Energy Required for Fracture in Synthetic Proximal Femoral Models After Synthesis Material Removal: a Biomechanical Study Using Cannulated Screws, Dynamic Hip Screws, and Proximal Femoral Nails.

Objective  The present study aims to identify the energy required for synthetic proximal femoral fracture after removal of three implant types: cannulated screws, dynamic hip screws (DHS), and proximal femoral nail (PFN). Methods  Twenty-five synthetic proximal femur bones were used: 10 were kept intact as the control group (CG), 5 were submitted to the placement and removal of 3 cannulated screws in an inverted triangle configuration (CSG), 5 were submitted to the placement and removal of a dynamic compression screw (DHSG), and 5 were submitted to the placement and removal of a proximal femur nail (PFNG). All samples were biomechanically analyzed simulating a fall on the greater trochanter using a servo-hydraulic machine to determine the energy (in Joules [J]) required for fracture. Results  All samples presented basicervical fractures. The energy required for fracture was 7.1 J, 6.6 J, 6 J, and 6.7 J for the CG, CSG, DHSG and PFNG, respectively. There was no statistically significant difference (considering a 95% confidence interval) in energy among the study groups ( p  = 0.34). Conclusion  There was no statistically significant difference in the energy required to cause a synthetic proximal femoral fracture after removing all three implant types and simulating a fall over the greater trochanter. Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia. This is an open access article published by Thieme under the terms of the Creative Commons Attribution-NonDerivative-NonCommercial License, permitting copying and reproduction so long as the original work is given appropriate credit. Contents may not be used for commercial purposes, or adapted, remixed, transformed or built upon. ( https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ).

Introduction

Life expectancy has increased worldwide, mainly due to improved social determinants of health. As a result, the higher number of elderly people proportionally increased the rate of chronic non-communicable diseases, including osteoporosis, which stands out as a global public health problem. Osteoporosis mainly affects the elderly population, especially female, postmenopausal patients. It is characterized by bone mineral density reduction, leading to a lower bone mechanical strength. It has an important socioeconomic impact due to the high incidence of proximal femoral fractures resulting from falls and low-energy traumas. 1 2

These fractures are approached in a manner as to provide patients with conditions to resume normal activities as early as possible. Therefore, most cases are surgically treated with implants, such as proximal femoral nails (PFNs), cannulated screws (CSs), dynamic hip screws (DHSs), or even joint replacement (arthroplasty). 3

Some complications associated with the surgical treatment of proximal femoral fractures may require implant removal. Synthesis material removal is indicated mainly in cases of persistent hip, gluteus, or thigh pain, and implant failure or infection. 4 5 6 Implant removal may predispose to femoral neck or intertrochanteric fractures, especially in elderly patients with low bone quality. 7

Due to the various dimensions and positions of implants in proximal femoral fractures, we need to understand the biomechanical implications resulting from their removal to raising surgeons' awareness of the safety and consequences of performing such procedure. 8 9

As such, this study aims to identify the required energy (in Joules) to cause a fracture in a synthetic proximal femur after removing three implant types: CSs, DHSs, and PFNs.

Materials and Methods

Twenty-five synthetic femurs (c1010 model manufactured by Nacional Ossos, Jaú, SP, Brazil), composed of cortical and spongy bone, with 10 pounds per cubic foot and a 12-mm spinal canal, were used. These femurs were divided into four groups: control group (CG), cannulated screw group (CSG), dynamic hip screw group (DHSG), and proximal femoral nail group (PFNG).

The CG was formed by 10 intact femurs ( Figure 1 ). For the CSG, 5 intact synthetic femurs were submitted to the placement of 3 7.5-mm cannulated screws configured in an inverted triangle. For the DHSG and PFNG, each group consisted of five synthetic femurs submitted to implant fixation using the Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen (AO) technique shown in Figure 2 . The sliding screws had 12 mm in diameter for the DHSG and 10.5 mm for the PFNG. Eventually, all implants were removed, and the bones were sent to the biomechanical analysis laboratory.

Fig. 1

Control group (CG) model.

Fig. 2

Cannulated screw (CSG), dynamic hip screw (DHSG) and proximal femoral nail (PFNG) group samples after implant placement.

Tests were performed in static flexion using a servo-hydraulic machine (MTS 810 model, FlexTest 40, MTS Sistemas do Brasil Ltda., São Paulo, SP, Brazil) with a 100 kilonewtons power. Each femur was attached to the test device leaving 150 mm of its length outside the machine, towards the hydraulic piston at its base with a horizontal inclination of 10° and 15° in internal rotation according to a digital goniometer. The greater trochanter was supported by a silicone disk with 8 × 2-cm in diameter ( Figure 3 ). A preload of 40 Newtons was applied at a speed of 2 mm/s, followed by load applied to the femoral head until fracture ( Figure 4 ); the energy was determined in Joules (J).

Fig. 3

Experimental model on the biomechanical test platform.

Fig. 4

Experimental model after fracture.

The results were obtained through an inferential analysis using selected parameters data and submitted to a one-way analysis of variance (ANOVA) to detect a potential significant difference among the groups. Significance was set at 5%. The statistical analysis was performed using the IBM Statistical Package for the Social Sciences (SPSS) Statistics, version 20.0 (IBM SPSS Statistics, Armonk, NY, USA).

Results

All samples presented basicervical fractures.

The energy required for fracture was 7.1 J, 6.6 J, 6 J and 6.7 J for the CG, CSG, DHSG, and PFNG, respectively, as shown in Table 1 .

Table 1

Energy (in Joules) required for fracture in each experimental model

Variable	n	Mean value	95% CI for mean value	Minimum value	Maximum value	p -value ∗
Energy (J)
CG	10	7.1	5.5 - 8.6	4.4	10.4
CSG	5	6.6	4.3 - 8.9	4	10
GDHS	5	6	4.9 - 7.1	4	7
GPFN	5	6.7	6.1 - 7.3	6.2	7.9	0.78

Abbreviations: CG, control group; CSG, cannulated screw group; DHSG, dynamic hip screw group; PFNG, proximal femoral nail group; CI, confidence interval; J, Joules.

One-way analysis of variance (ANOVA).

A one-way ANOVA revealed that there was no statistically significant difference in the energy required for fracture (p = 0.78) among the study groups.

Discussion

Proximal femoral implant removal can result in local biomechanical changes. For instance, DHS removal can generate bone defects in the subtrochanteric area due to its position, while PNF removal causes a major bone defect in the greater trochanter. Therefore, before implant removal from the proximal femur, the surgeon must consider the biomechanical changes and the potential complications resulting from the procedure. 7 8 9

In this study, synthetic bones were chosen to standardize the biomechanical properties between samples and to minimize bone-inherent differences (bone density, length, biochemical composition, age, diameter). 10 The simulated fracture mechanism, which was the fall over the greater trochanter, is accepted as the most common in this type of injury, especially in the elderly population. 11

All fractures in our study were basicervical injuries. The literature suggests that, after implant removal, a bone failure aggravated by the low bone density in elderly patients may contribute to the weakening of the femoral neck region, making it more susceptible to stress and fracture. 12 13 14 Other studies have suggested that pain after fracture consolidation may have been misinterpreted, consisting in a clinical sign of stress injury at the femoral neck, which would contribute to fracture after implant removal. 15

In addition, our results show a regular trend towards lower maximum energy in the CSG, DHSG, and PFNG when compared to the CG, even though there were no statistically significant differences. Yang et al., in a similar biomechanical study using 15 cadaveric femurs, also failed to demonstrate a significant difference in the maximum energy required for proximal femoral fractures after PFN and DHS removal. 6 9

Other studies have tested femoral reinforcement with bone cement as a technique to protect osteoporotic proximal femurs from fractures after synthesis material removal. One of these studies used synthetic femurs divided into two groups, with or without bone cement reinforcement after DHS removal, and performed biomechanical tests to determine the maximum energy required for fracture. Interestingly, no statistical difference was found in the maximum energy required for fracture, suggesting that cementation after implant removal has no benefit. 8 16

As limitations of our study, we realized that the load applied to the models was essentially a pure lateral compression force, although other variables, including rotational and axial forces, may play a role in vivo. Another important limitation was the use of a synthetic bone model. We know that it does not reproduce the true biomechanics of human bones, especially in the elderly population, which presents low bone mineral density and is most susceptible to proximal femoral fractures. In addition, morphological changes inherent to fracture healing, such as callus formation, remodeling and malunion, were not evaluated. Synthetic models do not allow for ethnicity, age, metabolic conditions, and lifestyle habits assessment. However, the iatrogenic aggression necessary to remove the synthetic material cannot be evaluated. Last, the sample was restricted to 25 bones, which is limited, due to the high cost of the models.

Conclusion

None of the evaluated bone models presented significant differences in the energy required for fracture when compared to the control group. Further studies are needed to corroborate our results, preferably with bone models that biomechanically resemble those of the population with a higher incidence of proximal femur fracture.

Introdução

A expectativa de vida populacional tem aumentado em todo mundo, sobretudo pela melhora dos determinantes sociais de saúde. Consequentemente, o número de idosos tem aumentado, proporcionalmente, a taxa de doenças crônicas não transmissíveis. Dentre elas, a osteoporose se destaca por ter se tornado um problema de saúde pública de ocorrência global. Acomete majoritariamente a população idosa, em especial os pacientes do sexo feminino após a menopausa. É caracterizada pela redução da densidade mineral óssea e, consequentemente, redução da resistência mecânica do osso. Tem um impacto socioeconômico importante devido à alta incidência de fraturas do fêmur proximal resultantes de quedas e traumas de baixa energia. 1 2

A abordagem dessas fraturas consiste em fornecer ao paciente condições de retomada das atividades habituais o mais precocemente possível. Por isso, na maioria das vezes realiza-se o tratamento cirúrgico com colocação de implantes, como as hastes femorais (PFNs -proximal femoral nails ), parafusos canulados, placa tubo deslizante (DHS- dynamic hip screw ), ou ainda por meio de substituição articular (artroplastia). 3

Algumas complicações associadas ao tratamento cirúrgico das fraturas da extremidade proximal do fêmur podem levar à necessidade de retirada do implante. As indicações para retirada do material de síntese são principalmente por dor persistente no quadril, glúteo ou coxa, ou ainda devido à falha ou infecção do implante. 4 5 6 A remoção de implantes pode predispor fraturas do colo femoral ou da região intertrocantérica, principalmente em pacientes idosos com baixa qualidade óssea. 7

Em função das várias dimensões e diferentes posicionamentos dos implantes utilizados nas fraturas do fêmur proximal, existe a necessidade de entender quais as implicações biomecânicas resultantes de sua retirada, e, desta maneira, conscientizar o cirurgião sobre a segurança e as consequências da realização desse procedimento. 8 9

Para isto, este estudo tem como objetivo identificar a energia necessária (em Joules [J]) para a ocorrência de fratura do fêmur proximal em osso sintético após a remoção de três modelos de implantes: parafusos canulados, parafuso dinâmico do quadril (DHS) e haste proximal do fêmur (PFN).

Materiais e Métodos

Foram utilizados 25 fêmures sintéticos (modelo c1010 da fabricante Nacional Ossos, Jaú-SP, Brasil) compostos por osso cortical e esponjoso, com 10 pfc ( pounds per cubic foot ) e canal medular de 12 mm. Em seguida, estes fêmures foram divididos em quatro grupos: grupo controle (GC), grupo parafuso canulado (GPC), grupo dynamic hip screw (GDHS) e grupo proximal femoral nail (GPFN).

O GC foi formado por 10 fêmures intactos ( Figura 1 ). No grupo GPC, 5 fêmures sintéticos intactos foram submetidos à colocação de três parafusos canulados de 7,5 mm configurados em triângulo invertido. Os grupos GDHS e GPFN foram formados cada um por 5 fêmures sintéticos e fixados com seus implantes conforme descrito pela técnica AO ( Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen ), conforme a Figura 2 . O diâmetro dos parafusos deslizantes era de 12 mm no grupo GDHS e 10,5 mm no grupo GPFN. Por fim, retirou-se todos os implantes e os ossos foram encaminhados para o laboratório de análise biomecânica.

Fig. 1

Amostra de modelos do grupo controle (GC).

Fig. 2

Amostra de modelos dos grupos GPC, GDHS, e GPFN após colocação do implante.

Os ensaios foram feitos de forma estática em flexão utilizando a máquina servo-hidráulica do modelo MTS 810–FlexTest 40 (MTS Sistemas do Brasil Ltda., São Paulo, SP, Brasil) com capacidade de 100 kilonewtons (kN). O fêmur foi fixado ao dispositivo de ensaio deixando 150 mm do seu comprimento fora do dispositivo em direção ao pistão hidráulico, posicionado na base da máquina de ensaio com inclinação de 10° com a horizontal e 15° de rotação interna aferidos com goniômetro digital. O trocânter maior manteve-se apoiado em um disco de silicone de 8 × 2 cm de diâmetro ( Figura 3 ). Foi aplicada uma pré-carga de 40 N (newtons) a uma velocidade de 2 mm/s e em seguida aplicada uma carga na cabeça do fêmur até ocasionar fratura ( Figura 4 ), obtendo-se os valores de energia em J.

Fig. 3

Modelo experimental na plataforma de ensaio biomecânico.

Fig. 4

Modelo experimental após ocorrência de fratura.

Os resultados foram obtidos por meio de uma análise inferencial utilizando os valores dos parâmetros selecionados, compostos pela análise de variância simples (ANOVA one-way ), com o objetivo de verificar a existência de diferença significativa entre os grupos GC, GPC, GDHS e GPFN. O nível de significância foi de 5%. A análise estatística foi realizada pelo software IBM Statistical Package for the Social Sciences (SPSS) Statistics , versão 20.0 (IBM SPSS Statistics, Armonk, NY, EUA).

Resultados

Todos os grupos apresentaram fratura do fêmur proximal do tipo basocervical.

Os grupos apresentaram valores de energia média para a fratura em J, respectivamente: GC 7.1J, GPC 6.6J, GDHS 6J e GPF 6.7J conforme Tabela 1 .

Tabela 1

Parâmetros de energia (J) necessária até ocorrência de fratura nos modelos experimentais

Variável	n	média	IC 95% para média	mínima	máxima	V alor de p *
Energia (J)
GC	10	7,1	5.5–8,6	4,4	10,4
GPC	5	6,6	4.3–8,9	4	10
GDHS	5	6	4.9–7,1	4	7
GPFN	5	6,7	6.1–7,3	6,2	7,9	0,78

Abreviaturas: GC, grupo controle; GDHS, grupo dynamic hip screw (parafuso dinâmico do quadril); GPC, grupo parafuso canulado; GPFN, grupo proximal femoral nail (haste femoral proximal); IC, intervalo de confiança; J, Joules.

ANOVA one-way : análise de variância simples.

Observou-se, segundo a ANOVA one-way , que não existe diferença significativa, na energia exigida até fratura ( p  = 0,78) entre os grupos de estudo.

Discussão

A retirada de implantes do fêmur proximal pode gerar alterações biomecânicas locais. O DHS, por exemplo, pode gerar defeitos ósseos na área subtrocantérica em função de seu posicionamento; enquanto a retirada do PFN gera um defeito ósseo maior na área do grande trocânter. Por isso, antes da retirada de implantes do fêmur proximal, o cirurgião deve considerar as alterações biomecânicas e as possíveis complicações resultantes. 7 8 9

Neste estudo, a escolha de ossos sintéticos teve como objetivo a uniformização das propriedades biomecânicas entre as amostras e minimizar as diferenças inerentes aos ossos humanos (densidade óssea, comprimento, composição bioquímica, idade, diâmetro). 10 O mecanismo de fratura simulado, a queda sobre o grande trocânter, é aceito como o de maior ocorrência neste tipo de fratura, principalmente na população idosa. 11

Todas as fraturas encontradas em nosso estudo foram do tipo basocervical. A literatura sugere que após a remoção do implante, a falha óssea agravada pela baixa densidade óssea em pacientes idosos pode contribuir para o enfraquecimento da região do colo femoral, tornando-o mais susceptível a concentração de estresse e a ocorrência de fratura nesta região. 12 13 14 Outros estudos têm sugerido que as dores relatadas pelo paciente mesmo após a consolidação da fratura e previamente a retirada do implante, podem ter sido interpretadas incorretamente e que na realidade seriam sinais clínicos de fratura por estresse na região do colo femoral, o que contribuiria para ocorrência de fratura após retirada do implante. 15

Os resultados ainda permitiram observar um comportamento regular de tendência de redução dos valores da energia máxima nos GPC, GDHS, GPFN quando comparados ao grupo controle (GC), ainda que não houvesse diferença significativa do ponto de vista estatístico. Yang e Cols, através de um estudo biomecânico similar utilizando 15 fêmures cadavéricos, também não conseguiram demonstrar diferença significativa nos valores de energia máxima para ocorrência de fratura no fêmur proximal após retirada de implantes do tipo PFN e DHS. 6 9

Outros estudos testaram o uso do reforço femoral com cimento ósseo como técnica de proteção à fratura do fêmur proximal em ossos osteoporóticos após retirada de material de síntese. Num desses estudos, utilizando fêmures sintéticos divididos em 2 grupos, um com e outro sem reforço de cimento ósseo após retirada do implante (DHS), realizaram testes biomecânicos com intuito de testar parâmetros de energia máxima até ocorrência de fratura. De maneira curiosa, não foi encontrado diferença estatística nos valores de energia máxima até a fratura, o que sugere que o efeito da cimentação após retirada do implante não traria benefício. 8 16

No que se refere às limitações do estudo, (1) percebemos que a carga exercida nos modelos foi essencialmente uma força de compressão lateral pura, embora outras variáveis, como a força rotacional e axial, possam atuar sobre o fêmur in vivo . (2) Outra limitação importante foi a utilização do modelo ósseo sintético. Sabemos que ele não reproduz a verdadeira biomecânica do osso humano, principalmente na população idosa, que tem baixa densidade mineral óssea e que mais sofre fratura do fêmur proximal. Além disto, as alterações morfológicas próprias da cicatrização da fratura, como a formação de calo, o remodelamento e a má união não foram avaliadas. A raça, idade, doenças metabólicas e hábitos de vida são outras variáveis não avaliadas nos modelos sintéticos utilizados. Não obstante, a própria agressão iatrogênica necessária para remoção do material também não pode ser avaliada. (3) Por fim, a amostra restrita a 25 ossos mostrou-se limitada devido ao alto custo dos modelos.

Conclusão

Entre os modelos ósseos avaliados, não encontramos diferenças significativas nos valores de energia para ocorrência de fratura quando comparados ao GC. Há necessidade de mais estudos que corroborem os resultados, preferencialmente com modelos ósseos que se assemelhem biomecanicamente aos da população com maior incidência de fratura do fêmur proximal.