Biomecanica_Aula_05_Biomecanica_tecidos_osseos

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21/03/14	
  
1	
  
Aula	
  5	
  
Biomecânica	
  do	
  	
  
Tecido	
  Ósseo	
  
	
  
	
  
Prof.	
  Me.	
  Maurício	
  A.	
  Luz	
  Jr.	
  
mauricio_luz@hotmail.com	
  
Veja 04/1996 
21/03/14	
  
2	
  
Matriz orgânica (cálcio, fosfato, colágeno): 60 a 70% 
Água: 25 a 30% 
Tecido	
  Ósseo	
  
 
–  Suporte mecânico 
–  Locomoção 
–  Proteção para órgãos 
internos 
–  Ponto para fixação muscular 
–  Medula óssea – vértebras, 
fêmur e crista ilíaca 
Você sabia? 
 
Os ossos constituem cerca de 
16% da massa corporal total 
Funções	
  
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3	
  
Diferentes formas 
Diferentes tamanhos 
 
Forma e tamanho são determinadas pelas cargas mecânicas 
 
Ossos longos e “ocos” 
Ossos curtos e “sólidos” 
 
Ossos com formato não comparável a outros objetos. 
Anatomia	
  Óssea	
  
Basicamente, as características de sobrecarga 
e uso definem o formato dos ossos 
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4	
  
Coluna	
  Vertebral	
  
Forma	
  dos	
  Óssos	
  
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5	
  
Diáfise – corpo 
Epífise – extremidades 
Placa/linha Epifisal– região de 
crescimento 
Artérias Nutrientes– medula e osso 
compacto 
Arquitetura	
  dos	
  Ossos	
  Chatos	
  
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6	
  
Cortical ou compacto 
 - córtex do osso 
 - estrutura densa 
 - resistente a deformação 
Trabecular ou esponjoso 
 - interno ao cortical 
 - estrutura de malha frouxa 
 - espaços intersticiais 
 preenchidos com medula óssea 
Arquitetura	
  Óssea	
  
cortica
l 
trabecu
lar 
Nutrição	
  Óssea	
  
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7	
  
C
om
pr
es
sã
o 
Te
ns
ão
 
C
is
al
ha
 
Es
tr
es
se
 (M
pa
) 
200 
150 
100 
50 
Te
ns
ão
 
C
om
pr
es
sã
o 
Cortical 
Trabecular 
Força	
  e	
  dureza	
  do	
  Tecido	
  Ósseo	
  
Força e dureza (cortical mais resistente) 
Anisotropia (diferentes respostas a cargas em diferentes direções) 
Viscoelasticidade (diferentes respostas de acordo com a velocidade) 
Resposta elástica (absorção do impacto – deformação) 
Resposta plástica (mudança na forma – micro-rupturas) 
Piezoeletricidade (campo elétrico atrai ou repele moléculas do plasma, 
o que participa no fortalecimento da estrutura) 
 
CaracterísHcas	
  Biomecânicas	
  
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8	
  
Lei de Roux: A orientação do sistema trabecular depende 
da direção das forças 
CaracterísHcas	
  Biomecânicas	
  
Osso normal 
Implante metálico 
Gafaniz et al 2007 
Pressão	
  sobre	
  o	
  Femur	
  
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Características mecânicas dos ossos 
 
Tensão (stress) - σ = F/A 
 
Deformação (strain) - ε = (L-L0)/L0 
 
Elasticidade 
Sem carga 
Comprimento 
Diâmetro 
Sobrecarga	
  Mecânica	
  
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10	
  
–  Lei de Hooke –” Tensão é 
proporcional à deformação” 
 
–  Não-Hookeano – não 
responde de forma linear à 
aplicação de carga. 
ca
rg
a 
deformação 
inclin = módulo de 
elasticidade 
Displacement	
(strain)	
Fo
rc
e	
(st
re
ss)
	
 Elastic material	
Displacement	
(strain)	
Non elastic material	
Fo
rc
e	
(st
re
ss)
	
Robert Hooke (1635-1703) 
Comportamento	
  Mecânico	
  
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11	
  
Quando	
   submeAdo	
   a	
   uma	
   carga,	
   o	
   osso	
   deforma-­‐se	
   na	
  
busca	
  de	
  absorção	
  de	
  impacto	
  e	
  energia	
  
Essa	
  deformação	
  aAnge	
  cerca	
  de	
  3%	
  do	
  comprimento	
  
Deformação 
C
ar
ga
 
Região elástica 
Deformação 
Resposta	
  ElásHca	
  
•  Após	
   o	
   ponto	
   de	
   deformação,	
   ocorrem	
   micro-­‐rupturas	
   no	
  
tecido	
  e	
  o	
  osso	
  experimenta	
  uma	
  fase	
  plásAca	
  
•  Com	
  isso,	
  ao	
  remover-­‐se	
  a	
  carga,	
  o	
  osso	
  não	
  retorna	
  mais	
  a	
  
sua	
  forma	
  original	
  
Deformação 
Es
tr
es
se
 (c
ar
ga
) 
Fratura / falha 
Região plástica 
Resposta	
  PlásHca	
  
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12	
  
•  Diminuição com a 
idade 
•  Diferença entre 
ossos e regiões do 
corpo 
Resistência	
  a	
  Falha	
  
Envelhecimento	
  
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13	
  
Diferentes	
  respostas	
  a	
  
diferentes	
  
velocidades	
  de	
  
aplicação	
  de	
  carga	
  
ViscoelasHcidade	
  
Diferentes respostas 
a cargas aplicadas em 
diferentes direções 
Anisotropia	
  
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14	
  
•  Como os ossos resistem por tanto tempo ao 
longo da vida? 
•  Qual é o processo que determina essa 
resistência ? 
Remodelação	
  Óssea	
  
Remodelagem e depósito ósseo 
 
Cargas mecânicas 
Intermitentes 
 
Reabsorção > depósito: osteoporose 
Miosite ossificante ~ calcificação precoce 
 
Ação de: 
Osteócitos - mineralização 
Osteoclastos – digerem matriz 
Osteoblastos - reconstroem 
Vídeo 
 
Remodelagem 
óssea 
Modelação	
  e	
  remodelação	
  
Óssea	
  
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15	
  
 
P Osteoblasto - célula óssea responsável pela produção de 
tecido ósseo 
P Osteoclasto - célula óssea responsável pela reabsorção 
de tecido ósseo 
P Osteócito - osteoblastos envolvidos pela própria matriz 
que produziram. 
 
Processo	
  de	
  remodelação	
  Óssea	
  
Modelação	
  e	
  remodelação	
  
óssea	
  
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16	
  
Humanos: levam de 3 a 4 meses para completar Um 
ósteon 
4 º É realizado o preenchimento das lamelas 
concentricamente, apresentando enchimento 
cônico da cavidade. 
3º Surgem osteoblastos, começam a 
depositar uma junção osteóide (pré-
osso), que mineraliza. 
2º -Inversão de 1 a 2 dias: Células mononucleares 
revestem a parede cavitária em pequena 
extensão 
1º - Osteoclastos reabsorvem / alargam 
cavidade 
Fisiologia	
  da	
  consolidação	
  da	
  fratura	
  
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17	
  
•  Fratura	
  
•  Hematoma	
  (vasos	
  rompidos)	
  
•  Fluxo	
  sanguíneo	
  interrompido	
  
•  Formação	
  de	
  um	
  calo	
  mole	
  
•  Preenchimento	
  a	
  parte	
  fraturada	
  
•  Osteoclastos	
  digerem	
  as	
  
estruturas	
  mortas	
  
•  Forma	
  o	
  calo	
  ósseo	
  (dá	
  
estabilidade)	
  
•  AAvidade	
  dos	
  osteoblastos	
  
•  Consolidação	
  do	
  osso	
  novamente	
  
•  Ação	
  dos	
  osteoclastos	
  para	
  
reduzir	
  o	
  calo	
  ósseo	
  que	
  ficou	
  
Quando	
  a	
  resistência	
  não	
  é	
  
suficiente?	
  
ü 	
  Indivíduos	
  acamados	
  sofrem	
  severa	
  perda	
  do	
  tecido	
  
ósseo	
  (1%	
  	
  /	
  sem);	
  
	
  
ü 	
  Estado	
  estável	
  de	
  perda	
  óssea	
  é	
  aAngido	
  após	
  perda	
  
da	
  ordem	
  de	
  30	
  a	
  40%	
  	
  
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18	
  
Densidade óssea em crianças (12 - 13 anos) em função da 
atividade física 
(Grimston et al., 1993) 
Carga ativa: Contração muscular (natação) 
“Impacto”: 3 vezes o Peso Corporal (corredores, ginastas, dançarinos) 
 
Maior	
  	
  Proporção	
  	
  de	
  	
  Colágeno	
  
	
  
ü	
  Aumento	
  	
  da	
  	
  flexibilidade	
  	
  óssea	
  
ü	
  Maior	
  	
  tolerância	
  	
  à	
  	
  deformação	
  	
  plásAca.	
  
Diminuição	
  	
  da	
  	
  resistência	
  	
  à	
  	
  compressão	
  
Alto	
  	
  potencial	
  	
  de	
  	
  remodelagem	
  	
  
 
 
 
Sobrecarga 
Adulto Criança 
FRATURA	
   Deformação	
  
CaracterísHcas	
  do	
  tecido	
  ósseo	
  
de	
  Criança	
  
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19	
  
ü Corredores	
  (cross-­‐country)	
  apresentam	
  maismassa	
  
óssea	
  quando	
  comparados	
  à	
  sedentários	
  de	
  mesma	
  
idade	
  e	
  peso	
  (Dalin	
  &	
  Olsson,	
  1974).	
  	
  
	
  
ü Atletas	
   (mulheres)	
   de	
   nível	
   universitário,	
   apresentam	
  
maior	
  densidade	
  óssea	
  vertebral	
  que	
  o	
  grupo	
  controle	
  
(sedentárias).	
   Na	
   pós-­‐menopausa	
   esta	
   diferença	
   se	
  
acentua.	
  
ü Mulheres	
   no	
   período	
   de	
   pós-­‐menopausa,	
   praAcantes	
  
de	
   aAvidade	
   gsica	
   (1	
   hora	
   /	
   3x	
   semanais	
   /	
   1	
   ano)	
  
aumentaram	
  sua	
  densidade	
  óssea.	
  InaAvas	
  diminuíram	
  
sua	
  densidade	
  no	
  mesmo	
  período	
  (Aloia	
  et	
  al.,	
  1978).	
  	
  	
  
ü Dança	
   x	
   Caminhada:	
   Dança	
   preservou	
   melhor	
   a	
  
integridade	
  óssea	
  de	
  mulheres	
  (pós-­‐menopausa)	
  do	
  que	
  
a	
   caminhada.	
   Ambas	
   as	
   aAvidades	
   condicionaram	
  
adaptações	
  bioposiAvas	
  (ZeDerberg	
  et	
  al.,	
  1990)	
  	
  
ü Soldados:	
   Observa-­‐se	
   grande	
   aumento	
   (5	
   -­‐	
   10	
   %)	
   da	
  
massa	
   óssea	
   de	
   recrutas,	
   após	
   16	
   semanas	
   de	
  
treinamento.	
   Grupo	
   apresenta	
   alto	
   índice	
   de	
   lesões	
  
ósseas.	
  	
  
ü Astronautas	
   apresentam	
   grande	
   excreção	
   de	
   cálcio	
  
através	
  da	
  urina.	
  Após	
  1	
  ano	
  de	
  permanência	
  no	
  espaço	
  
podem	
  ocorrer	
  perdas	
  de	
  massa	
  óssea	
  da	
  ordem	
  de	
  25	
  
%	
  (Raumbaut	
  et	
  al.,	
  1979).	
  
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20	
  
Terminações ósseas 
 
Articulações 
movimento 
Quais as características da terminação óssea? 
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Líquido Sinovial 
Produzido pela membrana sinovial 
Nutrição da cartilagem 
Proteção 
Discos fibrocartilaginosos 
Otimiza a função da cartilagem 
 
Estabiliza a articulação 
Estruturas protetoras 
Conexão entre ossos – formando 
segmentos: articulações 
Imóveis (sinartroses) 
 
Semi-móveis (anfiartroses) 
 
Móveis (diartroses) 
Bola e soquete, pivô, sela, dobradiça, elipsóide, plana 
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22	
  
 
Fibrosa Cartilaginosa Sinovial 
 
Conexão entre ossos – formando 
segmentos: articulações 
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23	
  
Cartilagem articular (CA) 
5% células 
95% matriz 
65 – 80% água 
 
Espessura de 1 a 7 mm 
↑ quadril e joelho 
↓ tornozelo e cotovelo 
 
Anisotrópica Você sabia? 
Que a CA da patela 
tem ~ 5mm de 
espessura 
CARTILAGEM ARTICULAR 
 Espessura de 1 a 5 mm (diminui com a idade) 
 Deformável 
 Avascular 
 Baixa taxa metabólica 
 Anisotrópicas 
Funções 
Características 
 Transferir forças 
 Distribuição de força 
 Reduzir atrito e limitar movimento articular 
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24	
  
21/03/14	
  
25	
  
Baixo conteúdo de proteoglicanos, 
possui camadas alinhadas e 
uniformes de colágeno 
Maior conteúdo de proteoglicanos, e 
uma rede de fibras de colágeno e 
células esferoidais entre elas. 
Elevado conteúdo de proteoglicanos, 
fibras de colágeno alinhadas 
perpendicularmente a articulação e 
células arredondadas em colunas 
entre as redes de colágeno. 
Elevada concentração de 
cálcio, ausência de 
proteoglicanos, fibras de 
colágeno e condrócitos 
Proteoglicanos 
 
Atraem água para o tecido 
Ação sobre enzimas 
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Fatores responsáveis pela degeneração da 
cartilagem articular 
 
ü Magnitude do estresse imposto (Carga total + Distribuição do estresse) 
ü Irregularidades na superfície articular 
ü Freqüência do estresse aplicado 
ü Mudanças na estrutura molecular microscópica da estrutura de colágeno-
proteoglicanos 
ü Degeneração associada a artrite reumatóide 
ü Hemorragias associadas a hemofilia 
ü Desordens no metabolismo do colágeno 
ü Degradação do tecido por enzimas proteolíticas 
ü Mudanças na propriedade mecânica intrínseca do tecido 
ü Afrouxamento da rede de colágeno 
ü Diminuição da rigidez da cartilagem 
ü Aumento na pearmeabilidade 
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Artrite reumatóide 
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Compressão 
Tensão/ Compressão 
Cisalhamento 
Torção 
Pilar	
  anterior	
   Pilar	
  posterior	
  
Segmento	
  	
  
	
  	
  passivo	
  	
  
(	
  vértebra)	
  
Segmento	
  
	
  	
  	
  	
  aAvo	
  
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29	
  
EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA 
VERTEBRAL 
EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA 
VERTEBRAL 
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30	
  
WHITE III e PANJABI (1990) 
Resistência das vértebras 
 
Cargas compressivas 
Wilke et al. (1999) 
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31	
  
Já sabemos algumas peculiaridades 
biomecânicas do osso 
 
Já vimos como funciona a conexão entre 
os ossos - articulação 
 
 
 
 
 
Na próxima aula, vamos conectar os ossos 
e os músculos... 
Obrigado	
  
mauricio_luz@hotmail.com