Osteoporotik vertebra modelinde (poliüretan köpük blok) rijit rod (titanyum) ve semi rijit (polieter eter keton, PEEK) rod ile yapılan stabilizasyon sistemlerinin biyomekanik karşılaştırılması
Biomechanical comparison of stabilization systems containing rigid rod (titanium) and semi rigid (polyeter eter keton, PEEK) rod in osteoporotic vertebrae model (polyurethane foam block)
Yazar: EGEMEN IŞITAN
Danışman: DOÇ. DR. ALİ DALGIÇ
Sağlık Bilimleri Üniversitesi / Ankara Numune Eğitim ve Araştırma Hastanesi / Beyin ve Sinir Cerrahisi Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2018
Konu: Nöroşirürji = Neurosurgery
Dizin: Biyomekanik = Biomechanics ; Kemik ve kemikler = Bone and bones ; Kemik vidaları = Bone screws ; Kemik çimentoları = Bone cements ; Omurga = Spine ; Osteoporoz = Osteoporosis ; Poliüretan köpük = Polyurethane foam ; Sıyırma = Stipping ; Titanyum = Titanium ; Toksisite = Toxicity

Özet:
AMAÇ: Osteoporotik hastalarda vida çekme gücünün araştırıldığı birçok çalışma mevcuttur. Sement enjekte edilebilir vidalar, vertebra korpusu içinde açılabilir vidalar ile vidaların tutunma gücünü artırmaya çalışılmaktadır. Sementli vidaların kaçak ve toksisite riski, korpus içinde genişleyebilir vidaların tekrarlayan operasyonlarda çıkarılmasının ve revize edilmesinin zor olması cerrahları başka yöntem arayışına sokmuştur. Bu çalışmada,  osteoporotik kemik dansitesine eşdeğer olarak hazırlanan poliüretan  köpük bloklara semirijit rod (PEEK) ve rijit (titanyum) rod ile yapılan transpediküler stabilizasyon sitemleri uygulanarak her iki sistemin biyomekanik karşılaştırılması ve vidaların çekme-sıyırma güçlerinin araştırılması amaçlanmıştır.
MATERYAL VE METOD: Bu çalışma TÜBİTAK desteği ile TOBB Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümü biyomekanik test laboratuvarında gerçekleştirildi. Yorulma testleri Labiotech firması tarafından tasarlanıp üretilen 2017EMY01 seri numaralı dinamik yorulma cihazında ve vida sıyırma (pull out) testleri Instron model 3359 mekanik test cihazında yapılmıştır. Test blokları ASTM F1839-08 (2016) standardında tanımlı osteoporotik trabeküler kemiğe benzer şekilde Grade 10 ve sağlıklı kemiğe benzer şekilde Grade 20 yoğunluklarında üretildi. Üretilen bloklar 50 mm x 50 mm x 25 mm boyutlarında kesilerek vertebra korpus modelleri oluşturuldu. Ardından, 12 adet grade 10 PU blok için; 6 adet peek rod (grup 1A) ve 6 adet titanyum rod (grup 1B) ile unilateral fikse edilerek ASTM F1717-15 standardı örnek alınarak osteoporotik grup için vertebrektomi modeli oluşturuldu. Aynı işlemler grade 20 PU bloklar için de yapılarak sağlam kemiği temsil eden vertebrektomi modeli oluşturuldu. Bunun için 6 adet peek rod ile fikse edilmiş (grup 2A) ve 6 adet titanyum rod ile fikse edilmiş (grup 2B) grade 20 vertebrektomi modeli oluşturuldu. Oluşturulan bu 24 adet vertebrektomi modeli, 50000, 100000 ve 1000000 devirde yorulma testi yapılmak üzere üçerli gruplara bölünerek TOBB Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünde biyomekanik testlerler yapıldı.
BULGULAR: Çalışmamızda, 50 bin, 100 bin ve 1 milyon devirlerde grade 10 ve grade 20 bloklara yaptığımız yorulma deneyleri sonrası 50 bin devirde grade 10 PEEK ve titanyum rodlarla çalışılan modellerde en yüksek sıyırma gücü değeri titanyum rod, 50 bin devirde grade 20 PEEK ve titanyum rod modellerde en yüksek sıyırma gücü değeri titanyum rod, 100 bin devirde grade 10 PEEK ve titanyum rod ile çalışılan modellerde en yüksek değer PEEK rod, 100 bin devirde grade 20 PEEK ve titanyum rod ile çalışılan modellerde en yüksek sıyırma gücü değeri titanyum rod, 1 milyon devirde çalışılan grade 10 PEEK ve titanyum modellerde en yüksek sıyırma gücü değeri titanyum rod, 1milyon devirde çalışılan grade 20 PEEK ve titanyum modellerde en yüksek sıyırma gücü değeri titanyum rod ile çalışılan bloklarda saptanmıştır. Çalışmamızda, yorulma devir sayılarını osteoporotik olan ve olmayan gruplara göre kendi içinde incelediğimizde PEEK rod ile çalışılan grade 10 bloklarda en yüksek sıyırma gücü değeri 1 milyon devir yorulmada (533.36 N) ve en düşük sıyırma gücü değeri 50 bin devir yorulmada (503.39 N), grade 20 bloklarda en yüksek sıyırma gücü değeri 1 milyon devir yorulmada (1701.88 N) ve en düşük sıyırma gücü değeri 100 bin devir yorulmada (1642.86 N) saptandı. Benzer şekilde titanyum rod ile çalışılan grade 10 bloklarda en yüksek sıyırma gücü değeri 1 milyon devir yorulmada (560.91 N) ve en düşük sıyırma gücü değeri 100 bin devir yorulmada (502.70 N), grade 20 bloklarda en yüksek sıyırma gücü değeri 50 bin devir yorulmada (1728.02 N) ve en düşük sıyırma gücü değeri 1 milyon devir yorulmada (1586.94 N) saptandı. Tüm bu veriler istatiksel olarak çalışıldığında çalışma grupları arasında anlamlı fark saptanmamıştır.
SONUÇ: PEEK ve titanyum rod ile yapılan testler sonucunda vida sıyırma gücü arasında fark saptanmamıştır. Hastalar için kullanılacak enstrümantasyon seçiminde PEEK rod ve titanyum rod arasında fark yoktur. Bizim çalışmamızda iki seviyeli vertebrektomi modeli oluşturulmuş olup, yaşlı hasta grubunda dejeneratif  bel hastalığı olan kişilerde PEEK rodların literatürde kanıtlanan dengeli yük dağılımı özelliğinden faydalanılarak dejeneratif bel hastalığı olanlarda PEEK rodlar kısa segment rijit stabilizasyona tercihen kullanılabilir. Ancak osteoporotik hastalar için daha kapsamlı çalışmalar gereklidir.
Anahtar kelimeler:  Semirijit rod (PEEK) ,  rijit (titanyum) rod, osteoporotik vertebra, vida sıyırma gücü

Abstract:
ABSTRACT
AIM: There are many studies in osteoporotic patients in which screw pulling force is investigated. Cement injectable screws are used to increase the holding power of the screws with the screws that have opening  in the body of the vertebra. The risk of leakage and toxicity of cemented screws, the difficulty of removing and revising extensible screws in the corpus during repetitive operations has prompted surgeons to seek other methods. In this study, biomechanical comparison of both systems and pulling-out strengths of screws were aimed by applying transpedical stabilization systems made of semirigid rod (PEEK) and rigid (titanium) rod to polyurethane foam blocks prepared as equivalent to osteoporotic bone densities.
MATERIALS AND METHODS: This study was carried out in the biomechanics testing laboratory of TOBB University Department of Mechanical Engineering with TUBITAK support. Fatigue tests were performed on the dynamic fatigue device 2017EMY01 designed and manufactured by Labiotech and on the Instron model 3359 mechanical tester. Test blocks were produced in Grade 10 similar to the osteoporotic trabecular bone described in ASTM F1839-08 (2016) and Grade 20 in a similar manner to healthy bone. The produced blocks were cut in 50 mm x 50 mm x 25 mm and vertebra corpus models were formed. Then, for 12 grade 10 PU blocks; Unilateral fixation was performed with 6 peek rods (group 1A) and 6 titanium rods (group 1B) and a vertebrotomy model was created for the osteoporotic group by taking ASTM F1717-15 as an example. The same procedure was also performed for grade 20 PU blocks to create a vertebrectomy model representing the solid bone. For this, a grade 20 vertebrectomy model was constructed with 6 peek rods fixed (group 2A) and 6 titanium rods fixed (group 2B). These 24 vertebrectomy models were divided into three groups for fatigue testing at 50000, 100000 and 1000000 cycles and biomechanical tests were carried out at TOBB University Department of Mechanical Engineering.
RESULTS: In our study, the fatigue tests on the grade 10 and grade 20 blocks at 50 thousand, 100 thousand and 1 million cycles was examined.  The highest peel strength  in the models operated with grade 10 PEEK and titanium rods in 50 thousand cycles was detected at titanium rod. In the case of the grade 20 PEEK and titanium rod models in 50 thousand cycles, the highest peel strength titanium rod was also detected, while in the models working with grade 10 PEEK and titanium rod in 100 thousand cycles, the highest value  was detected at PEEK rod. Although the highest peel strength value  was found  at PEEK rod in the models operated with grade 10 PEEK and titanium rod in 100 thousand cycles, the highest peel strength value  was found at titanium rod in the models working with grade 20 PEEK and titanium rod in 100 thousand cycles. In the case of grade 10 PEEK and titanium models operating at 1 million cycles, the highest peel strength titanium rod was also detected. In the case of grade 20 PEEK and titanium models operated at 1 million cycles, the highest peel strength values were determined in blocks operated with titanium rod. In our study, when we examined the fatigue cycle numbers according to osteoporotic and non-osteoporotic groups, the highest peel strength value in the grade10 blocks tested with PEEK rod was 1 million cycles (533.36 N) and the lowest peel strength was 50,000 cycles (503.39 N) In  grade 20 blocks, the highest peel strength value was found to be 1 million cycles (1701.88 N) and the lowest peel strength value was found to be 100,000 cycles (1642.86 N). Similarly, the highest peel strength value in grade 10 blocks treated with titanium rod is 1 million cycles (560.91 N) and the lowest peel strength value is 100,000 cycles (502.70 N). The highest peel strength value in grade 20 blocks is 50,000 cycles fatigue (1728.02N) and the lowest peel force value was found to be 1 million cycles (1586.94 N). When all these data were statistically analyzed, no significant difference was found between study groups.
CONCLUSION: As a result of the tests made with PEEK and titanium rod, there was no difference between screw peel strength. There is no difference between the PEEK rod and the titanium rod in selecting the instrumentation to be used for the patients. In our study, a two-level vertebrectomy model was developed and PEEK rods in degenerative waist disease with degenerative lumbar disease can be preferably used for short segment rigid stabilization by taking advantage of the balanced load distribution feature demonstrated in the literature for the PEEK rods in elderly patients. However, more extensive studies are needed for osteoporotic patients.

Key words: Semi-rigid rod (PEEK), rigid (titanium) rod, osteoporotic vertebra, screw peel strength