Análisis Biomecánico del Ligamento cruzado anterior y del efecto de la Fijación del Injerto hueso-tendón Patelar-hueso

Estudio en Cadáveres

*Dr. Luis Alfonso Pinzón.
* Instructor Departamento de Ortopedia y Trauma-tología Hospital de San José.
**Dr. Elio Rueda
** Ortopedista Universidad Industrial de Santander.
*** Dr. Edgar Muñoz
*** Profesor de Ortopedia y Traumatología Colegio Mayor de Nuestra Señora del Rosario,
Hospital de San José.
**** Dr. Diana Rincón
**** Profesora Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes.

Resumen

Realizamos un estudio en 46 rodillas de cadáveres, describiendo las características morfológicas y biomecánicas del ligamento cruzado anterior y del injerto hueso-tendón patelar-hueso y realizando un análisis comparativo del efecto que sobre las propiedades mecánicas presenta la rotación de 90 grados sobre su eje. Como resultados se encontró una tensión del ligamento cruzado anterior y del injerto menor a lo reportado en estudios biomecánicas similares, probablemente atribuibles a las características de nuestra población y finalmente se encontró un aumento estadísticamente significativo en términos de resistencia y tensión mediante la rotación del injerto.

Introducción

La reconstrucción de la rodilla con insuficiencia del ligamento cruzado anterior (LCA) es uno de los procedimientos más frecuentemente realizados en la práctica ortopédica, debido a la cada vez mayor incidencia de su lesión y a su precisión diagnóstica; al creciente número de individuos de todas las edades que desean mantener una participación deportiva activa y finalmente a los avances en las técnicas y resultados de las reconstrucciones del mismo, que parecen ofrecer al paciente una buena oportunidad de retornar al nivel de actividad previo a su lesión10, 11.

En recientes años, innumerables estudios que involucran la anatomía, biomecánica y curación del ligamento cruzado anterior han resultado en labúsqueda de técnicas y procedimientos que restablezcan la funcionalidad de la rodilla a un nivel lo más fisiológico posible. Está claramente demostrado en la literatura la integridad funcional de una reconstrucción de este ligamento mediante la medición instrumentada de la laxitud ligamentaria, artroscopias de revisión, algunas incluyendo biopsia del ligamento; correlación clínico semiológica y sin embargo, el problema de la restauración de una función completamente normal de la rodilla no ha sido aún resuelto. La simple demostración de una estructura intacta remplazando a un ligamento cruzado anterior roto no necesariamente asegura el restablecimiento de una cinemática y biomecánica normal en la rodilla y por ende el retorno a una actividad normal, lo cual es especialmente cierto en aquellos pacientes que participan de una actividad deportiva2, 11, 14, 17, 19.

El estado del arte del tratamiento de la inestabilidad generada por la ruptura del ligamento cruzado anterior6 —en aras de evitar la progresión de su historia natural— ha mostrado que no existe un método ideal que logre restaurar la mayoría de los aspectos biomecánicostan complejos que involucra el funcionamiento del ligamento indemne, gracias a sus muy particulares propiedades anatómicas y estructurales siendo esta la razón probable de la amplia disparidad de criterios en torno a la decisión de cuál es la mejor manera de tratamiento para estos pacientes 10, 11.

La búsqueda de óptimos resultados ha llevado a un detallado análisis de las diferentes variables que influencian los mismos, los cuales comienzan con una adecuada selección del paciente, una evaluación precisa de las lesiones intra y extra articulares asociadas y del estado de los restrictores secundarios; una buena selección del injerto; una excelente técnica quirúrgica que incluye una precisa localización de los túneles, plastia del surco intercondíleo, colocación isofisiológica del implante; tensión y fijación apropiada al injerto, finalizando en una rehabilitación postoperatoria exitosa.

Dentro de estas variables merece destacarse la elección del tipo de implante, la cual ha dependido principalmente de las características anatómicas y vasculares del mismo, pero principalmente del comportamiento biomecánico desde su colocación inicial hasta la fase final de ligamentización2, 10, 13, 14.

En la era moderna, el tercio central del injerto hueso-tendón patelar-hueso (H-TP-H) es uno de los más populares orígenes de remplazo autólogo para el ligamento cruzado anterior y es hacia las características estructurales y mecánicas del mismo hacia donde apuntan hoy muchas de las investigaciones, tratando de identificar su comportamiento viscoelástico bajo carga (creep), efectos de la pretensión y carga cíclica prefijación. El propósito de este trabajo es determinar las propiedades morfométricas y mecánicas del LCA y del complejo hueso-tendón patelar-hueso y reproducir aspectos de la mecánica de su reconstrucción, particularmente con respecto al efecto que la rotación del injerto tiene sobre su fuerza tensil yrigidez, lo cual aún no está muy claramente definido en la literatura, mediante técnicas “in vitro” en muestras obtenidas de cadáveres de nuestra población, y si los resultados son relevantes utilizarlos como partida para futuros estudios.

Conceptos biomecánicos

Debido a que gran parte de la función de los ligamentos es resistir cargas tensiles, los estudios experimentales de las propiedades biomecánicas de estos tejidos, son generalmente hechos en tensión, dejando sus inserciones óseas intactas. Cuando la evaluación es hecha de esta manera, medidas de carga y elongación (basadas en desplazamiento entre las mordazas se sujeción) son obtenidas. Una típica curva no lineal, representa el comportamiento del complejo hueso-ligamento. En esta curva, se pueden diferenciar dos aspectos:

• Una región inicial, de baja rigidez, denominada “toe”, en donde sólo pequeñas cargas son requeridas para que una elongación ocurra.
• Una segunda región, de alta rigidez donde cargas significativamente más altas son requeridas para continuar la elongación.

Este comportamiento es explicado por el patrón ondulante (crimp) de las fibrillas de colágeno a lo largo de la longitud del tendón. Durante la carga inicial el patrón ondulante de las fibras es estirado por pequeñas cargas, después de lo cual, grandes cargas son necesarias para elongar estas fibras.

A medida que se incrementa la carga, un mayor número de fibrillas comienza a ser cargado (reclutamiento). Mostrándose un incremento gradual en la rigidez del tejido, lo cual se demuestra como un curva carga – elongación no lineal.

Los valores obtenidos de la curva, carga – elongación del complejo hueso – ligamento – hueso, refleja una combinación de las propiedades de la sustanciadel ligamento así como de sus sitios de inserción. Estas son las llamadas propiedades estructurales y están representadas por la rigidez lineal, carga última, elongación última y energía absorbida para la falla (área bajo la curva carga – elongación). Debido a que el hueso es considerablemente más rígido que el tejido ligamentario, para determinar las propiedades mecánicas del tejido ligamentario, es necesario excluir el comportamiento de la interfase hueso – tendón, por lo que se reflejan mejor en las curvas Strein – Stress.

Objetivos

Principal

• Comparar el comportamiento biomécanico del complejo hueso —tendón patelar— hueso (H-TP-H) con y sin rotación distal en términos de tensión y rigidez.

Secundarios

• Estudiar las características morfométricas del complejo H-TP-H y del ligamento cruzado anterior (LCA) en nuestra población.
• Analizar el comportamiento biomecánico in vitro del LCA en nuestra población, como referencia para éste y futuros estudios.

Material y métodos

Diseño

Es un estudio de tipo experimental en cadáveres que consta de una parte descriptiva respecto a las características morfométricas y biomecánicas del ligamento cruzado anterior y del tendón patelar; y de una segunda parte de carácter comparativo entre el efecto de rotar y no rotar el complejo H-TP-H.

Población

Las muestras de las rodillas y de los injertos fueron obtenidas de cadáveres frescos con madurez esquelética y edad menor de 50 años, sin distinción de raza ni sexo y con condiciones de peso y estatura similares entre sí y cercanos al promedio de nuestra población. Una vez obtenidas las rodillas se incluyeron en el estudio aquéllas que no presentaron signos artrósicos, lesiones totales o parciales del LCA, sin lesiones meniscales ni muestras de enfermedades de tipo inflamatorio, metabólico o infeccioso activo o como secuela. El proceso de extracción de las muestras fue llevado a cabo en el Instituto de Medicina Legal y Ciencias Forenses gracias a la autorización ya obtenida por parte de la división en investigación de esta entidad.

Tamaño de la muestra

El tamaño de la muestra fue determinado en 40 especímenes de tercios centrales de tendón patelar divididos en dos grupos:

• El primero, evidenciando el efecto que sobre sus propiedades biomecánicas presenta el hecho de rotarlo sobre su eje.
• El segundo, como grupo control, sin efecto de rotación.

Este tamaño se determinó de acuerdo a los datos obtenidos en un estudio piloto previo cuyos resultados fueron incluidos dentro de los resultados finales, y que nos permitió extraer los valores de las diferentes variables para nuestra población ya que no existen reportes de estudios previos en la literatura para la población y la variable rotación a estudio.

Variables

Dependientes

Complejo H-TP-H convencional: inserción patelar amplia determinada de acuerdo a las carac-terísticas requeridas para la probeta de prueba evitando la concentración de estrés en los puntos de sujeción de la misma por la mordaza y a una longitud total del tercio central del tendón patelar con una ancho en su longitud media de 10 mm y en todo su espesor, con su inserción distal en la tuberosidad tibial también de 2 cm.

Complejo H-TP-H con rotación distal de 90 grados, con iguales características de dimensión y tamaño al complejo H-TP-H.

Complejo fémur distal – LCA intacto –tibia proximal, tomando los 10 cm distales del fémur, cápsula sinovial estructuras intraarticulares y 10 cm proximales de la tibia.

Independientes a estudiar

Características anatómicas del LCA y tendón patelar:

• Longitud (mm), ancho (mm), espesor (mm), medidos en su punto de origen, longitud media e inserción.
• Rotación de la tibia con respecto al fémur al eliminar la rotación intrínseca del LCA medida en grados.

Características mecánicas del LCA y complejo H-TP-H, medidos a través de la aplicación de la curva fuerza – elongación.

• Tensión medida en Newtons.
• Rigidez medida en Newton / mm2.
• Resistencia medida en Milipascales (MPa)
• Prueba de desplazamiento anteroposterior (cajón anterior) para el complejo fémur —LCA— tibia, determinando la fuerza requerida para lograr un desplazamiento igual o mayor a 4 mm

Independientes a controlar

Edad del donante (18 a 50 años), sexo sin diferenciación, peso y estatura corporal cercanos al promedio de nuestra población.

Métodos de medición

Los complejos fémur distal – LCA – tibia proximal y hueso – tendón patelar – hueso fueron medidos en sus características mecánicas mediante pruebas de Strain vs. Stress en el Sistema analizador de materiales electrohidráulico biaxial Instrom, en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico de la Universidad de los Andes (CITEC) en su laboratorio de resistencia de materiales.

Las características morfométricas fueron medidas mediante instrumentos de medición convencional y el área mediante cálculos aritméticos.

Procedimiento

Las probetas (muestras) obtenidas de patela —tendón patelar— tuberosidad anterior -fueron procesadas posterior a su análisis morfométrico, de acuerdo a los requerimientos mecánicos exigidos para evitar la concentración del estrés en los puntos de sujeción de las mismas y con un ancho promedio de 10 mm y montadas en mordazas especialmente diseñadas para evitar fallas en la interfase hueso ligamento y hueso tendón. Para el complejo fémur distal —LCA— tibia proximal (ya sin cubrimiento sinovial y conservando sólo los meniscos como única estructura intraarticular asociada al LCA) también fue diseñada una mordaza de sujeción que permite angulaciones entre el fémur y la tibia de 30 y 45 grados para las pruebas de despla-zamiento anteroposterior y carga axial sobre su eje respectivamente, evitando también fallas por deslizamiento de la probeta.

Los complejos H-TP-H fueron divididos en dos grupos de acuerdo a si se rotan o no 90 grados sobre su eje a nivel del bloque óseo tibial. La escogencia del procedimiento de rotación de las muestras se realizó utilizando caso y control de manera que siempre cada complejo extraído de un cadáver, tenía su muestra contralateral en un grupo diferente, disminuyendo de esta forma la variabilidad dentro del estudio. Estos complejos fueron sometidos a ratas de elongación del 10% / segundo, con una fuerza compresiva en el sentido de su eje de 0.12 Mpa de acuerdo a lo reportado en estudios previos 8.13. Para la valoración del comportamiento mecánico del LCA se realizaran las pruebas con las mismas especificaciones pero manteniendo el complejo a 45 grados de flexión, para las pruebas de tensión y a 30 grados de flexión, a una velocidad de 2mm/ seg. para las pruebas de desplazamiento anteroposterior.

Durante las pruebas los especímenes fueron irrigados con SSN para prevenir su deshidratación.