Valutazione sperimentale e computazionale del rischio di rifrattura del radio in seguito alla rimozione delle viti da osteosintesi

Introduction Literature analysis showed that re-fracture of forearm bones has 1 – 35% clinical incidence and one of its main causes is the presence of holes, after the removal of plate and screws, which act as stress risers. The aim of this work was the quantitative evaluation of the influence that different holes left by screw removal have on the re-fracture risk of the radius during mechanical loading. Test definition The design of the specimens to test and of the type of test to be performed required various considerations to be made. From a clinical point of view the fracture type for which plate implant was simulated was a transverse fracture, the surgical approach was the Henry approach, the plates used were 7 hole plates (Stryker VariAx straight narrow plate and DePuy Synthes LCP plates) with six screws (bone and locking screws). The biomechanical analysis of the forearm in supinated position with a 90° elbow flexion (most common biomechanical model of the forearm) led to the decision of performing a 4-point bending test on the radius bone with tensioning of the volar surface. This appeared to be the worst case loading of the forearm bones and in particular of the radius. The experimental test was performed on Sawbones® radius samples on which the Stryker VariAx plate with 3.5mm and 2.7 mm screws was implanted and removed and on samples with no holes, which were taken as reference sample. The samples were loaded until failure and the energy to failure of each group was calculated. The computational test was performed on radius models with no holes, single holes (2.7mm, 3.5mm and 4.5 mm) and multiple holes (simulation of the previous presence of a plate). The radius models were virtually loaded until failure which was reached when the maximum principal stress equaled the σmax defined for the cortical bone. After the plot of the force-displacement curve the energy to failure was calculated. The comparisons between different groups were performed calculating the ratio between the energy to failure of the samples with no holes and the samples with holes (α = ENoHoles / EHoles). Groups which show higher values of α represent a safer situation in terms of re-fracture risk of the bone in correspondence of a bending loading. Results and conclusions The analysis of the results showed that the safer situation was given by the presence of smaller holes (2.7mm) even if not a great difference was noticed in comparison to the other groups. The statistical analysis performed on the results of the experimental test showed in fact a non-statistical difference between the samples with 2.7mm and with the 3.5mm multiple holes. The main output of both experimental and computational tests highlighted an important reduction of the energy to failure (max reduction = -80%) when holes were present on the structure suggesting particular care of the forearm during the period immediately after hardware removal until the defects are filled with newly formed bone.

Introduzione Una ricerca bibliografica ha evidenziato come la ri-frattura delle ossa dell’avambraccio presenti un’incidenza che varia nell’intervallo 1-35% e come una delle cause di tale problematica sia la presenza di fori, dopo la rimozione di placca e viti, che agiscono da concentratori di stress. L’obiettivo del presente lavoro è di valutare da un punto di vista quantitativo l’influenza che fori diversi hanno sul rischio di ri-frattura del radio in corrispondenza dell’applicazione di specifici carichi. Definizione dei test La progettazione dei campioni da testare e del tipo di test da eseguire ha richiesto la considerazione di diversi aspetti. Da un punto di vista clinico la tipologia di frattura per la quale si è scelta di simulare l’impianto della placca è stata la frattura trasversale, l’approccio chirurgico è stato l’approccio di Henry, le placche usate presentavano 7 fori (Stryker VariAx straight narrow plate e DePuy Synthes LCP plate) con sei viti (bone screws e locking screws). L’analisi biomeccanica dell’avambraccio in posizione supina con il gomito flesso di 90° (modello comune per quanto riguarda lo studio dell’avambraccio) ha portato alla decisione di realizzare una flessione a 4 punti sul modello di radio con tensionamento della superficie anteriore dell’osso. Questa tipologia di carico è stata scelta perché ritenuta il caso peggiore per quanto riguarda le sollecitazioni presenti fisiologicamente sull’avambraccio stesso. Il test sperimentale è stato realizzato su modelli di radio dell’azienda Sawbones® sui quali sono state impiantate e rimosse placche VariAx Stryker con viti 3.5 mm e 2.7 mm e su modelli senza fori, che sono stati presi come campioni di riferimento. Ciascun campione è stato testato fino a fallimento ed è stata calcolata l’energia necessaria per portare a cedimento la struttura. Le simulazioni computazionali sono state eseguite, invece, su modelli di radio senza fori, con fori singoli (2.7 mm, 3.5 mm e 4.5 mm) e con fori multipli (riproduzione della rimozione di placche da osteosintesi). I modelli computazionali sono stati virtualmente caricati fino a fallimento che avviene nel momento in cui il massimo stress principale raggiunge σmax definito per l’osso corticale. Si è quindi realizzato il grafico forza – spostamento da cui si è calcolata l’energia necessaria per portare a fallimento l’osso. Il confronto tra i diversi gruppi è stato eseguito calcolando il rapporto tra energia a rottura dei campioni senza fori e con fori (α = ENoHoles / EHoles). I gruppi che mostrano valori maggiori di α rappresentano una situazione più sicura per quando riguarda il rischio di ri-frattura del radio in corrispondenza di carichi flessionali. Risultati e conclusioni L’analisi dei risultati ha mostrato che la situazione migliore (più sicura) per quanto riguarda l’energia a rottura è data dalla presenza delle viti da 2.7 mm anche se la differenza con gli altri gruppi soggetti ai test non è marcata. L’analisi statistica dei dati ottenuti dal test sperimentale ha mostrato, infatti, una differenza statisticamente non significativa tra i gruppi con fori multipli da 2.7mm e da 3.5mm. Il risultato principale ottenuto sia dal test computazionale sia dal test sperimentale è quello di aver evidenziato la notevole riduzione dell’energia a rottura (massima riduzione = -80%) quando fori sono presenti sull’osso. Questo risultato suggerisce di prestare particolare attenzione nel periodo immediatamente successivo alla rimozione di placca e viti, fino al momento in cui i fori vengono riempiti da nuovo tessuto osseo.