Análisis del comportamiento biomecánico de clavos intramedulares en función de su sección

Abstract

[ES] Los clavos intramedulares se han convertido en imprescindibles para la fase de fijación en el tratamiento de fracturas óseas. Desde los primeros indicios en el antiguo Egipto hasta la actualidad se han empleado diversos diseños, técnicas y materiales con el fin de favorecer y agilizar el proceso de curación y remodelación ósea. En dicho contexto surge la necesidad de la realización de un análisis comparativo del comportamiento biomecánico de diferentes tipos de clavos intramedulares en función de su sección transversal. Estos clavos están diseñados con el mismo diámetro, pero secciones distintas basadas en cuatro tipos de clavos desarrollados a lo largo de la historia: clavo diamante tipo HansenStreet, clavo cruz tipo Schneider, clavo V tipo Küntscher y clavo trébol tipo Russell y Taylor. Además, serán ensayados con propiedades elásticas de acero inoxidable 316L, Ti6Al4V y en el interior de la diáfisis femoral con propiedades elásticas de hueso cortical. Su comportamiento bajo flexión se simula mediante la herramienta software ANSYS que resuelve el problema elástico mediante el método de elementos finitos. De todos los resultados, los valores del desplazamiento y la distribución de tensiones de Von Mises de cada clavo, nos permitirán valorar la resistencia a flexión y estudiar el fallo elástico. Del estudio realizado, se concluye que clavos fabricados en acero inoxidable son más resistentes que los de Ti6Al4V, ya que este material tiene un módulo de elasticidad más alto y los podemos ordenar de mayor a menor resistencia en función de la sección para cualquier material: clavo trébol tipo Russell y Taylor > clavo cruz tipo Schneider > clavo diamante tipo Hansen-Street > clavo V tipo Küntscher. Sin embargo, al introducir los clavos intramedulares en el interior de la diáfisis femoral, se comportan de forma más similar, aumentando la resistencia del conjunto clavo-hueso y las tensiones de Von Mises quedan repartidas. Aunque el clavo soporta la mayor parte de la tensión, se alcanzan valores reducidos asegurando el correcto funcionamiento del clavo y del conjunto clavo-hueso.

[CAT] Els claus intramedul·lars s'han convertit en imprescindibles per a la fase de fixació en el tractament de fractures òssies. Des dels primers indicis en l'antic Egipte fins a l'actualitat s'han emprat diversos dissenys, tècniques i materials amb la finalitat d'afavorir i agilitar el procés de curació i remodelació òssia. En aquest context sorgeix la necessitat de la realització d'una anàlisi comparativa del comportament biomecànic de diferents tipus de claus intramedul·lars en funció de la seua secció transversal. Aquests claus estan dissenyats amb el mateix diàmetre, però seccions diferents basades en quatre tipus de claus desenvolupats al llarg de la història: clave diamant tipus Hansen-Street, clau creu tipus Schneider, clau V tipus Küntscher i clave trévol tipus Russell i Taylor. A més, seran assajats amb propietats elàstiques d'acer inoxidable 316L, Ti6Al4V i a l'interior de la diàfisi femoral amb propietats elàstiques d'os cortical. El seu comportament sota flexió se simula mitjançant l'eina programari ANSYS que resol el problema elàstic mitjançant el mètode d'elements finits. De tots els resultats, els valors del desplaçament i la distribució de tensions de Von Mises de cada clau, ens permetran valorar la resistencia a la flexió i estudiar la fallada elàstica. De l'estudi realitzat, es conclou que claus fabricats en acer inoxidable són més resistents que els de Ti6Al4V, ja que aquest material té el mòdul d’elasticitat més alt, i els podem ordenar de major a menor resistència en funció de la secció per a qualsevol material: clau trévol tipus Russell i Taylor > clau creu tipus Schneider > clau diamant tipus Hansen-Street > clau V tipus Küntscher. No obstant això, en introduir els claus intramedul·lars a l'interior de la diàfisi femoral, es comporten de forma més similar, augmentant la resistència del conjunt clau-os i les tensions de Von Mises queden repartides. Encara que el clau suporta la major part, s'aconsegueixen valors reduïts assegurant el correcte funcionament del conjunt clau-os.

[EN] Intramedullary nails have become essential for the fixation phase in the treatment of bone fractures. From the first indications in ancient Egypt to the present, various designs, techniques and materials have been used in order to favor and speed up the healing and bone remodeling process. In this context, a comparative analysis of the biomechanical behavior of different types of intramedullary nails is needed based on their cross section. The nails are designed with the same diameter, but different sections based on four types of nails developed throughout history: Hansen-Street-type diamond nail, Schneider-type cross nail, Küntscher-type V-nail and Russell and Taylor-type trefoil nail. In addition, they are tested with elastic properties of 316L stainless steel, Ti6Al4V and inside the femoral diaphysis with elastic properties of cortical bone. Its behavior under bending is simulated using the ANSYS software tool that solves the elastic problem using the finite element method. Of all the results, the displacement values and the Von Mises stress distribution of each nail allow us to assess the strength and study the elastic failure. From the study carried out, it is concluded that nails made of stainless steel presents more strength than those of Ti6Al4V, since this material has the highest Young modulus and we can order them from greater to lesser strength depending on the section for any material: Russell and Taylor type cloverleaf nail > Schneider cross type nail > diamond nail Hansen-Street type > Küntscher type V nail. However, when the intramedullary nails are introduced inside the femoral diaphysis, they behave in a more similar way, increasing the strength of the bone-nail set and the Von Mises stresses are more distributed. Although the nail supports most of the stress, reduced values are reached, ensuring correct operation.