ASPECTOS BIOLÓGICOS Y MECÁNICOS DE LA INTER-FASE CLAVO-HUESO EN FIJACIÓN EXTERNA(¿POR QUÉ SE SUELTAN LOS CLAVOS DE FIJACIÓN?).

J. M. Martí.

RESUMEN.

La longevidad y durabilidad de los clavos de fijaciónexterna está íntimamente relacionada con losacontecimientos biológico-mecánicos que ocurren anivel de la interfase entre el metal y el hueso. Lainserción del clavo produce un daño óseomicroestructural al que el hueso responderá de unamanera variable, dependiente de la gravedad y tipode la lesión. La pérdida prematura de anclaje delclavo, la complicación más frecuente de los fijadoresexternos, es la consecuencia lógica de la respuestabiológica del hueso a la inserción traumática delmetal. Este artículo pretende analizar y revisar losdistintos factores que contribuyen a la resorción óseaalrededor del clavo, con el fin de evitar la citadacomplicación en la medida de lo posible.

Palabras clave: Interfase clavo-hueso; Daño óseomicroestructural; Fijación externa.

INTRODUCCIÓN.La pérdida prematura de anclaje sólido del

clavo de fijador externo al hueso y la morbilidadque esto conlleva son las complicaciones más fre-cuentes del uso de fijadores externos. en cirugíaveterinaria (1-3). La respuesta biológica del huesoal daño térmico y mecánico producido por lainserción del clavo influye de manera significativaen la calidad del tejido en el que el clavo se anclay determina la longevidad del implante. Existendiversos factores a considerar al estudiar la esta-bilidad a largo plazo del clavo, entre otros el dise-ño de la punta del clavo, la presencia o ausenciade rosca, su diseño, la superficie del metal, la téc-nica de inserción del clavo y las características delhueso. La importancia relativa de estos factoreses, a veces, difícil de cuantificar por separado. Elpropósito de este artículo es proporcionar unarevisión actualizada de la influencia de estos fac-tores en la interfase hueso-clavo y en el rendí-

Residente Jefe en Cirugía de Pequeños Animales.College of Veterinary Medicine.4700 Hillsborough Street, Raleigh.North Carolina 27606.EE.UU.

ABSTRACT.

The durability and longevity of externaI skeletalfíxatíon pins is intimately related to biologic andmechanic factors, which occur at the pin-boneinterface. Pin insertion produces a microstructuralbone damage to which bone will respond in avariable manner, depending on the severity and typeof insult. Premature pin loosening, the most commoncomplication of external fixation, is the logicalconsequence of the biological response of bone tothe traumatic insertion of the metal. This articleintends to analyze and review the different factorsthat contribute to bone resorption around the pin, inorder to avoid the abovementioned complication asmuch as possible.

Key words: Pin-bone interface; Microstructural bonedamage; External fixation.

miento a largo plazo de los clavos de fijadorexterno, con el fin de minimizar las citadas com-plicaciones en nuestro uso diario de la fijaciónexterna.

RESPUESTA ÓSEA A LAINSERCIÓN DEL CLAVO.

Daño mecánico.Los clavos de fijador están sometidos a consi-

derable estrés mecánico, en ocasiones muchomayor que un tornillo en una placa de osteosínte-sis. Esto es debido a varias causas, entre otras, laausencia de fuerza de tensión estática producidaspor el acoplamiento entre la placa y el tornillo, yel mayor brazo de palanca de los clavos de fijadordebido a la distancia entre las rótulas y la interfa-se clavo-hueso (4). Además, la fijación externa se

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Aspectos biológicos y mecánicos de la interfase clavo-hueso en fijación externa. J.M. Marti. Clínica Veterinaria de Pequeños Animales. (Avepa) Vol. 18, n.!:!1, 1998.

Fig. 1. La pérdidadel anclaje sólido delos clavos es la com-plicación más fre-cuente en nuestrouso diario de la fija-ción externa. Éstees un ejemplo extre-mo: la pérdida deagarre total y ladesestabilización delcuadro de fijador.

usa comúnmente en fracturas complicadas en lasque la reconstrucción anatómica ósea es imposi-ble y, por lo tanto, en las que el fijador es res-ponsable de neutralizar en solitario todas lasfuerzas del apoyo durante un largo periodo decicatrización. En clavos insertados en zonasóseas cubiertas por considerable tejido blando, elconstante movimiento de músculos y piel alrede-dor del implante induce una reacción inflamato-ria crónica en los tejidos adyacentes que facilitala colonización bacteriana e infección locales. Lainfección ósea alrededor del clavo favorece,debido a la consecuente resorción ósea, la pér-dida prematura de anclaje del clavo (1-5). La inci-dencia de este problema y la morbilidad asocia-da se reducen considerablemente en clavoscolocados en los llamados "pasillos seguros",zonas anatómicas óseas con cobertura muscularmínima. Estas zonas han sido descritas tanto enortopedia humana (5), como en veterinaria (6-7).

Para reducir la fricción entre el clavo y los tejidosadyacentes, especialmente en clavos insertadosen zonas con abundante cobertura muscular,algunos autores recomiendan el vendaje com-presivo continuo alrededor del clavo. Esto seconsigue colocando unas gasas entre la piel y labarra conectora, con el fin de comprimir e inmo-bilizar los tejidos blandos durante la cicatrizaciónósea. Esta técnica conlleva los beneficios añadi-dos de la reducción de la supuración y menormorbilidad del paciente, pero requiere más tiem-po y atención para el cambio periódico de losvendajes.

Aunque la mayoría de los estudios destinados ainvestigar la reacción tisular a la inserción deimplantes metálicos han sido llevados a cabo contornillos, la misma reacción biológica se puedeesperar de clavos de fijador externo. El calloperióstico y endóstico se desarrolla alrededor delclavo en el espacio de dos semanas, cicatrizando lasinevitablesmicrofracturas producidas por la insercióndel clavo. En condiciones de estabilidad, célulasmesenquimatosas llenan los espacios entre el huesoy el metal, se diferencian en células con capacidadosteogénica (8) y producen material óseo en unascuatro semanas. Entre las cuatro y seis semanas y enadelante, el callo óseo producido se remodela y sereduce a medida que el hueso cortical madura. Endefinitiva, es de esperar que todas las microfracturascicatricen si existe suficiente microestabilidad (9). Porotra parte, si las fuerzas a las que los implantesestán sometidos sobrepasan su capacidad mecá-nica y la estabilidad en la interfase no es total, ladiferenciación celular descrita anteriormente noes posible y el tejido resultante es fibroso en vezde óseo. Esta acumulación de tejido de granula-ción alrededor del clavo resulta en una mayorinestabilidad local que, a su vez, impide la forma-ción de tejido óseo sólido cerrando así el círculovicioso. El resultado es la pérdida de interfase deanclaje sólido entre el hueso y el clavo, traducibleclínicamente en morbilidad, pérdida de apoyo,irritación tisular y supuración constante alrededordel clavo, y la puesta en peligro de la estabilidadgeneral del fijador (Fig. 1). Esto hace que losdemás clavos del cuadro se sobrecarguen mecáni-camente, posiblemente desencadenando el mis-mo problema de resorción ósea peri-implante ycomprometiendo la estabilidad general del cuadroy la cicatrización de la fractura.

Daño térmico.La temperatura alcanzada en el hueso durante

la penetración del clavo del fijador está íntimamen-te ligada a varios factores mecánicos como el dise-ño de la punta del clavo (1O-1l), la presencia y tama-ño del agujero piloto (12), la presión y velocidad detaladro (13-14), entre otros. Los osteocitos y la matrizorgánica ósea sufren necrosis irreversible a tempe-raturas mayores de 55 "C (15), aunque es posiblecausar daño óseo térmico a temperaturas tan bajascomo 47 "C (16), lo cual conlleva la pérdida acelera-da de anclaje. La irrigación natural del metal duran-te la inserción limita la temperatura máxima alcan-zada en el hueso cortical, pero el beneficio globalde esta práctica es cuestionable (15). La refrigera-

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Fig 2. De arriba a abajo: clavo de Ellis (rosca negativa); clavo parcialmenteroscado, terminal (rosca positiva, de esponjosa); clavo parcialmente roscado,central (rosca positiva, cortical); clavo parcialmente roscado, central (roscapositiva, de esponjosa).

ción del metal previa a la inserción no parece seruna solución muy efectiva o práctica, ya que sóloreduce el daño óseo en la primera cortical (17). Lamedición de temperatura ósea en condicionesde experimentación, sobre todo si se realizacomo cálculo indirecto a partir de la temperatu-ra de la punta del clavo, es sólo una aproxima-ción a la realidad y una extrapolación exacta noes posible (10). Otros factores, como la tempera-tura inicial del hueso y el efecto lubricante y tér-mico de la sangre circulante son difíciles dereproducir experimentalmente y su efecto, difícilde cuantificar.

FACTORES QUE INFLUEN-CIAN LA INTERFASE CLAVO-HUESO.

Diseño del clavo.TIpos de clavo de fijador externo.

Existen diversos tipos de clavos de fijador en elmercado y sus características físicas y de rendimien-to varían enormemente dependiendo de su diseño(Fig. 2). Los clavos pueden ser clasificadosen no ros-cadosllisos (clavos o agujas de Kirschner) o rosca-dos. Estos últimos pueden ser parcialmente rosca-dos, con la rosca presente en el centro o en elextremo del clavo, o totalmente roscados, con unalongitud mayor de rosca en el extremo del clavo.Dependiendo del tipo de perfil de rosca, los clavosroscados pueden subclasificarse en clavos con roscade perfil positivo (cuando la rosca está construidasobre el clavo y su diámetro es mayor del diámetro

del clavo) o clavos con rosca negativa (en los que larosca está cortada a expensas del vástago del clavo).Los clavos con rosca, especialmente de rosca

positiva, son más costosos que los lisos y, por lotanto, mucho menos frecuentemente usados en lapráctica veterinaria. La presencia, en los clavos derosca negativa, de una transición brusca entre laparte roscada y la no roscada, con una reduccióndel diámetro interno en este punto, predispone ala fractura del implante (18-19). Los clavos roscadosy no roscados pueden ser utilizados en combina-ción dentro del mismo cuadro de fijador externo,para obtener el beneficio mixto de la fijación rígi-da proporcionada por los clavos roscados y elbajo costo de los no roscados (1).

Los clavos sin rosca dependen para su fijaciónde la fricción entre el metal y el hueso que lorodea. El hueso no es un material totalmente rígi-do, sino que posee la propiedad de la viscoelasti-cidad, es decir, que su capacidad para absorberenergía depende de la velocidad de aplicación dela fuerza. Gracias a esta deformabilidad relativa, elhueso ejerce una fuerza compresiva radial hacia elclavo, cuando éste es insertado sin orificio pilotoprevio o cuando este orificio piloto es de menordiámetro que el del clavo. Este fenómeno, cono-cido como precarga radial, se caracteriza por unafuerza centrípeta dirigida desde el hueso hacia elclavo, con vectores de fuerza de igual magnitud entodas las direcciones y que contribuye a la estabi-lidad del implante (20). No se conoce con exactitudla relación óptima entre el diámetro del orificiopiloto y el del clavo no roscado para optimizar laprecarga radial sin incurrir en un daño microes-tructural óseo excesivo. El hueso, como materialbiológico, puede deformarse hasta un 2% sinmicrofracturas, y este dato ha sido utilizado poralgunos investigadores como punto de referenciapara determinar la máxima diferencia recomen-dable entre el diámetro del orificio piloto y el delclavo (21). La importancia exacta de la precargaradial para la fijación de los clavos roscados esdesconocida, pero diversos estudios han probadola necesidad de un orificio piloto para evitar undaño macro y microestructural óseo excesivo(12,14,22) (Fig. 3).

Diseño de la punta del clavo.

La mayoría de los clavos de fijador externo enel mercado veterinario están equipados con unapunta de trocar, caracterizada por tres o cuatrocaras planas de igual superficie, con un ángulo deinclinación variable. Existen otros tipos de puntas,

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Fig 3. La introducción de clavos roseados sin agujero piloto lleva a un dañoóseo excesivo.

como la punta de bayoneta (con sólo dos caras),la de media-broca (con una cara ocupando lamitad del diámetro del clavo) y varias modificacio-nes, todas diseñadas para una relativamenteatraumática y eficiente introducción del clavo.Desde un punto de vista mecánico, la diferenciaclave entre todas estas puntas y una punta debroca de taladro es su carencia de acanaladuraspara la eliminación del material óseo taladrado. Lapunta de trocar carece de tales surcos para la eli-minación de los fragmentos y material óseo calien-tes que resultan del avance del clavo en la corticaldel hueso, lo cual provoca la impactación de estematerial entre la punta de avance y el nuevo huesoa perforar. Esto conlleva un daño térmico y mecá-nico al hueso que va a estar en íntimo contactocon el clavo tras su inserción y provoca una res-puesta biológica no deseable de resorción óseapost-traumática. Sin embargo, se ha sido demos-trado que los clavos lisos con punta de trocar tie-nen mayor resistencia a la extracción, a pesar desu excesivo daño térmico, debido a su deficientecapacidad cortante, aumentando de este modo laprecarga radial (13). Es, por lo tanto,. obvio queexiste una incompatibilidad entre las característi-cas ideales de una punta de taladro eficiente y lasque maximicen la precarga radial. Es por esto quedistintos investigadores han recomendado desdehace años la perforación previa de un agujeropiloto, de menor diámetro que el del clavo aintroducir, para minimizar el daño óseo térmico ymecánico (2,12,14,22). Una modificación de la puntade trocar, en la que las caras son cóncavas enlugar de planas para facilitar el drenaje de mate-rial óseo al taladrar, ha sido recientemente inves-tigada en clavos lisos (11). En este estudio, la puntade trocar modificada produjo temperaturas másbajas en la punta de los clavos en comparación

con la punta de trocar no modificada, pero tam-bién redujo la capacidad de anclaje del clavo. Estoúltimo es debido a que su mayor capacidad tala-dradora produce un agujero óseo mayor que lapunta de trocar y, por lo tanto, reduce la precar-ga radial del hueso hacia el clavo.

Diseño de la rosca.Numerosos estudios biomecánicos han proba-

do la superioridad de la rosca positiva frente a lanegativa en pruebas de resistencia a la extracciónaxial del clavo tanto inmediatamente tras su inser-ción como tras unas semanas (2,22). Además, losclavos con rosca positiva son menos susceptiblesa doblarse en la unión entre la parte roscada y lano roscada ya que no existe una reducción de diá-metro en el vástago. Un claro impedimento deluso rutinario de clavos roscados en la prácticaveterinaria diaria es su alto costo comparando conclavos lisos. Dependiendo del tipo de rótulas utili-zadas, la colocación de mas de dos clavos rosca-dos en el mismo cuadro de fijador puede ser pro-blemática, ya que la parte roscada del clavo nopasa por el agujero de la rótula destinado a laparte no roscada.Otros factores en el diseño de la rosca, como la

proporción relativa del diámetro externo (amplitudmáxima de la rosca) e interno (diámetro del vásta-go), también considerado como la profundidad derosca, influencian considerablemente sus caracte-rísticas mecánicas. El diámetro interno determinaprincipalmente la resistencia al doblamiento delclavo, pero no tiene una influencia importante ensu resistencia a la extracción axial (4). Como es fácilde entender de manera intuitiva, la profundidad dela rosca es el factor que más influencia tiene en lacapacidad de agarre del implante en el hueso, yaque la resistencia a la extracción axial es directa-mente proporcional al área del cilindro de huesoen el que se ancla la rosca (25).

El paso de rosca (la distancia entre dos crestasde rosca consecutivas) determina el número decrestas que se anclan en hueso en un determina-do grosor de cortical. La reducción del paso incre-menta la superficie de contacto entre el metal y elhueso y, por lo tanto, incrementa la capacidad deanclaje de cualquier implante roscado (26). Sinembargo, el uso de roscas con crestas más sepa-radas y profundas es necesario en materialesmenos densos, como el hueso esponjoso, paraque la rosca pueda anclarse en una cantidad sufi-ciente de hueso (27).

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Tipo de hueso.

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Superficie del clavo.Con el fin de producir una integración del

implante en el hueso que le rodea y así evitar lapérdida prematura del anclaje, se han investigadodiferentes formas de revestir la superficie del me-tal con materiales que promuevan el crecimientoóseo. En el campo veterinario, el titanio ha sidoinvestigado como revestimiento de clavos lisos enun modelo crónico de fractura en perros (28). Losclavos revestidos mostraron una mayor resistenciaa la extracción que los no-revestidos, ocho sema-nas después de la cirugía, pero no se pudo deter-minar si la diferencia era debida al crecimientoóseo en el implante o a la mayor fricción propor-cionada por el titanio. Otros materiales, como lahidroxiapatita, se utilizan rutinariamente paraproducir la osteointegración de prótesis de caderano cementadas y ha sido también utilizada pararevestir otros implantes ortopédicos, incluyendotornillos y clavos de fijación externa (29).

Técnica de inserción.La inserción manual completa del clavo de fija-

dor está inevitablemente asociada a un considera-ble daño mecánico debido a la imposibilidad físicadel cirujano de mantener el clavo en el eje inicial deinserción durante todo el proceso (2,27). A medidaque el cirujano se fatiga, la colocación atraumáticade los implantes restantes se hace más difícil.La velocidad de taladro es un factor importante

en la generación de altas temperaturas en huesoy está íntimamente asociada a la presión al tala-drar. La temperatura alcanzada en hueso corticalse eleva considerablemente y sobrepasa a menu-do el límite tolerable cuando se utilizan altas velo-cidades (700 rprn), comparadas con bajas veloci-dades (300 rpm) (2,14). La mayoría de clínicasveterinarias en las que se practica un númeromínimo de cirugías ortopédicas, poseen un tala-dro de marquetería eléctrico o de batería recarga-ble que sirve adecuadamente, salvadas las precau-ciones de esterilidad, como sustituto económicode los costosos taladros de aire comprimido. Lagran mayoría de estos taladros eléctricos dispo-nen de velocidades de taladro muy superiores a700 rpm y, en ocasiones, esta velocidad no esfácilmente regulable con el gatillo. Por lo tanto, esrecomendable el uso de un taladro con distintasposiciones de regulación de velocidad, con el finde evitar el sobrecalentamiento del hueso comoresultado de su rápida fricción con el metal.

Las características físicas del hueso afectan con-siderablemente la resistencia a la inserción yextracción de cualquier implante metálico. Elhueso cortical ofrece una mayor capacidad deanclaje para un implante roscado que el huesoesponjoso, capacidad que se incrementa demanera lineal con el incremento del grosor de lacortical (30). Los dos tipos de hueso, cortical (diafi-sario) y esponjoso (metafisario), presentes en hue-sos largos ofrecen distintas características de den-sidad y dureza, y la proporción relativa de cadatipo en una zona ósea determinada es tambiénvariable entre huesos. Por ejemplo, la tibia caninaes notoria por poseer una cortical muy delgada ensu metáfisis proximal comparada con el resto delhueso (31) y, por lo tanto, los clavos insertados enla diáfisis tibial ofrecen mayor resistencia a laextracción que los metafisarios (23). Por el contra-rio, el grosor cortical en el radio canino es muyhomogéneo y la posición del clavo en el hueso noparece influenciar excesivamente sus característi-cas mecánicas (22).

CONCLUSIONES YRECOMENDACIONESGENERALES.1. Evitar la inserción manual o a máquinadel clavo sin orificio piloto. Aunque eltamaño ideal del orificio piloto en relación conel diámetro de cada clavo no está bien estudia-do, la presencia de un agujero de, por lomenos, el 75% del diámetro del clavo es reco-mendable para los clavos sin rosca y clavos conrosca negativa. En el caso de clavos roscados,usar un agujero piloto de, por lo menos, el75% del diámetro del vástago.

2. Controlar la velocidad y la presron deltaladro. Incluso con la utilización de un orifi-cio piloto previo, es recomendable no sobre-pasar las 300 rpm, con una presión modera-da, para no producir daño térmico excesivo enel hueso.

3. Usar clavos roscados de manera limitaday calculada. Su colocación en zonas clave(tibia proximal) asegura una fijación rígida enun área difícil, y su uso, en combinación con

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de inserción. En caso de duda sobre la rigidezde la fijación, colocar una segunda barraconectora. Esta simple medida duplicará prác-ticamente la rigidez del cuadro y puede ser uti-lizada en cualquier situación para reforzar uncuadro unilateral y evitar la necesidad de cua-dros bilaterales.

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clavos no roscados en el mismo fijador, limitael costo del material utilizado. Gracias a susuperior anclaje y rigidez, el uso de clavos ros-cados evita, en una gran mayoría de casos, lanecesidad de construir cuadros bilaterales oexcesivamente complicados. Esto conllevaobvias ventajas de reducción del daño iatrogé-nico de los tejidos blandos adyacentes.

4. Evitar inserción de clavos en zonascubiertas de músculo. La colocación de cla-vos en pasillos seguros (cara medial de la tibiay el radio) reduce la morbilidad del paciente, laincidencia de infección ósea alrededor delclavo y de pérdida prematura de anclaje y ase-gura el buen uso de la extremidad durante lacicatrización ósea.

5. Usar un mínimo de tres clavos sólidospor fragmento principal. Siempre que elcuadro de fijador no sea incómodamente com-plicado o interfiera con la musculatura, el usode un cuadro excesivamente rígido no conllevaninguna desventaja. Utilizar clavos suficiente-mente gruesos, pero cuyo diámetro nuncaexceda el 30% del diámetro óseo en el punto

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6. Utilizar clavos con punta de trocar. Estediseño, simple y económico, posiblementeproporciona el equilibrio más adecuado entrela deseada precarga radial y el no deseadodaño térmico. Otros tipos de puntas conmayor capacidad, como las brocas, reducen eldaño microestructural y térmico pero tambiénreducen considerablemente la precarga radial,disminuyendo el poder de anclaje en clavoslisos. Además, el uso rutinario del agujeropiloto elimina la necesidad de una punta conbuenas características taladradoras. En cirugíaveterinaria, donde el coste del material es máslimitado que en otras disciplinas, cualquierotro diseño de punta de clavo tendrá quedemostrar su superioridad global en la rela-ción ventajas/coste con respecto a la punta detrocar.

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