordaza para tejido blando.. 4.2.2. Diseño experimental. Antes de realizar las pruebas las probetas se descongelaron durante 24 horas a 4°C. En el momento del montaje se colocaron dentro de solución salina para que no se presentara deshidratación. Según el modelo estadístico fue necesario utilizar 9 probetas para cada configuración.. Para la configuración I se realizó un montaje como el que se ve en la figura 13.. 21.

(35) IM – 2003 – I - 41. Figura 13. Montaje para la configuración I.. Se colocaron mordazas para hueso en cada uno de los soportes de la maquina universal de pruebas mecánicas. En la mordaza superior se colocó el extremo proximal de la tibia y en la mordaza inferior el extremo distal del fémur, orientado de tal manera que el tendón patelar siga la misma dirección del eje del túnel que atraviesa el fémur, para evitar que el tejido blando se cizalle con la superficie del hueso, además esto simula la peor condición de carga.. Para la configuración II y III se realizó un montaje como el que se muestra en la figura 14.. 22.

(36) IM – 2003 – I - 41. Figura 14. Montaje para la configuración II y III.. Se colocó una mordaza para hueso en el soporte inferior de la maquina universal y en el soporte superior se colocó una mordaza para tejidos blandos INSTRON 2710-002. En la mordaza superior se colocó el extremo del tejido blando y en la mordaza inferior el extremo distal del fémur, orientado de la misma manera que en el montaje anterior.. Una vez montadas las probetas, se llevaron a cabo las pruebas. La maquina universal de pruebas mecánicas ejerce una carga axial sobre el tendón y el anclaje en el fémur. Se utilizó una precarga de 50 N, debido a la naturaleza visco elástica de los materiales de las probetas, y una velocidad de aplicación de la carga de 230 mm/min, se escogió esta velocidad debido a la experiencia reportada en trabajos previos, que asocia la velocidad de la aplicación de la carga con el modo de falla en este tipo de configuraciones. La recolección de los datos se llevó. 23.

(37) IM – 2003 – I - 41. a cabo a una razón de 5 datos/s. Además todas las pruebas se realizaron en un ambiente controlado a una temperatura de 73 °F y una humedad relativa del 50%.. El criterio de falla fue determinado por el primer punto de carga máxima en los resultados de la probeta. En el laboratorio se dio por finalizada cada prueba cuando la probeta se destruyo en el anclaje o en el tejido blando.. 24.

(38) IM – 2003 – I - 41. 5. ACOPLE PARA LA MORDAZA DE HUESOS. Fue necesario fabricar un acople para realizar el montaje de la configuración I, el cual se muestra a continuación:. Figura 15. Acople para la mordaza de hueso.. Los cálculos y planos de esta pieza se pueden ver en el anexo 4.. 25.

(39) IM – 2003 – I - 41. 6. RESULTADOS. 6.1. MODOS DE FALLA. En la configuración I todas las probetas fallaron en el anclaje, sin embargo se obtuvieron dos modos de falla: Modo 1: El taco óseo que esta unido al tendón patelar se salió de la inserción en el fémur, quedando el tornillo de interferencia dentro del fémur. Modo 2: El taco óseo que esta unido al tendón patelar se salió de la inserción en el fémur y el tornillo de interferencia se quedó unido a dicho taco.. En las configuraciones II y III se presentaron seis modos de falla: Modo 3: El taco óseo se salió de la inserción debido a que las paredes del túnel más pequeño realizado en el fémur se cizallaron. Modo 4: El tendón se salió de la inserción debido a que el taco se salió de la sutura. Modo 5: El taco se salió de la inserción debido a que la pared del fémur se rompió en el sitio del túnel. Modo 6: El tendón se rompió debido a la carga axial. Modo 7: El tendón se salió de la inserción debido a que el taco óseo se rompió. Modo 8: El tendón se rompió en la parte que abraza al taco óseo.. A continuación se muestran algunos de los modos de falla más relevantes:. 26.

(40) IM – 2003 – I - 41. Figura 16. Modo de falla 1.. Figura 17. Modo de falla 2.. 27.

(41) IM – 2003 – I - 41. Figura 18. Modo de falla 3.. 28.

(42) IM – 2003 – I - 41. Figura 19. Modo de falla 5.. Figura 20. Modo de falla 6.. 29.

(43) IM – 2003 – I - 41. 6.2. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS. En total se llevaron a cabo 30 pruebas, pero se descartaron 3. De cada una de las pruebas se elaboró una gráfica de la Fuerza en función de la elongación. Los resultados individuales de las pruebas realizadas se encuentran en el anexo 2. La descripción de cada una de las probetas se muestra en la tabla 1.. Tabla 1. Descripción de todas las probetas. PROBETA MODO DE FALLA P1. Modo 2. DESCRIPCION Carga máxima: 580.3 N. Elongación durante carga máxima: 12 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días.. P2. Modo 1. Carga máxima: 322.87 N. Elongación durante carga máxima: 6 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días.. P3. Modo 1. Carga máxima: 411.97 N. Elongación durante carga máxima: 7 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días.. P4. Modo 1. Carga máxima: 279.54 N. Elongación durante carga máxima: 7 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días.. P5. Modo 1. Carga máxima: 404.81 N. Elongación durante carga máxima: 8 mm. Tiempo de almacenamiento: 7 días. P6. Modo 2. Carga máxima: 569.91 N. Elongación durante carga máxima: 13 mm. Tiempo de almacenamiento: 7 días. P7. Modo 1. Carga máxima: 436.12 N. Elongación durante carga máxima: 8 mm.. 30.

(44) IM – 2003 – I - 41. Tiempo de almacenamiento: 7 días P8. Modo 1. Carga máxima: 598.77 N. Elongación durante carga máxima: 21 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días. P9. Modo 1. Carga máxima: 802.86 N. Elongación durante carga máxima: 10 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días. P10. Modo 1. Carga máxima: 267.03 N. Elongación durante carga máxima: 19 mm. Tiempo de almacenamiento: 30 días Comentario: Esta probeta fue eliminada debido a que duró mucho tiempo congelada y sus propiedades. mecánicas. cambiaron. considerablemente. 10.1. Modo 3. Carga máxima: 444.6 N. Elongación durante carga máxima: 20 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días Diámetro del tendón: 6 mm Longitud del tendón: 200 mm. 10.2. Modo 8. Carga máxima: 309.81 N. Elongación durante carga máxima: 17 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días Diámetro del tendón: 6 mm Longitud del tendón: 220 mm Comentario: Esta probeta fue eliminada debido a que al amarrar el taco con el tendón, la sutura debilitó en exceso a este ultimo y se rasgo, bajo condiciones de carga muy bajas.. 10.3. Modo 8. Carga máxima: 313.63 N.. 31.

(45) IM – 2003 – I - 41. Elongación durante carga máxima: 25 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días Diámetro del tendón: 5 mm Longitud del tendón: 220 mm 10.4. Modo 3. Carga máxima: 513.7 N. Elongación durante carga máxima: 23 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 200 mm. 10.5. Modo 3. Carga máxima: 448.19 N. Elongación durante carga máxima: 21 mm. Tiempo de almacenamiento: 7 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 180 mm. 10.6. Modo 3. Carga máxima: 424.43 N. Elongación durante carga máxima: 19 mm. Tiempo de almacenamiento: 7 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 180 mm. 10.7. Modo 6. Carga máxima: 487.53 N. Elongación durante carga máxima: 19 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días Diámetro del tendón: 6 mm Longitud del tendón: 170 mm. 10.8. Modo 6. Carga máxima: 671.17 N. Elongación durante carga máxima: 18 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 140 mm. 32.

(46) IM – 2003 – I - 41. 10.9. Modo 5. Carga máxima: 538.29 N. Elongación durante carga máxima: 18 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 165 mm. 10.10. Modo 3. Carga máxima: 310.18 N. Elongación durante carga máxima: 11 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días Diámetro del tendón: 6 mm Longitud del tendón: 220 mm Comentario: esta probeta fue eliminada, debido a que el fémur era de un cerdo muy pequeño, y por lo tanto el tejido no presentaba la misma madurez que la de las demás probetas.. 10.11. Modo 7. Carga máxima: 400.06 N. Elongación durante carga máxima: 15 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 200 mm. 14.1. Modo 3. Carga máxima: 445.49 N. Elongación durante carga máxima: 11mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días Diámetro del tendón: 6 mm Longitud del tendón: 240 mm. 14.2. Modo 4. Carga máxima: 625.61 N. Elongación durante carga máxima: 32 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días Diámetro del tendón: 6 mm Longitud del tendón: 190 mm. 33.

(47) IM – 2003 – I - 41. 14.3. Modo 3. Carga máxima: 440.74 N. Elongación durante carga máxima: 15 mm. Tiempo de almacenamiento: 17 días Diámetro del tendón: 6 mm Longitud del tendón: 200 mm. 14.4. Modo 5. Carga máxima: 902.72 N. Elongación durante carga máxima: 29 mm. Tiempo de almacenamiento: 7 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 180 mm. 14.5. Modo 3. Carga máxima: 728.84 N. Elongación durante carga máxima: 23 mm. Tiempo de almacenamiento: 7 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 160 mm. 14.6. Modo 5. Carga máxima: 458.15 N. Elongación durante carga máxima: 25 mm. Tiempo de almacenamiento: 7 días Diámetro del tendón: 6 mm Longitud del tendón: 215 mm. 14.7. Modo 6. Carga máxima: 898.33 N. Elongación durante carga máxima: 22 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 170 mm. 14.8. Modo 5. Carga máxima: 473.07 N. Elongación durante carga máxima: 19 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días Diámetro del tendón: 7 mm. 34.

(48) IM – 2003 – I - 41. Longitud del tendón: 220 mm 14.9. Modo 6. Carga máxima: 743.89 N. Elongación durante carga máxima: 26 mm. Tiempo de almacenamiento: 2 días Diámetro del tendón: 7 mm Longitud del tendón: 190 mm. 6.2.1. Configuración I. A continuación se muestran todos los resultados de las pruebas sobre las probetas de la configuración I en una sola gráfica:. Fuerza VS Elongacion 900 800 700. P.1 P.2. Fuerza (N). 600. P.3 P.4. 500. P.5. 400. P.6 P.7. 300. P.8 P.9. 200. P.10. 100 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. -100 Elongacion (mm). Figura 21. Configuración I (Fuerza VS Elongación).. 35.

(49) IM – 2003 – I - 41. 6.2.2. Configuración II. A continuación se muestran todos los resultados de las pruebas sobre las probetas de la configuración II en una sola gráfica:. S. Gracilis: 10 mm 800 700 10.1. 600. 10.2 10.3. Fuerza (N). 500. 10.4 10.5. 400. 10.6 10.7. 300. 10.8 10.9. 200. 10.10 10.11. 100 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. -100 Elongacion (mm). Figura 22. Configuración II (Fuerza VS Elongación).. 36.

(50) IM – 2003 – I - 41. 6.2.3. Configuración III. A continuación se muestran todos los resultados de las pruebas sobre las probetas de la configuración III en una sola gráfica:. S. Gracilis: 14 mm 1000. 900. 800. 700. 14.1 14.2. 600. Fuerza (N). 14.3 14.4. 500. 14.5 400. 14.6 14.7. 300. 14.8 200. 14.9. 100. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. -100. Elongacion (mm). Figura 23. Configuración III (Fuerza VS Elongación). 6.2.4. Comparación de las configuraciones. En este trabajo se analizaron tres aspectos: la carga máxima, la elongación durante la carga máxima y los modos de falla presentados en cada una de las probetas. Los modos de falla están descritos en el numeral anterior y recopilados para cada probeta en la tabla 1. A continuación, en la tabla 2, se presentan los 37.

(51) IM – 2003 – I - 41. promedios y desviaciones estándar para las variables medidas durante las pruebas en cada una de las configuraciones.. Tabla 2. Comparación de las configuraciones. CONFIGURACION. CARGA MAXIMA (N). ELONGACION BAJO CARGA MAXIMA (mm). CONFIGURACION I Media. 489.68. 10.22. Desviación Estándar. 163.07. 4.68. Media. 471.29. 19.78. Desviación Estándar. 99.92. 2.95. Media. 635.20. 22.44. Desviación Estándar. 191.35. 6.64. CONFIGURACION II. CONFIGURACION III. 6.2.5. Carga máxima. El anclaje de la configuración III es el que soporta la mayor carga máxima, siendo esta de 635.20 ± 191.35 N, el anclaje de la configuración II es el que soporta la menor carga máxima, 471.29 ± 99.92 N, sin embargo la diferencia entre la carga máxima soportada por los anclajes de las configuraciones I y II no es relevante. La variabilidad de las pruebas llevadas a cabo en las probetas con la configuración III es considerablemente mayor que la presentada en las pruebas de las otras configuraciones.. 38.

(52) IM – 2003 – I - 41. 6.2.6. Elongación durante la carga máxima. La elongación durante la carga máxima presentada por las probetas de la configuración I fue la menor de todas, 10.22 ± 4.68 mm, aproximadamente la mitad de la observada en las otras dos configuraciones. La configuración III muestra la mayor elongación durante la carga máxima, 22.44 ± 6.64 mm, y también la mayor variabilidad.. 6.2.7. Modos de falla. En la tabla 3 se muestran los modos de falla de acuerdo a cada una de las configuraciones.. Tabla 3. Tabulación de los modos de falla. MODO DE. CONFIGURACION I CONFIGURACION II CONFIGURACION III. FALLA. (cantidad). (cantidad). (cantidad). Modo 1. 7. _. _. Modo 2. 2. _. _. Modo 3. _. 5. 3. Modo 4. _. _. 1. Modo 5. _. 1. 3. Modo 6. _. 2. 2. Modo 7. _. 1. _. Modo 8. _. 2. _. 39.

(53) IM – 2003 – I - 41. 6.3. ANALISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS. En esta parte al igual que en las próximas dos secciones se hace un análisis de los resultados de las pruebas, tratando de encontrar patrones y relaciones entre las diferentes variables del problema.. 6.3.1. Configuración I. Las siguientes tres gráficas agrupan los resultados de las probetas de acuerdo al modo de falla y al tiempo que permanecieron congeladas las probetas.. CONFIGURACION I - MODO DE FALLA 1 450 400 350. Fuerza (N). 300 250 200. P2 P3. 150. P4. 100 50 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. -50 Elongacion (mm). Figura 24. Probetas de la configuración I que presentaron el modo de falla 1 y permanecieron 17 días congeladas.. La figura 24 muestra las probetas P2, P3 y P4 elaboradas con tendón patelar y tornillo de interferencia, que presentaron el modo de falla 1 y tuvieron mas tiempo 40.

(54) IM – 2003 – I - 41. de congelación, 17 días. Se observa que las graficas de fuerza vs. elongación tienen un patrón parecido, teniendo una pendiente hasta el punto de carga máxima muy cercana, especialmente entre la probeta P2 y P3. El rango en el cual se encuentra la carga máxima de estas tres probetas es pequeño.. También se observa un patrón muy parecido entre las probetas P5 y P7 de la configuración I que presentaron el modo de falla 1 y duraron 7 días congeladas (figura 25).. CONFIGURACION I - MODO DE FALLA 1 500. 400. Fuerza (N). 300. P5. 200. P7. 100. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. -100 Elongacion (mm). Figura 25. Probetas de la configuración I que presentaron el modo de falla 1 y permanecieron 7 días congeladas.. En la figura 26 se presentan las gráficas de fuerza vs. elongación para las probetas P8 y P9 de la configuración I que presentaron el modo de falla 1 y permanecieron menos tiempo congeladas, 2 días. En este caso se observa que no hay una relación evidente entre estas dos probetas. La gráfica de la probeta P9 si sigue un patrón similar a la de las demás probetas bajo el mismo tipo de falla, sin 41.

(55) IM – 2003 – I - 41. embargo, presenta una mayor rigidez, debido a que la pendiente de la recta, hasta el punto de la carga máxima, es mayor.. CONFIGURACION I - MODO DE FALLA 1 900 800 700. Fuerza (N). 600 500 P8. 400. P9. 300 200 100 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. -100 Elongacion (mm). Figura 26. Probetas de la configuración I que presentaron el modo de falla 1 y permanecieron 2 días congeladas.. El modo de falla 2 solo se presentó en dos probetas, las cuales tuvieron un tiempo de congelación diferente, sin embargo, los resultados de las pruebas efectuadas en estas poseen un patrón muy similar entre sí y diferente a los mostrados por las probetas con un modo de falla 1 (Figura 27). Estas dos probetas fueron las que presentaron la mayor carga máxima de esta configuración.. 42.

(56) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION I - MODO DE FALLA 2 700 600 500. Fuerza (N). 400 P1. 300. P6. 200 100 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. -100 Elongacion (mm). Figura 27. Probetas de la configuración I que presentaron el modo de falla 2.. Para la configuración I las gráficas de fuerza vs. elongación son adecuadas para el análisis de las pruebas, ya que todos los tendones patelares poseían aproximadamente la misma área transversal.. La probeta P10 fue eliminada por tener un tiempo de congelación de 30 días, superior al de las demás, y como se observa en la figura 21 esto afecto considerablemente su comportamiento, ya que la carga máxima que soportó fue mucho menor que el promedio de esta configuración, además, para esta carga máxima la elongación fue más grande que la presentada en las otras probetas, lo cual quiere decir que su respuesta mecánica esta por debajo de todas las demás probetas.. 43.

(57) IM – 2003 – I - 41. 6.3.2. Configuración II. En las próximas tres graficas se muestran los resultados de las pruebas sobre las probetas de la configuración II, según el tiempo que duraron congeladas.. CONFIGURACION II - S. Gracilis: 10 mm / Tiempo: 17 dias 600. 500. Fuerza (N). 400. 300. 10.1 10.3. 200. 10.4. 100. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. -100 Elongacion (mm). Figura 28. Probetas de la configuración II que permanecieron 17 días congeladas.. 44.

(58) IM – 2003 – I - 41. S. Gracilis: 10 mm / Tiempo: 7 dias 500. 400. Fuerza (N). 300. 10.5. 200. 10.6. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. -100 Elongacion (mm). Figura 29. Probetas de la configuración II que permanecieron 7 días congeladas.. CONFIGURACION II - S. Gracilis: 10 mm / Tiempo: 2 dias 800 700 600. Fuerza (N). 500 10.7. 400. 10.8 10.9. 300. 10.11. 200 100 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. -100 Elongacion (mm). Figura 30. Probetas de la configuración II que permanecieron 2 días congeladas.. 45.

(59) IM – 2003 – I - 41. En la figura 28 no se ve una relación evidente entre el tiempo de congelación y los resultados obtenidos. La figura 29 no permite establecer una relación directa entre los resultados y el tiempo de congelación, ya que estas dos probetas presentan el mismo modo de falla. La figura 30 aunque no presenta la mayor similitud entre los resultados, si sugiere que existe relación entre la forma de las curvas, y también entre la pendiente de estas hasta el punto de carga máxima. Por otro lado los valores de carga máxima obtenidos en estas probetas son bastante disímiles.. Debido a que de la revisión simultanea de las figuras 28, 29 y 30, no parece evidente que exista una relación entre los resultados y el tiempo de congelación, excepto en las probetas con un tiempo de congelación de siete días. Resultó conveniente agrupar los resultados según el modo de falla y también el tiempo de congelación, dichos resultados se muestran en las siguientes tres gráficas. En la figura 31 se observa que los resultados obtenidos si están asociados tanto al modo de falla, como al tiempo de congelación. En la figura 32 también se puede observar la relación que existe entre los resultados y el modo de falla, es interesante observar como las dos curvas tienen la misma forma, pero debido a que el diámetro del tendón de la probeta 10.8 es mayor que el de la probeta 10.7, la carga ultima soportada y la rigidez de la probeta 10.8 también son mayores. La figura 33 no presenta resultados relevantes debido a que los modos de falla son todos diferentes.. 46.

(60) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION II - MODO DE FALLA 3 600.00. 500.00. Fuerza (N). 400.00 10.1. 300.00. 10.4 10.5. 200.00. 10.6. 100.00. 0.00 0.00. 10.00. 20.00. 30.00. 40.00. 50.00. 60.00. 70.00. -100.00 Elongacion (mm). Figura 31. Probetas de la configuración II que presentaron el modo de falla 3. Las curvas del mismo color corresponden al mismo tiempo de congelación.. CONFIGURACION II - MODO DE FALLA 6 800 700 600. Fuerza (N). 500 400. 10.7 10.8. 300 200 100 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. -100 Elongacion (mm). Figura 32. Probetas de la configuración II que presentaron el modo de falla 6. Las curvas del mismo color corresponden al mismo tiempo de congelación. 47.

(61) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION II - MODOS DE FALLA 5, 7 Y 8 600. 500. Fuerza (N). 400. 300. 10.5 10.9 10.11. 200. 100. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. -100 Elongación. Figura 33. Probetas de la configuración II que presentaron los modos de falla 5, 7 y 8. Las curvas del mismo color corresponden al mismo tiempo de congelación.. Debido a que los tendones utilizados como equivalentes a gracilis–semitendinoso, poseían diámetros diferentes entre sí, resulta apropiado mostrar los resultados de las pruebas en gráficas de esfuerzo vs. deformación. Para realizar estas gráficas se considera que el área transversal de los tendones es circular, y que la deformación se produce completamente en el tejido blando, ya que realmente se produce una deformación en la estructura completa. Las gráficas de esfuerzo deformación se muestran en las siguientes tres figuras.. 48.

(62) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION II - MODO DE FALLA 3 9.00 8.00. 10.1 17 dias 6mm. 7.00. Esfuerzo MPa. 6.00. 10.4 17 dias 7mm. 5.00 4.00. 10.5 7dias 7mm. 3.00 2.00. 10.6 7dias 7mm. 1.00 0.00 0.00 -1.00. 0.10. 0.20. 0.30. 0.40. 0.50. 0.60. Deformación. Figura 34. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración II que presentaron el modo de falla 3.. 49.

(63) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION II - MODO DE FALLA 6 10.00 9.00 8.00. Esfuerzo (Mpa). 7.00 10.7 2 dias 6mm. 6.00 5.00. 10.8 2 dias 7mm. 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00. 0.10. 0.20. 0.30. 0.40. 0.50. 0.60. 0.70. 0.80. Deformación. Figura 35. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración II que presentaron el modo de falla 6.. 50.

(64) IM – 2003 – I - 41 CONFIGURACION II - MODOS DE FALLA 5, 7 Y 8 8.00 7.00 6.00. Esfuerzo (Mpa). 5.00 10.5 7 dias 7mm. 4.00. 10.9 2 dias 7mm 10.11 2 dias 7mm. 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00. 0.05. 0.10. 0.15. 0.20. 0.25. 0.30. 0.35. 0.40. 0.45. 0.50. Deformación. Figura 36. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración II que presentaron los modos de falla 5, 7 y 8.. La probeta 10.2 fue eliminada de los resultados debido a que al amarrar el taco con el tendón, la sutura debilitó en exceso a este ultimo, y se rasgo bajo condiciones de carga muy bajas. La probeta 10.10 también se eliminó porque el fémur con el que se elaboró era de un cerdo muy pequeño, y por lo tanto el tejido no presentaba la misma madurez que la de las demás probetas.. 51.

(65) IM – 2003 – I - 41. 6.3.3. Configuración III. Para la configuración III se llevó a cabo un análisis similar al de la configuración II. En las primeras tres graficas se muestran los resultados de las pruebas sobre las probetas de la configuración III, según el tiempo que duraron congeladas.. CONFIGURACION III - S. Gracilis: 14 mm / Tiempo: 17 dias 700 600 500. Fuerza (N). 400 14.1. 300. 14.2 14.3. 200 100 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. -100 Elongacion (mm). Figura 37. Probetas de la configuración III que permanecieron 17 días congeladas.. 52.

(66) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION III - S. Gracilis: 14 mm / Tiempo: 7 dias 1000 900 800 700. Fuerza (N). 600 14.4. 500. 14.5. 400. 14.6. 300 200 100 0 -100. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Elongacion (mm). Figura 38. Probetas de la configuración III que permanecieron 7 días congeladas.. 53.

(67) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION III - S. Gracilis: 14 mm / Tiempo: 2 dias 1000 900 800 700. Fuerza (N). 600 14.7. 500. 14.8. 400. 14.9. 300 200 100 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. -100 Elongacion (mm). Figura 39. Probetas de la configuración III que permanecieron 2 días congeladas.. En las figuras 37, 38 y 39, al igual que en la sección anterior, no es clara la relación entre la carga máxima, la pendiente de la curva hasta el punto de carga máxima y el tiempo de congelación.. En las siguientes tres gráficas se agruparon los resultados según el modo de falla y también el tiempo de congelación.. 54.

(68) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION III - MODO DE FALLA 3 800 700 600. Fuerza (N). 500 400. 14.1. 300. 14.3 14.5. 200 100 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. -100 Elongacion (mm). Figura 40. Probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 3. Las curvas del mismo color corresponden al mismo tiempo de congelación.. 55.

(69) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION III - MODO DE FALLA 5 1000 900 800 700. Fuerza (N). 600 14.4. 500. 14.6. 400. 14.8. 300 200 100 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. -100 Elongacion (mm). Figura 41. Probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 5. Las curvas del mismo color corresponden al mismo tiempo de congelación.. 56.

(70) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION III - MODO DE FALLA 6 1000 900 800 700. Fuerza (N). 600 500. 14.7 14.9. 400 300 200 100 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. -100 Elongacion (mm). Figura 42. Probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 6. Las curvas del mismo color corresponden al mismo tiempo de congelación.. En las figuras 40,41 y 42 se puede observar la relación, señalada en la sección anterior, que existe entre los resultados, el modo de falla y el tiempo de congelación. En las siguientes tres gráficas se agruparon los resultados de igual manera que en las tres anteriores, pero se graficó esfuerzo vs. deformación.. 57.

(71) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION III - MODO DE FALLA 3 12.00. 10.00. Esfuerzo (MPa). 8.00. 6.00. 14.1 17 dias 6mm. 4.00. 14.3 17 dias 6mm. 2.00. 14.5 7 dias 6mm. 0.00 0.00. 0.10. 0.20. 0.30. 0.40. 0.50. 0.60. 0.70. 0.80. -2.00 Deformacion. Figura 43. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 3.. 58.

(72) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION III - MODO DE FALLA 5 16.00 14.00. Fuerza (N). 12.00 14.4 7 dias 7mm. 10.00. 14.6 7 dias 6mm. 8.00 6.00. 14.8 2 dias 7mm. 4.00 2.00 0.00 0.00. 0.05. 0.10. 0.15. 0.20. 0.25. 0.30. 0.35. 0.40. 0.45. 0.50. Elongacion (mm). Figura 44. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 5.. 59.

(73) IM – 2003 – I - 41. CONFIGURACION III - MODO DE FALLA 6 14.00. 12.00 14.7 2 dias 7mm. Esfuerzo (Mpa). 10.00 8.00. 14.9 2 dias 7mm. 6.00 4.00. 2.00 0.00 0.00. 0.10. 0.20. 0.30. 0.40. 0.50. 0.60. 0.70. 0.80. 0.90. 1.00. Deformacion. Figura 45. Gráficas de esfuerzo vs. deformación de las probetas de la configuración III que presentaron el modo de falla 6.. Las gráficas de esfuerzo vs. deformación no muestran tendencias claras como las mostradas por las de fuerza vs. elongación, esto puede deberse a que la manera como se determinó el área transversal no es muy exacta, además, esta área es variable a través de la longitud del tendón, por lo tanto el calculo de los esfuerzos tampoco es exacto.. 60.

(74) IM – 2003 – I - 41. 7. CONCLUSIONES. 1. Dado que la mayoría de las probetas, en las tres configuraciones, se destruyeron en el anclaje del tejido blando en el fémur, se puede decir que este es su punto mas débil. Por lo tanto, al aplicar una fuerza sobre el ligamento cruzado anterior de la rodilla reconstruido, durante la etapa de recuperación biológica posterior a la intervención quirúrgica, si se presenta una lesión, se espera que esta ocurra en el punto de inserción.. Debido a que el tejido blando es más resistente que la interfase hueso-mecanismo de fijación, se puede considerar a la estructura del ligamento cruzado anterior reconstruido de menor calidad que la estructura del ligamento cruzado anterior natural, ya que los puntos de inserción de esta ultima no son críticos, esto se corrobora por la manera como se lesiona el ligamento cruzado anterior con mayor frecuencia, el cual siempre se rompe en el tejido blando.. La mayor resistencia mecánica del tejido blando frente a la interfase hueso mecanismo de fijación, también se puede ver en el hecho de que las probetas que fallaron debido a la ruptura del tendón tuvieron la carga máxima mayor tanto en la configuración II como en la configuración III. La carga máxima en estas cuatro probetas no fue solo mayor que la de las demás, sino que estuvo muy por encima del promedio.. 2. La evaluación de los promedios de la máxima carga soportada por las probetas en cada una de las configuraciones, muestra que el procedimiento quirúrgico que se utiliza para reparar el ligamento cruzado anterior de la rodilla basado en semitendinoso-gracilis y taco óseos de 14 mm de diámetro si proporciona una mayor resistencia mecánica a este sistema. Así, los resultados experimentales. 61.

(75) IM – 2003 – I - 41. están corroborando la relación que existe entre el esfuerzo generado debido a la acción de una fuerza y el área que esta soportando dicha fuerza.. La carga máxima promedio soportada por las probetas de la configuración I y por las probetas de la configuración II es prácticamente la misma, por lo que esta variable no es un criterio suficiente para definir la conveniencia de utilizar una de estas dos configuraciones frente a la otra.. 3. La elongación promedio en el punto de carga máxima fue superior en las probetas de la configuración III. Desde el punto de vista medico, se desea mantener esta variable lo mas baja posible, debido a que la rodilla bajo la acción de cargas no puede cambiar su estructura en grandes proporciones. Las probetas de la configuración I en el punto de carga máxima presentaron la elongación promedio mas baja, lo cual corrobora los resultados de la mayoría de los trabajos que se han llevado a cabo con anterioridad. A pesar que la elongación de las probetas de la configuración III es ligeramente mayor que la de las probetas de la configuración II, se puede decir que en este aspecto también son preferibles estas ultimas, ya que soportan en promedio mayor cantidad de carga.. 4. La configuración III es capaz de soportar cargas mayores, sin embargo debido a que el túnel realizado en el hueso tiene un diámetro mayor, la sección de área se reduce considerablemente en el extremo distal del fémur, y por lo tanto este sitio se convierte en una zona de esfuerzos altos. Es por ese motivo que se presentó con una frecuencia mayor el modo de falla 5, que consiste en la ruptura de la pared lateral del túnel realizado en el fémur. Lo anterior es importante tenerlo en cuenta, ya que este es el modo de falla menos deseable de todos, sin embargo, dado que las dimensiones del fémur del cerdo y del humano son diferentes, no se puede predecir que este modo de falla pueda ocurrir en humanos para estas 62.

(76) IM – 2003 – I - 41. dimensiones del taco óseo, donde para la configuración II nunca ocurre, como si se presento en la probeta 10.9.. 5. Los modos de falla no están asociados con el tiempo de refrigeración de las probetas, ya que se tuvieron tres tiempos de congelación diferentes, y los modos de falla fueron indiferentes a este parámetro del modelo experimental. Al parecer la dependencia mas fuerte de los modos de falla se mantiene con la edad de los ejemplares de los cuales se extrajeron los tejidos, sin embargo como no se pudo tener acceso a este parámetro, no es posible sacar conclusiones respecto a este. También podría existir una fuerte relación entre el modo de falla y la técnica quirúrgica. Esta, aunque está estandarizada, presenta cambios sutiles entre la elaboración de una probeta y otra, los cuales pueden alterar su comportamiento. Sin embargo, no es posible. sustentar esta hipótesis usando el modelo. experimental de este trabajo, por lo tanto, al igual que con el anterior parámetro no se establecieron conclusiones.. 6. El comportamiento de las probetas durante la prueba esta asociado con los modos de falla y con el tiempo de congelamiento de estas. Se observa en general que la resistencia a la carga máxima es mayor al disminuir el tiempo de congelamiento, así como una pendiente mayor en las curvas de fuerza vs. elongación en las pruebas sobre las probetas con un tiempo de congelamiento menor. Este tiempo, por lo tanto, es relevante tenerlo en cuenta en la elaboración del protocolo de pruebas, ya que incide sobre los resultados finales.. 7. En las probetas de la configuración I se observó la incidencia que tiene la alineación de los tornillos de interferencia en el eje del túnel realizado en el fémur con la mayor capacidad de carga máxima. Esto puede analizarse en los resultados 63.

(77) IM – 2003 – I - 41. obtenidos en las probetas que sufrieron el modo de falla 2, en el cual los tornillos se salieron del fémur, debido a la mejor alineación de estos con el eje del túnel realizado para colocarlos, las cuales soportaron la carga máxima más alta de esta configuración.. 8. El modo de falla que se repite con mayor frecuencia en la técnica que utiliza como anclaje un taco óseo, es el modo de falla 3, en el cual la pared del túnel realizado en el fémur se cizalla debido a la fuerza trasmitida por el taco óseo. Esto sugiere que si la probeta se elabora de manera estándar, sin defectos en el tejido blando,. en el taco óseo o en las dimensiones del túnel, el mayor esfuerzo. inducido en la probeta es un esfuerzo cortante a través de la pared del túnel mencionado.. 64.