Ex vivo biomechanical comparison of reinforced locking plate design and locking compression plates applied in comminuted tibial fractures

Abstract

Objectives: The aim of study was to compare four designs of locking plates at biomechanical characteristics for the stabilization of experimentally induced comminuted tibial fractures in dog. Material and Methods: Pelvic limbs were harvested from sixteen dog cadavers. Paired tibiae were stripped of all soft tissues, and sub-divided by bone mineral density in four blocks and randomized complete block design (RCBD) in four treatments (T1, T2, T3 and T4). Four configurations of locking plates with fixed angle and 2.7 mm system were tested, locking compression plate (LCP) without filling center holes (T1) (n=4), a LCP filling the center holes within eight screws heads plugs (T2) (n=4), a locking plate (LP) (T3) (n=4) and a reinforced LP (T4) (n=4), were applied to the medial surface of each tibia. Subsequent analysis of variance (F test, ANOVA) and statistical analysis with Tukey's pairwise test (α = 0.05) were performed. A 1-cm segment of the tibia was excised centrally beneath the plate. The specimens were potted, then tested in failure and destructive four-point mediolateral bending(n=16), and failure and destructive axial compression(n=16). Bending and axial stiffness, yield load and failure load were calculated for each specimen. Results: The LP constructs (T3 and T4) were stiffer than the LCP constructs (T1 and T2) in both tests. Yield load and failure load were not significantly greater for LP constructs compared with LCP constructs in axial test. At bending analysis, yield load and failure load was greater in reinforced LP (T4), with statistical difference between all other treatments. LCP constructs with and without the filling center holes (T1 and T2) did not differs statically at mediolateral bending and axial compression in both tests. Clinical Significance Reinforced LP in central width ensure better bending stiffness, yield load and failure load. The screws head plugs had some influence at stiffness in both tests, but not statically differs. The widening of the locked plates, reinforcing the central area, consecutively reducing the forces at comminuted fracture gap. Further cyclic studies of the designs and clinical investigation is recommended. We conclude that the reinforced locking plates with central larger area is the first choice for treatment of comminuted fractures in dogs, ensuring better bending stiffness, yield load and failure load. Using screw head plugs on LCP did not differ statistically when compared to the same plate but without the filling. Keywords: Comminuted fracture. Static destructive test. Locking plate. Axial compression. Four-point bending.

Objetivos: Objetivou-se com este estudo comparar as características biomecânicas de quatro configurações de placas bloqueadas utilizadas para a estabilização de fraturas cominutivas de tíbia induzidas experimentalmente em ossos de cães. Material e Métodos: Os membros pélvicos foram obtidos de dezesseis cadáveres de cães. As tíbias pareadas foram separadas de todos os tecidos moles e as amostras foram subdivididas em relação a densidade mineral óssea em quatro blocos e foi aplicado o delineamento em blocos casualizados (DBC) em quatro tratamentos (T1, T2, T3 e T4). Quatro configurações de placas bloqueadas ângulo fixo e com sistema 2,7 mm foram ensaiadas; placa de compressão bloqueada (LCP) sem preenchimento dos orifícios centrais (T1) (n=4), placa de compressão bloqueada com preenchimento dos orifícios centrais com bottons (T2) (n=4), placa bloqueada ponte (LP) (T3) (n=4) e placa bloqueada ponte reforçada (T4) (n=4) foram aplicadas na superfície medial de cada tíbia. Interpretação dos resultados obtidos através de análise de variância (teste F, ANOVA) e análise estatística com o teste de Tukey’s pairwise (α = 0,05). Um segmento de 1cm da tíbia foi excisado centralmente abaixo da placa. Os corpos de prova foram acoplados, então testados em falha e flexão mediolateral destrutiva de quatro pontos (n=16), e falha e compressão axial destrutiva (n=16). A rigidez axial e de flexão, a carga de escoamento e a carga máxima foram calculadas para cada corpo de prova. Resultados: Os modelos de placas ponte (T3 e T4) foram mais rígidos que os modelos de placa em ponte bloqueada (T1 e T2) em ambos os testes. A carga de escoamento e a carga máxima não foram significativamente maiores para as construções de placas ponte em comparação com as construções de placas de compressão bloqueada no teste axial. Na análise de flexão, a carga de escoamento e a carga máxima foi maior em placa ponte reforçada (T4), com diferença estatística entre todos os demais tratamentos. Construções de placa de compressão bloqueada com orifícios centrais, preenchidos ou não com bottons (T2 e T1), não diferem estaticamente na flexão mediolateral e compressão axial em ambos os testes. Significado clínico: A placa ponte reforçada em largura central garante melhor rigidez à flexão, carga de escoamento e carga máxima. Os bottons tiveram alguma influência na rigidez em ambos os testes, mas não diferiram estaticamente. O alargamento das placas bloqueadas reforça a área central, reduzindo consecutivamente as forças no foco da fratura cominutiva. Conclui-se que as placas ponte reforçadas em sua largura central (T4), é a primeira escolha para o tratamento de fraturas cominutivas de tíbia em cães, garantindo melhor rigidez a flexão, assim como, melhor limite de escoamento e carga máxima. O uso de bottons na placa de compressão bloqueada não foi estatisticamente superior nos testes estáticos quando comparada a mesma placa sem o preenchimento dos parafusos. Mais estudos cíclicos dos modelos e investigação clínica são recomendados. Palavras-chave: Fratura cominutiva. Teste estático destrutivo. Placa Bloqueada. Compressão axial. Flexão em quatro pontos.