Biomechanical Evaluation of a Spinal Screw Fixation System by the Finite Element Method Translated title: Evaluación Biomecánica de un Sistema de Fijación Espinal con Tornillo por el Método de Elementos Finitos

Abstract

The objective of the present study was to validate virtual models for the study of dual core and cylindrical screws and evaluate the influence of the geometry of the screws on the mechanical behavior and anchoring. Two models of dual core screws were used, one with a double thread and the other with a single thread, both with a conventional cylindrical screw were used in this study. The stiffness was assessed in a pullout test using polyurethane. Three dimensional virtual models simulating the pullout test were created for finite element analysis. To validate the models, the results were correlated with the mechanical tests. Tensions generated in polyurethane and the screw were studied while simulating the application of force in the direction of the screw pullout, of force transmitted by the rod with the individual standing at rest, and the force transmitted by the rod when performing flexion of the trunk. The dual core screws generated lower tensions in the polyurethane when compared to the cylindrical screw for the forces studied. When evaluating internal tension in the screw, lower levels of tension were presented in the dual core - double thread, higher levels were observed in dual core - single thread, this screw has a smaller internal diameter which may be responsible for this higher generated tension. The dual core screws double thread proportionated good anchorage with more diameter on the region with great tension, avoiding the fracture.

Translated abstract

El objetivo de la presente investigación fue validar modelos virtuales para el estudio de tornillos cilíndricos y de pedículo de doble núcleo para evaluar la influencia de la geometría éstos en su anclaje y comportamiento mecánico. Se utilizaron dos modelos de tornillos de doble núcleo, unos de rosca doble y otros de rosca única, ambos tipos conformados por un tornillo cilíndrico convencional. La rigidez se evaluó en una prueba de retirada, utilizando poliuretano. Se crearon tres modelos virtuales tridimensionales que permitieron simular la prueba de retirada para el análisis de elementos finitos. Para validar los modelos, los resultados se correlacionaron con ensayos mecánicos. Se estudiaron las tensiones generadas en el poliuretano y el tornillo a través de la simulación de la aplicación de la fuerza en la dirección de retirada del tornillo, de la fuerza transmitida por la varilla en el individuo en reposo de pie, y la fuerza transmitida por la varilla cuando se realizaba la flexión del tronco. Los tornillos de doble núcleo generan tensiones más bajas en el poliuretano en comparación con el tornillo cilíndrico, para las mismas fuerzas estudiadas. Cuando se evalúa la tensión interna en el tornillo, se presentaron niveles más bajos de tensión en el tornillo de doble rosca, en comparación a los niveles de tensión más altos presentados en los tornillos de rosca única, presentando este tornillo un diámetro interno más pequeño que puede ser responsable de la mayor tensión. Los tornillos de doble núcleo y doble rosca proporcionan un buen anclaje con mayor diámetro y tensión en la región a tratar, evitando la fractura.