Subaksiyel servikal omurga kırıklarının posterior sabitlenmesinde titanyum ve peek çubuklu sistemlerin biyomekanik performanslarının karşılaştırılması
Biomechanical comparison of titanium and peek rod systems in posterior fixation of subaxial cervical spine fractures
Yazar: YUNUS USLAN
Danışman: PROF. DR. TEYFİK DEMİR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Omurga kırıklarının posterior sabitlenmesinde pedikül vida - çubuk sistemleri yaygın olarak kullanılan bir tedavi yöntemidir. Geleneksel titanyum çubuklara alternatif olarak geliştirilen yarı rijit PEEK çubuklar, lomber ve torakal bölgelerde 2007 yılından beri kullanılmaktadır. Literatürde, servikal bölgede PEEK çubuk kullanımına yönelik biyomekanik ve klinik çalışma bulunmamaktadır. Bu tez çalışmasında, subaksiyel servikal bölgede titanyum ve PEEK çubuklu sistemlerin biyomekanik performansı laboratuvar ortamında karşılaştırılmıştır.
Ø3.0 mm🞨40 mm ebatındaki titanyum ve PEEK çubuklar ASTM F2193-20 standardına göre statik dört nokta eğme testine tabi tutulmuştur. Beşer numuneyle gerçekleştirilen testlerde; akma yükü, akma yükündeki yer değiştirme, rijitlik, azami yük ve azami yükteki yer değiştirme hesaplanmıştır. Subaksiyel servikal omurları temsil eden test blokları ASTM F1717-18 standardına göre üretilmiştir. Her test bloğuna Ø3.5 mm🞨14 mm ebatında iki adet pedikül vida gönderilmiştir. İki test bloğu birbirine Ø3.0 mm🞨40 mm ebatındaki titanyum veya PEEK çubuklarla bağlanarak vertebrektomi modelleri elde edilmiştir. Elde edilen titanyum ve PEEK çubuklu sistemler, ASTM F1717-18 standardına göre statik basma eğme, statik çekme eğme ve yorulma testlerine tabi tutulmuşlardır. Her test için altı numune kullanılmıştır.
Statik dört nokta eğme testi sonucunda titanyum ve PEEK çubukların akma dayanımları sırasıyla 572.77 N ± 9.71 N ve 56.12 N ± 0.85 N olarak, rijitlikleri sırasıyla 858.05 N/mm ± 12.35 N/mm ve 35.66 N/mm ± 0.25 N/mm olarak hesaplanmıştır. Vertebrektomi modelinin statik basma eğme testi sonucunda titanyum ve PEEK çubuklu sistemlerin rijitlikleri sırasıyla 10.45 N/mm ± 0.06 N/mm ve 0.34 N/mm ± 0.01 N/mm olarak hesaplanmıştır. Statik çekme eğme testi sonucunda titanyum ve PEEK çubuklu sistemlerin rijitlikleri sırasıyla 0.12 N/mm ± 0.30 N/mm ve 0.80 N/mm ± 0.01 N/mm olarak hesaplanmıştır. Yorulma testi sonucunda titanyum ve PEEK çubuklu sistemlerin dayanım sınırı sırasıyla 23 N ve 6 N olarak belirlenmiştir.
Titanyum çubuklu sistemlerin dayanımının, fleksiyon ve ekstansiyon yönlerinde, hem statik hem de dinamik yükleme koşullarında PEEK çubuklu sistemlerden daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bununla birlikte, PEEK çubuklu sistemlerin titanyum çubuklu sistemlere iyi bir alternatif olabileceği öngörülmektedir. PEEK çubuklu sistemlerin deforme olmadan daha fazla esneklik göstermesinin, füzyon öncesinde hastaya hareket imkanı sağlaması beklenmektedir. Ayrıca, PEEK çubuklu sistemlerin rijitliğinin kemiğin rijitliğine daha yakın olması nedeniyle, gerilme kalkanına titanyum çubuklu sistemler kadar sebebiyet vermemesi ve komşu segment rahatsızlığı riskini azaltması beklenmektedir.
Bu tez çalışması, servikal omurga instabilitelerinin sabitlenmesinde yeni PEEK çubuklu pedikül vida fiksasyonun, geleneksel titanyum çubuklu sistemlere iyi bir alternatif olduğunu biyomekanik performanslarını karşılaştırarak ortaya koymuştur. Ancak servikal bölgede PEEK çubuklu sistemlerle pedikül vida fiksasyonu hakkında yeterli çalışma bulunmaması nedeniyle, bu sistemlerin klinik kullanımından önce kadavra çalışmaları gerçekleştirilmelidir.

Abstract:
Pedicle screw-rod systems are widely used for the posterior stabilization of spinal instabilities. Semi-rigid PEEK rods, developed as an alternative to conventional titanium rods, have been used in lumbar and thoracic regions since 2007. There are no biomechanical and clinical studies in the literature regarding the use of PEEK rods in the cervical region. In this thesis study, the biomechanical performance of titanium and PEEK rod systems in the subaxial cervical spine was compared in the laboratory environment.
Titanium and PEEK rods with dimensions of Ø3.0 mm🞨40 mm were subjected to static four point bending test according to ASTM F2193-20 standard. In the tests carried out with five samples; yield load, displacement at yield load, stiffness, maximum load and displacement at maximum load were calculated. Test blocks representing subaxial cervical vertebrae were manufactured according to ASTM F1717-18 standard. Two pedicle screws of Ø3.5 mm🞨14 mm were inserted into each test block. Vertebrectomy models were obtained by connecting the two test blocks to each other with titanium or PEEK rods of Ø3.0 mm🞨40 mm. The titanium and PEEK rod systems were subjected to static compression bending, static tension bending and fatigue tests according to ASTM F1717-18 standard. Six samples were used for each test.
As a result of the static four-point bending test, the yield strengths of titanium and PEEK rods were calculated respectively as 572.77 N ± 9.71 N and 56.12 N ± 0.85 N, and their stiffness as 858.05 N / mm ± 12.35 N / mm and 35.66 N / mm ± 0.25 N / mm. As a result of the static compression bending test of the vertebrectomy model, the stiffness of the titanium and PEEK rod systems were calculated as 10.45 N / mm ± 0.06 N / mm and 0.34 N / mm ± 0.01 N / mm, respectively. As a result of the static tensile bending test, the stiffness of the titanium and PEEK bar systems were calculated as 0.12 N / mm ± 0.30 N / mm and 0.80 N / mm ± 0.01 N / mm, respectively. As a result of the fatigue test, the endurance limits of the titanium and PEEK rod systems were determined as 23 N and 6 N respectively.
It has been determined that the strength of titanium rod systems is higher in flexion and extension directions than PEEK rod systems under both static and dynamic loading conditions. However, it is anticipated that PEEK rod systems can be a good alternative to titanium rod systems. It is expected that PEEK rod systems allow motion of the spine before fusion since the system show more flexibility without deformation. In addition, it is expected that using PEEK rod systems having closer stiffness to the bone will not cause the stress shielding as much as titanium rod systems and reduce the risk of adjacent segment disease.
This thesis study shows that the pedicle screw fixation with PEEK rod is a good alternative to traditional titanium rod systems for the fixation of cervical spine instabilities in terms of biomechanical performances. However, since there are not enough studies on pedicle screw fixation with PEEK rod systems in the cervical spine, cadaver studies should be performed before clinical use of these systems.