artigo original / original article Influência da profundidade da inserção do parafuso no pedículo vertebral sobre o torque de inserção e a resistência ao arrancamento Influence of the new depth of insertion of pedicle screw on insertion torque and pullout strength Influencia de la profundidad de la inserción del tornillo en el pedículo vertebral sobre el torque de inserción y la resistencia al arrancamiento Vânia Custódio Leite1 Rodrigo Okubo2 Antonio Carlos Shimano3 Frank Kandziora4 Helton LA Defino5 Resumo Objetivo: avaliar a influência da profundidade da inserção do parafuso do sistema de fixação vertebral e o diâmetro do orifício piloto sobre o seu torque de inserção e a resistência ao arrancamento. Métodos: foram utilizadas vértebras de suínos e parafusos USS de 5mm de diâmetro. Os parafusos foram inseridos nos pedículos das vértebras após a realização de orifício com brocas de 2,5; 3,8 e 4,5mm. Foi utilizado torquímetro Mackena® para a medida o torque de inserção. Foram formados seis grupos experimentais de acordo com o diâmetro do orifício piloto e a inserção do parafuso (total e somente da rosca). Cada grupo ABSTRACT Objective: to assess the influence of the depth of pedicle screw insertion on the pullout strength considering different pilot hole diameters. Method: pig vertebrae and 5mm USS screws were used in the study. The screw were inserted into the lumbar and lower thoracic vertebral pedicle.bral pedicle. The pilot holes were drilled with 2.5, 3.8 and 4.5 mm drill and a Mackenna® torque meter was use to assess the screw insertional torque. The following six experimental groups with 10 test models each, were used: Group 1 – 2.5 mm pilot hole and total insertion of the screw; Group 2 RESUMEN Objetivo: evaluar la influencia de la profundidad de la inserción del tornillo del sistema de fijación vertebral y el diámetro del orificio piloto sobre su fuerza de inserción y la resistencia al arrancamiento. Métodos: fueron utilizadas vértebras de cerdos y tornillos USS de 5mm de diámetro. Los tornillos fueron inseridos en los pedículo de las vértebras después de la realización del orificio con brocas de 2.5; 3.8 y 4.5mm. Fue utilizado un torquímetro Mackena® para la medida del torque de inserción. Fueron hechos 6 grupos experimentales según el diámetro del orificio piloto y la inserción del tornillo (total y solamente Trabalho realizado no Laboratório de Bioengenharia do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto –– USP – Ribeirão Preto (SP), Brasil. Trabalho realiazado com apoio da FAPESP e CAPES-DAAD-PROBRAL. Pós-graduando do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo – USP – Ribeirão Preto (SP), Brasil. 2 Aluno de Iniciação Científica do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo – USP – Ribeirão Preto (SP), Brasil. 3 Professor-Doutor do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo – USP – Ribeirão Preto (SP), Brasil. 4 Chefe do Setor de Cirurgia da Coluna Vertebral do Departamento de Doenças do Aparelho Locomotor- Hospital Charitté- Berlin – Alemanha. 5 Professor Titular do Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo – USP – Ribeirão Preto (SP), Brasil. 1 Recebido: 27/03/07 Aprovado: 20/04/2008 COLUNA/COLUMNA. 2008;7(2):128-132 ao_55_128_132.indd 1 08-07-2008 18:02:53 Influência da profundidade da inserção do parafuso no pedículo vertebral sobre o torque de inserção e a resistência ao arrancamento 129 experimental era formado por dez corpos de prova. Grupo 1 – orifício de 2,5mm e inserção total do parafuso; Grupo 2 – orifício de 2,5mm e inserção somente da parte rosqueada; Grupo 3 – orifício de 3,8mm e inserção total; Grupo 4 – orifício de 3,8mm e inserção somente da parte rosqueada; Grupo 5 – orifício de 4,5 mm e inserção total; Grupo 6 – orifício de 4,5mm e inserção somente da parte rosqueada. Os ensaios de arrancamento foram realizados na Máquina Universal de Ensaio EMIC®. Resultados: a média da força máxima de arrancamento e torque de inserção nos diferentes grupos experimentais foram, respectivamente: Grupo 1: (1014,7 ± 153,3) N e (1,39 ± 0,21) N.m; Grupo 2: (909,9 ± 109,9) N e (0,87 ± 0,22) N.m; Grupo 3: (996,9 ± 107,4) N e (1,04 ± 0,19) N.m; Grupo 4: (947,7 ± 165,4) N e (0,57 ± 0,13)N.m; Grupo 5: (862,6 ± 141,2) N e (0,78 ± 0,19) N.m e Grupo 6: (669,6 ± 176,9) N e (0,34 ± 0,11) N.m. Conclusão: foi observada diferença estatística entre o torque de inserção dos parafusos, total ou parcialmente inseridos, considerando-se todos os diâmetros de perfuração utilizados. Foi observada diferença estatística entre a força de arrancamento dos parafusos, total e parcialmente inseridos, nos grupos com perfuração menor e maior que o diâmetro interno do parafuso. – 2.5 mm pilot hole and screw partial insertion (only the threaded part of the screw inserted); Group 3 – 3.8 mm pilot hole and total screw insertion; Group 4 – 3.8 mm pilot hole and screw partial insertion B; Group 5 – 4.5 mm pilot hole and screw total insertonl; Group 6 – 4.5 mm pilot hole and partial insertion. The screw pullout tests were performed using an EMIC® Universal Testing Machine Data were analyzed by ANOVA and the Tukey-Kramer test, with the level of significance set at 5%. Results: the mean maximum pullout strengths and insertion torques were, respectively: Group 1: (1014.7±153.3) N and (1.39±0.21) N.m; Group 2: (909.9±109.9)N and (0.87±0.22) N.m; Group 3: (996.9±107.4) N and (1.04±0.19) N.m; Group 4: (947.7±165.4) N and (0.57±0.13) N.m; Group 5: (862.6±141.2) N and (0.78±0.19) N.m and Group 6: (669.6±176.9) N and (0.34±0.11) N.m. Conclusion: it was observed significant difference of insertional torque between the total and partial insertion of the screw. The screw pullout strength was significantly different between the totally and partially inserted screws in the groups with pilot hole diameter smaller or bigger than the internal diameter of the screw. de la rosca). Cada grupo experimental era formado por 10 cuerpos de prueba. Grupo 1 – orifico de 2.5mm e inserción total del tornillo; Grupo 2 – orifico de 2.5mm e inserción solamente de la parte rosqueada; Grupo 3 – orifico de 3.8 mm e inserción total; Grupo 4 – orifico de 3.8mm e inserción solamente de la parte rosqueada; Grupo 5 – orificio de 4.5 mm e inserción total; Grupo 6 – orifico de 4.5 mm e inserción solamente de la parte rosqueada. Los ensayos de arrancamiento fueron realizados en la Máquina Universal de Ensayo EMIC®. Resultados: la media de la fuerza máxima de arrancamiento y torque de inserción en los diferentes grupos experimentales fueron respectivamente: Grupo 1 – (1014.7±153.3)N y (1.39±0.21) N.m; Grupo 2 – (909.9±109.9)N y (0.87±0.22) N.m; Grupo 3 – (996.9±107.4) N y (1.04±0.19) N.m; Grupo 4 – (947.7±165.4) N y (0.57±0.13) N.m; Grupo 5 – (862.6±141.2) N y (0.78±0.19) N.m y Grupo 6 – (669.6±176.9) N y (0.34±0.11) N.m. Conclusión: fue observada diferencia estadística entre el torque de inserción de los tronillos totalmente o parcialmente inseridos y esa diferencia fue observada considerándose todos los diámetros de perforación utilizados. Fue observada diferencia estadística entre la fuerza de arrancamiento de los tornillos totalmente y parcialmente inseridos en los grupos con perforación menor y mayor que el diámetro interno del tornillo. DESCRITORES: Coluna vertebral; Parafusos ósseos; Biomecânica KEYWORDS: Spine; Bone screws; Biomechanics DESCRIPTORES: Columna vertebral; Tornillos óseos; Biomecánica INTRODUÇÃO Os parafusos pediculares são componentes de ancoragem dos sistemas de fixação vertebral e a sua utilização tem sido muito freqüente nas cirurgias da coluna vertebral. As propriedades mecânicas do sistema de fixação vertebral estão diretamente relacionadas com a ancoragem dos parafusos nas vértebras1-3. Os sistemas de fixação vertebral são, geralmente, conectados por hastes acopladas a parafusos ou ganchos. Para a perfeita acoplagem e fixação da haste do sistema de fixação sobre as cabeças dos parafusos inseridos nos pedículos vertebrais é necessário, em algumas situações cirúrgicas, o reposicionamento da altura dos parafusos. Essa manobra implica na retirada de parte do parafuso do interior da vértebra ou na inserção parcial do parafuso no pedículo vertebral. Os parafusos de alguns sistemas de fixação não apresentam rosca em toda a sua extensão, possuindo uma pequena extensão sem rosca do corpo do parafuso próximo a sua cabeça (Figura 1). Essa característica da porção proximal do parafuso motivou a elaboração deste estudo, pois, sendo a parte proximal do implante desprovida de rosca, a sua contribuição na resistência ao arrancamento poderia ser questionada, de modo que a inserção total ou parcial (somente da parte rosqueada) do implante pudesse não apresentar diferença da resistência ao arrancamento do implante. O objetivo deste estudo é avaliar a possível influência sobre o torque de inserção e a resistência ao arrancamento da inserção total ou parcial do parafuso pedicular, considerando-se a sua parte rosqueada e lisa, e o diâmetro do orifício para a sua inserção. COLUNA/COLUMNA. 2008;7(2):128-132 ao_55_128_132.indd 2 08-07-2008 18:02:53 Leite VC, Okubo R, Shimano AC, Kandziora F, Defino HLA 130 MÉTODOS Foram utilizadas 60 vértebras de suínos da raça Landrace, com média de idade de 90 dias e peso aproximado de 55Kg. As vértebras da região lombar (L1 a L6) e torácica distal (T13 a T14) foram selecionadas para o estudo. O implante utilizado no estudo foi o parafuso pedicular de aço de 30mm de comprimento, 5mm de diâmetro externo (diâmetro da rosca) e 3,8mm de diâmetro interno (diâmetro da alma do parafuso) (Parafuso USS-Synthes) (Figura 1). As brocas utilizadas para a realização do orifício de introdução dos implantes eram cortantes e de aço rápido, com diâmetro de 2,5mm; 3,8mm e 4,5mm. O modelo experimental foi baseado na colocação dos implantes no pedículo vertebral, sob visão direta e orientação das referências anatômicas clássicas. A perfuração do orifício foi realizada por meio de brocas e o diâmetro da perfuração era menor (2,5mm), igual (3,8mm) ou maior (4,5mm) que o diâmetro interno do parafuso.Os parafusos foram manualmente introduzidos no interior dos pedículos vertebrais, tendo sido medido o torque da sua inserção por meio de torquímetro (Mackena). Com o objetivo de manter a angulação da perfuração e fornecer suporte e estabilidade para o torquímetro foi construído um guia fixo para a inserção do parafuso (Figura 2). Os parafusos foram inseridos com dois tipos de profundidade: a primeira correspondia à inserção de toda a extensão da parte rosqueada do corpo do parafuso e a parte lisa proximal, e a segunda somente à inserção da parte rosqueada do parafuso, deixando para fora a sua parte lisa proximal (Figura 3). Foram formados seis grupos experimentais de acordo com o diâmetro da perfuração e profundidade da inserção do parafuso: Grupo I – orifício de 2,5mm e inserção total (parte rosqueada e parte lisa); Grupo II – orifício de 2,5mm e inserção parcial (parte rosqueada); Grupo III – orifício de 3,8mm e inserção total; Grupo IV – orifício de 3,8mm e inserção parcial; Grupo V – orifício de 4,5mm e inserção total; Grupo VI – orifício de 4,5mm e inserção parcial. A resistência dos implantes ao arrancamento foi avaliada por meio de ensaios mecânicos, utilizando-se Máquina Universal de Ensaio (Emic®). O conjunto formado pela vértebra e o parafuso inserido no seu interior foi fixado à morsa e a força de arrancamento aplicada na parte proximal do parafuso. Foi estabelecida a pré-carga de 40N com 30 segundos de tempo de acomodação, seguida da aplicação contínua e progressiva da carga a velocidade de 10mm por minuto. Os valores de força máxima de arrancamento dos parafusos e o seu torque de inserção foram mensurados e comparados por meio do teste ANOVA, teste de Tukey-Kramer, tendo sido estabelecido o nível de significância de 5% . RESULTADOS A avaliação do torque de inserção dos implantes mostrou que ocorreu em todos os grupos a redução dos valores com o aumento do diâmetro do orifício piloto (Tabela 1 e Figura 4). No grupo da inserção total do parafuso, a média do torque de inserção para a perfuração de 2,5mm foi de 138,90±21,44 N.m; de 100,60±21,05 N.m para a perfuração de 3,8mm, e de 77,80±18,46 N.m para a perfuração de 4,5mm. Nesse grupo, foi observada diferença estatística entre os valores do torque de inserção com os diferentes diâmetros da perfuração. (p<0,05). No grupo da inserção somente da parte rosqueada do parafuso, a média do torque de inserção para a perfuração de 2,5mm foi de 87,30±21,74 N.m; de 52,60±11,67 N.m para a perfuração de 3,8mm, e de 32,40±11,59 N.m para a perfuração de 4,5mm. Nesse grupo, foi observada diferença estatística entre os valores do torque de inserção com os diferentes diâmetros da perfuração. (p<0,05). TABELA 1 – Valores do torque de inserção dos parafusos com inserção da rosca e da parte lisa (T) e inserção somente da rosca Figura 1 Parafuso USS de 5mm de diâmetro externo (3,8mm de diâmetro interno).Observar a parte proximal sem rosca do corpo do parafuso Torque (N.m) 2,5 T Figura 2 Fotografia do guia utilizado para manter a angulação da perfuração e fornecer suporte e estabilidade para a utilização do torquímetro Figura 3 Vista superior do parafuso de 5mm inserido no pedículo da vértebra lombar de suíno Média Dp 2,5 R 3,8 T 3,8 R 4,5 T 4,5 R 120 52 107 40 95 44 118 86 85 48 42 22 118 96 106 46 87 34 140 65 146 65 72 42 131 87 113 46 67 9 126 82 92 52 82 35 160 72 91 50 77 40 184 129 72 39 112 36 153 102 82 72 72 42 139 102 112 68 72 20 138,90 87,30 100,60 52,60 77,80 32,40 21,44 21,74 21,05 11,67 18,46 11,58 COLUNA/COLUMNA. 2008;7(2):128-132 ao_55_128_132.indd 3 08-07-2008 18:02:54 Influência da profundidade da inserção do parafuso no pedículo vertebral sobre o torque de inserção e a resistência ao arrancamento Foi observada diferença estatística entre o torque de inserção dos parafusos total ou parcialmente inseridos, considerando-se todos os diâmetros de perfuração utilizados (Figura 4.) A força de arrancamento apresentou redução com o aumento do diâmetro do orifício piloto grupo da inserção total e no grupo da inserção somente da rosca do parafuso (Tabela 2 e Figura 5). No grupo da inserção total do parafuso, a força máxima de arrancamento foi de 1014,67±153,33 N para a perfuração de 2,5mm; 996,97±107,43 N para a perfuração de 3,8mm, e de 862,61±141,17 N para a perfuração de 4,5mm (Tabela 2 e Figura 5). Foi observada diferença estatística entre os valores relacionados com o diâmetro do orifício piloto de 2,5mm e 3,8mm, em relação aos valores do orifício piloto de 4,5mm. No grupo da inserção parcial somente da parte rosqueada dos parafusos a média da força máxima de arrancamento foi de 909,93±109.89 N para a perfuração de 2,5mm; 947,76±165,36 N para a perfuração de 3,8mm, e de 669,60±176,94 para a 131 perfuração de 4,5mm. No grupo da inserção parcial somente da rosca do parafuso, também foi observada diferença estatística entre os valores correspondentes ao orifício piloto de 2,5mm e 3,8mm em relação aos valores do orifício piloto de 3,8mm. A comparação dos resultados da resistência ao arrancamento dos parafusos, considerando a inserção total e a inserção somente das roscas, mostrou valores superiores com a inserção total dos parafusos, tendo sido observada diferença estatística somente nos orifícios pilotos com diâmetro menor (2,5mm) ou maior (4,5mm) que o diâmetro interno do parafuso (Figura 5). Figura 5 Gráfico ilustrando os resultados da comparação dos valores da resistência ao arrancamento dos parafusos totalmente inseridos (parte rosqueada e parte lisa) e parcialmente inseridos (parte rosqueada) nos diferentes diâmetros do orifício piloto DISCUSSÃO Os sistemas de fixação vertebral têm sido largamente utilizados nas cirurgias da coluna vertebral para a sua estabilização Figura 4 ou correção de deformidades. As propriedades mecânicas Gráfico ilustrando os resultados da comparação do torque dos sistemas de fixação vertebral estão relacionadas com as de inserção entre a inserção total (parte rosqueada e lisa do propriedades intrínsecas dos sistemas de fixação vertebral e corpo do parafuso) e parcial (somente da parte rosqueada do também à sua ancoragem nas vértebras1,4. A ancoragem dos parafuso) nos diferentes diâmetros do orifício piloto parafusos do sistema de fixação vertebral nas vértebras depende da densidade mineral do tecido ósseo, do diâmetro externo e desenho do parafuso e do orifício piloto2,5-6. TABELA 2 – Valores da força máxima de arrancamento A ancoragem dos parafusos na vértebra não depende dos parafusos com inserção da rosca e da parte lisa (T) e exclusivamente do seu material, mas também do seu inserção somente da rosca desenho, do diâmetro externo, e também da densidade Força (N) 2,5 T 2,5 R 3,8 T 3,8 R 4,5 T 4,5 R mineral do tecido ósseo1,6-7. Dentre as variáveis que participam da resistência 952,51 776,92 1049,45 1163,34 706,41 639,30 dos parafusos ao arrancamento, a confecção do orifício 1173,51 1100,30 987,08 778,28 662,35 341,68 piloto e a colocação do parafuso dependem das manobras 1241,31 1054,87 1170,12 1060,30 955,90 388,46 técnicas realizadas durante o ato cirúrgico, enquanto que as demais (densidade mineral do tecido ósseo, diâmetro 1086,74 966,74 1187,07 1230,46 927,42 774,89 externo e desenho da rosca do parafuso) já estão pré804,04 942,34 917,25 1015,55 789,12 862,34 estabelecidas e não sofrem a influência das manobras ou 1086,06 755,90 948,44 810,82 860,98 673,19 técnicas realizadas durante o ato cirúrgico. A estabilidade mecânica dos sistemas de fixação 1109,79 861,66 911,15 782,34 986,40 703,70 vertebral depende de uma constelação de fatores que 1029,11 859,63 943,69 960,64 696,24 769,46 atuam em conjunto4,8-9 e pequenos detalhes técnicos, 845,39 898,27 871,15 797,26 978,27 855,56 como o diâmetro do orifício piloto ou a profundidade da inserção do implante, podem alterar as propriedades 818,27 882,68 984,37 878,61 1063,01 687,43 mecânicas da fixação e interferir no resultado final Média 1014,67 909,93 996,97 947,76 862,61 669,60 do tratamento. Não está esclarecido até o momento se as alterações observadas in vitro invariavelmente Dp 153,33 109,88 107,43 165,35 141,16 176,94 corresponderiam à falhas dos sistemas de fixação, pois COLUNA/COLUMNA. 2008;7(2):128-132 ao_55_128_132.indd 4 08-07-2008 18:02:55 Leite VC, Okubo R, Shimano AC, Kandziora F, Defino HLA 132 a margem de tolerância não é conhecida. No entanto, devemos considerar que a máxima resistência mecânica dos sistemas deve ser almejada e perdas da estabilidade mecânica relacionadas com a técnica de colocação e manobras cirúrgicas devam ser evitadas. Os resultados observados neste estudo confirmam a existência da constelação de fatores relacionados com a estabilidade mecânica dos implantes vertebrais, e demonstram a influência da técnica de aplicação e realização de manobras na resistência ao arrancamento dos implantes, que indiretamente afetam a estabilidade mecânica de todo o sistema de fixação. A influência da profundidade da inserção dos parafusos na resistência ao arrancamento é conhecida4,9-11. A resistência ao arrancamento é proporcional ao volume de osso entre as roscas do parafuso, de modo que, quanto maior o número de roscas inseridas no interior do osso da vértebra, maior o volume de osso entre as roscas e maior a sua resistência ao arrancamento. No entanto, em nosso estudo, não ocorreu aumento da inserção do número de roscas no interior do tecido ósseo, pois a parte proximal do parafuso não possuía rosca. Desse modo, a maior resistência ao arrancamento dos parafusos totalmente inseridos não poderia ser explicada pela maior quantidade de roscas no interior do tecido ósseo. A parte proximal do orifício piloto foi apontada como sendo de grande importância para a ancoragem dos parafusos do sistema de fixação vertebral, tendo sido demonstrada a redução da resistência ao arrancamento dos parafusos quando o seu diâmetro era de grande dimensão6,11. Embora o parafuso utilizado no estudo não apresentasse rosca na sua parte proximal, ela apresentava maior diâmetro em relação ao diâmetro interno do parafuso, e o encaixe dessa porção do parafuso no orifício piloto poderia explicar a diferença observada na resitência ao arrancamento dos parafusos total e parcialmente inseridos, embora contendo o mesmo número de roscas no interior do tecido ósseo. A influência do orifício piloto no torque de inserção e resistência ao arrancamento dos parafusos tem sido observada nos ensaios mecânicos realizados em outros estudos, e a sua importância foi REFERências 1. DeCoster TA., Heetderks DB, Downey DJ, Ferries JS, Jones W. Optimizing bone screw pullout force. J Orthop Trauma. 1990; 4(2):169-74. 2. George DC, Krag MH. Johnson CC, Van Hal, ME, Haugh LD, Grobler LJ. Hole preparation techniques for transpedicle screws. Effect on pullout strength from human cadaveric vertebrae. Spine. 1991;16(2):181-4. 3. 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O torque de inserção total representa a somatória do torque utilizado pelas roscas do parafuso para cortar o osso adjacente, para superar o atrito entre a superfície óssea e o implante e o torque útil. O torque útil é aquele disponível para gerar a tensão, ao contrário dos demais que é perdido durante a inserção do implante7. As diferenças observadas no torque de inserção entre os diferentes grupos experimentais estão em grande parte relacionadas com o maior torque utilizado para a introdução da parte proximal do parafuso. A avaliação do torque útil não é possível nessa situação. O torque gerado durante a inserção do implante tem sido considerado como o melhor preditor da avaliação da resistência entre a interface osso-implante9 e correlacionada com a resistência ao arraancamento1,5,9,11. Em nosso estudo, foi possível observar certa relação do torque de inserção com a resistência ao arrancamento dos implantes, mas essa correlação não foi observada em todos os experimentos, de modo que os valores do torque de inserção não refletiram totalmente a resistência ao arrancamento e não podem ser extrapolados4,9-10. A resistência ao arrancamento dos parafusos do sistema de fixação vertebral pode ser influenciada pela profundidade da aplicação do parafuso e diâmetro do orifício piloto utilizado na sua colocação e esses parâmetros devem ser observados durante a colocação dos implantes para a otimização das propriedades mecânicas dos implantes vertebrais. CONCLUSÃO O torque de inserção e a resistência ao arrancamento dos parafusos inseridos no pedículo vertebral são influenciados pela profundidade da inserção do implante e o diâmetro do orifício piloto influencia a resistência ao arrancamento dos implantes. 5. Ansell RH, Scales JT. 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