4- BIOMECÃNICA DO OSSO

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Introdução 
➢De acordo com Nordin e Frankel (2003) o propósito
do sistema esquelético é de proteger os órgãos
internos
➢Prover ligações cinemáticas rígidas e locais de
atamento muscular
➢Facilitar a ação muscular e o movimento corporal
➢O osso está entre as estruturas mais rígidas do
corpo humano, somente a dentina e o esmalte
dentário são mais rígidos do que o osso.
Estrutura e composição óssea 
Segundo Nordin e Frankel (2003) o tecido ósseo
é um tecido conectivo especializado e sua
composição sólida o adapta as suas funções de
suporte e de proteção.
Composição 
Células ósseas 
(osteoblastos, 
osteócitos e 
osteoclastos) 
Fibras de 
matriz orgânica 
extracelular 
Substâncias 
de base 
produzidas 
pelas células 
Alto teor de 
material orgânico 
na forma de sais 
minerais que se 
combinam 
intimamente com 
a matriz orgânica 
Nordin e Frankel (2003)
Segundo HALL (1991) o conteúdo de água no 
osso corresponde a aproximadamente 25% a 30% 
do peso total do mesmo, sendo esta água 
presente no tecido ósseo de grande importância 
para a sua resistência.
NORDIN e FRANKEL (1989) relatam que acima 
de 85% da água é encontrada na matriz orgânica, 
ao redor das fibras colágenas e ao redor dos 
cristais ósseos. 15% estão nos canais e cavidades 
as quais as células ósseas estão alojadas e 
conduzem nutrientes ao tecido ósseo.
Crescimento e desenvolvimento dos ossos
O crescimento dos ossos começa precocemente 
no desenvolvimento fetal .
O osso vivo modifica continuamente sua 
composição e sua estrutura durante a vida 
Muitas dessas mudanças representam o 
crescimento e a maturação normais do ossos.
HALL (2005) 
Crescimento longitudinal 
Ocorre ao nível das epífeses ou placas epifisárias 
As epífeses são discos cartilaginosos encontrados próximo 
das extremidades de ossos longos 
A diáfise (região central do osso) de cada epífeses produz 
continuamente novas células ósseas 
Durante ou logo após a adolescência, a placa desaparece 
e ocorre a fusão do osso, encerrando o crescimento 
longitudinal 
HALL (2005) 
Crescimento circunferencial
Ossos crescem em diâmetro durante a maior 
parte da vida
Porém o crescimento mais rápido ocorre na fase 
adulta 
HALL (2005) 
Propriedades biomecânicas do osso 
Biomecânicamente o osso pode ser visto como 
um material composto bifásico (NORDIN e 
FRANKEL, 2003)
✓ Mineral 
✓ Colágeno e substância de base
Funcionalmente, as propriedades mecânicas 
mais importantes do osso são:
✓ Resistência 
✓ Rigidez
Nordin e Frankel (2003)
As características de resistência, rigidez e 
outras estruturas do osso, podem ser mais bem 
entendidas pelos exames de seus 
comportamentos sob cargas, isto é, sob a 
influência de forças aplicadas externamente.
Cargas causam uma deformação ou uma 
mudança nas dimensões da estrutura.
Nordin e Frankel (2003)
Quando uma carga numa direção conhecida é imposta na 
estrutura, a deformação da estrutura pode ser mensurada e 
apontada em uma
CURVA DE CARGA-DEFORMAÇÃO
Muita informação sobre a resistência, a rigidez e outras 
propriedades mecânicas da estrutura pode ser obtida pelo 
exame dessa curva 
A curva de carga-deformação é útil para determinar as 
propriedades mecânicas de uma estrutura como um todo, 
tais como:
 um osso inteiro - um ligamento inteiro – um tendão – implante metálico 
Nordin e Frankel (2003)
Região elástica: revela a elasticidade de uma estrutura, isto é, sua 
capacidade para retornar a sua forma original depois que a carga for 
removida, distância entre o ponto AB do gráfico
Ponto de cedência: ponto que sinaliza o limite elástico da estrutura, 
ponto B do gráfico 
Região plástica: se a carga exceder o limite do ponto de cedência (B), 
a estrutura exibirá um comportamento plástico, refletido na segunda 
porção da curva, a estrutura não mais retornará a sua dimensão original 
quando a carga for removida, alguma deformação residual será 
permanente distância entre o ponto BC do gráfico
A quantidade de deformação permanente que ocorre, caso a estrutura 
seja forçada até o ponto D, na região plástica, e então liberada, é 
representada pela distância entre A e D
Ponto de falha final: se a carga continuar a ser progressivamente 
aumentada, a estrutura falhará em algum ponto (o osso será fraturado) 
esse ponto é indicado pela letra C
Nordin e Frankel (2003)
Fonte: Nordin e Frankel 2003.
Comportamento biomecânico do osso 
Tal comportamento do osso sofre influências de 
forças e de momentos 
O comportamento é afetado por:
✓Propriedades mecânicas
✓Características geométricas
✓Modo de como as cargas são aplicadas
✓Direção da carga
✓Razão da carga
✓Frequência da carga 
Nordin e Frankel (2003)
Comportamento ósseo sob vários modos de 
carga
Forças que atuam sobre os ossos: 
tensão ou tração – compressão - envergamento ou flexão 
deslizamento – torção – cargas combinadas 
Essas forças podem ser aplicados a uma estrutura em vária direções 
produzindo:
Tensão ou tração: cargas iguais e opostas são aplicadas na direção 
externa à superfície da estrutura, e estresse e deformação de tensão 
resultam dentro da estrutura 
 
Nordin e Frankel 
(2003)
Compressão: cargas iguais e opostas são 
aplicadas na direção interna à superfície da 
estrutura, e estresse e deformação compressivas 
resultam dentro da estrutura 
Nordin e Frankel (2003)
Envergamento ou flexão: as cargas são 
aplicadas na estrutura, de modo que causam o 
envergamento da estrutura em um eixo, estando 
sujeito à combinação de tensão e compressão 
Nordin e Frankel (2003)
Deslizamento: durante a aplicação de cargas 
tangenciais, a carga aplicada é paralela à 
superfície da estrutura e o estresse e a 
deformação tangenciais resultam dentro da 
estrutura 
Nordin e Frankel (2003)
Torção: carga aplicada na estrutura num modo 
que causa à estrutura um giro em torno de um 
eixo, e um torque (ou momento) é produzido 
dentro da estrutura 
Cargas combinadas: é a somatória de 2 cargas 
aplicadas ao osso de maneira em que ambas 
atuam de maneira simultânea 
 
Nordin e Frankel (2003)
Taxa de deformação-dependência no osso 
Segundo Nordin e Frankel (2003) uma vez que o osso é material 
viscoelástico, seu comportamento biomecânico varia com a razão 
na qual é carregado (isto é, razão na qual a carga é aplicada ou 
removida).
Características da taxa de deformação-dependência no osso 
O osso é mais resistente e sustenta carga maiores à falha 
quando as cargas são aplicadas em altas razões 
O osso também armazena mais energia antes de falhar em altas 
razões de carga, desde que estas razões estejam dentro de um 
alcance (nível) fisiológico.
In vivo, deformações diárias podem variar consideravelmente. De 
acordo com Keaveny e Hayes (1993), quando as atividades se 
tornam mais extenuantes, a razão de deformação aumenta.
 Nordin e Frankel (2003)
O osso é aproximadamente 30% mais forte em 
caminhada vigorosa do que em caminhadas 
lentas. Já no impacto traumático, osso se torna 
mais quebradiço 
Nordin e Frankel (2003)
Fraturas de osso 
Clinicamente as fraturas ósseas se enquadra em 
3 categorias gerais baseadas na quantidade de 
energia liberada na fratura:
✓Fratura de baixa energia: fraturas simples (ex. 
torções) 
✓Fratura de alta energia: é uma fratura de alta 
energia (ex. acontece em acidentes 
automobilisticos) 
✓Fratura de energia muito alta: produzidas por 
velociodade muito alta (ex. disparo de uma arma 
de fogo) 
 
Nordin e Frankel (2003)
Fadiga do osso sob cargas repetitivas 
Fraturas ósseas podem ser produzidas por uma simples carga 
que excede a resistência final do osso ou por repetidas 
aplicações de uma carga de mais baixa magnitude. 
Uma fratura causada por repetidas aplicações é chamada de 
fratura por fadiga 
é tipicamente produzida por algumas repetições de alta carga 
quanto por muitas repetições de cargas relativamente normal 
Nordin e Frankel (2003)Inter-relação de carga-repetição é representada na curva 
de fadiga 
Nordin e Frankel (2003)
Para McLEOD, BAIN e RUBIN (1990) apud GRABINER 
(1993) os estímulos mecânicos de alta frequência são mais 
osteogênicos que os estímulos de baixa frequência de 
idêntica amplitude.
Modelagem e remodelagem óssea 
O osso tem a habilidade de remodelar-se alterando seu 
tamanho, forma e estrutura, para suportar as demandas 
mecânicas impostas a ele (Buckwalter et al., 1995).
Esse fenômeno no qual o osso perde ou ganha tecido 
ósseo esponjoso ou cortical em resposta ao nível de 
estresse sustentado, é sumarizado como Lei de Wolff, o 
qual enuncia que a remodelação do osso é influenciada 
pelo estresse mecânico (Wolff, 1892). 
Portanto a Lei de Wolff indica que a resistência dos 
ossos aumenta e diminui à medida que aumentam e 
diminuem as forças funcionais que atuam sobre o osso. 
(Hall, 2005). 
As cargas mecânicas acarretam:
 
deformações ou compressão dos ossos
 com as cargas maiores produzindo níveis mais 
altos de compressão.
Frankel e Nordin (2001), apud Hall (2005)
Modelagem 
Quando a compressão ultrapassa um limiar de modelagem
ocorre o processo de modelagem óssea, com aumento na massa e 
na densidade dos ossos 
Remodelagem 
Quando as magnitudes da compressão permanecem abaixo de um 
menor limiar de remodelagem
ocorre a remodelagem óssea, com remoção do osso próximo a 
cavidade medular 
Frankel e Nordin (2001), apud Hall (2005)
A carga no esqueleto pode ser executada pela atividade 
muscular ou pela gravidade, existindo uma correlação 
positiva entre a massa do osso e a do corpo.
Fatores de ganho de massa óssea ou hipertrofia óssea 
Corpo pesado tem sido associado com uma massa óssea 
maior (Exner et al., 1979).
Atividade física regular 
Atletas de alto nível
Forças ou cargas executadas no dia a dia (AVD’s)
Portanto hipertrofia óssea aumento na massa óssea que 
resulta de certa predominância da atividade osteoblástica 
Obs. Todos esses fatores citados acima contribuem para 
um aumento na mineralização óssea. 
HALL (2005) 
Fatores de perda de massa óssea ou atrofia óssea
Prolongada condição de ausência de peso (Rambaut e 
Johnston, 1979; Whedon, 1984) 
Desuso 
Inatividade (Krolner e Toft, 1983)
Repouso absoluto na cama (Jenkins e Cochran, 1969) 
Imobilização total ou parcial 
Um implante que permanece intimamente ligada ao osso 
Placa fixada ao osso com parafusos 
Portanto atrofia óssea redução na massa óssea que resulta 
do predomínio da atividade osteoclástica 
Obs. Todos estes fatores citados acima tem apontado um 
declíneo na massa óssea nos ossos de sustentação de peso 
por uma rápida perda de cálcio
A atividade dos músculos sobre os ossos 
Quando o osso é carregado in vivo, as 
contrações dos músculos nele inseridos alteram a 
distribuição de estresse no osso 
As contrações musculares diminuem ou eliminam 
o estresse de tensão no osso pela produção de 
estresse compressivo que neutraliza o osso de 
tensão, parcial ou totalmente 
HALL (2005) 
Um exemplo desta contribuição da musculatura na proteção de estresses 
que poderiam ser lesivos ao osso, está na figura abaixo que representa 
uma perna inclinada anteriormente sobre o tornozelo, sujeitando a tíbia a 
uma momento flexor.
O alto stress tênsil é produzido na face posterior da tíbia e o alto stress 
compressivo atua na face anterior.
A contração do tríceps sural produz um grande stress compressivo na face 
posterior neutralizando o grande stress tênsil protegendo assim a tíbia de 
uma fratura em tensão.
Nordin e Frankel (2003)
Outro exemplo bem próximo do slide anterior ilustra um fêmur 
sobre o qual o estresse proporcionado pelo peso corporal é aplicado. 
Quando o joelho está estendido (figura a) a área de superfície dos 
momentos é retangular, 
Na (figura b) apresenta-se na forma de um triângulo 
Já na (figura c) verifica-se que ao flexionar mais o joelho e 
deslocar a carga anteriormente a linha de ação atua sobre os dois 
ossos em direções opostas.
Ocorrem mudanças degenerativas nos ossos 
associadas ao envelhecimento, por isso uma perda 
progressiva de densidade óssea tem sido 
observada como parte normal do processo de 
envelhecimento. Onde a trabécula longitudinal se 
torna mais fina e algumas das trabéculas 
transversas são absorvidas (Siffert e Levy, 1981). E 
o resultado é uma marcada redução na quantidade 
de osso esponjoso e o afinamento do osso cortical , 
reduzindo sua resistência e rigidez 
Bibliografia 
HALL, S.: Biomecânica Básica. Editora 
Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, (2005). 
FRANKEL, V.H.; NORDIN, M.: Biomecânica 
básica do sistema musculoesquelético. Editora 
Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, (2003).
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