sistema osseo

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Felipe P 
Carpes
Biomecânica do tecido ósseo e articulações
Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec.html
Veja 04/1996
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Objetivos da aula
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Discutir as propriedades mecânicas de ossos, músculos, 
articulações, tendões e ligamento; 
Apresentar conceitos básicos referentes ao sistema músculo- 
esquelético e suas características biomecânicas; 
Descrever mecanismos de interação entre os tecidos ósseo, 
muscular e nervoso com base na neuromecânica; 
Apresentar fatores selecionados que influenciam as propriedades 
mecânicas destes tecidos.
Músculos 
Ossos 
Articulações 
Tendões 
Ligamentos 
Cinemática 
Cinética 
Eletromiografia
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Matriz orgânica (cálcio, fosfato, colágeno): 
Água:
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60 a 70% 
25 a 30%
Tecido ósseo
Funções
– 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
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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
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Basicamente, as características de sobrecarga e 
uso definem o formato dos ossos
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Forma 
dos 
ossos
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Diáfise – corpo 
Epífise – extremidades 
Placa/linha Epifisal– região de 
crescimento 
Artérias Nutrientes– medula e osso 
compacto
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Arquitetura de ossos 
chatos
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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
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Perfuração / Canais de VolkmannCentral / Canais Haversianos
cortical
trabecul
ar
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Hierarquia
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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
Força e dureza do tecido ósseo
Cortical 
Trabecular
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Força e dureza (cortical mais resistente)
(diferentes respostas a cargas em diferentes
Anisotropia 
direções)
(diferentes respostas de acordo com a
Viscoelasticidade 
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. 
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Características biomecânicas
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Força durante ação isométrica 
de (a) flexores, (b) extensores, 
(c) adutores e (d) abdutores do 
quadril.
Força axial sobre o fêmur (linha 
preta) em comparação com a 
FRS (linha fina)
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A geometria do osso adaptou- 
se ao exercício de impacto, 
especialmente na região média 
do fêmur. 
O número e intensidade de 
impactos diários são os 
principais fatores influenciando 
a adaptação
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De acordo com a Lei de Wolff, a densidade, 
e em menor proporção o tamanho e a 
forma, dos ossos são determinadas pela 
magnitude e direção das forças atuando 
sobre eles.
Lei de Roux: A orientação do sistema trabecular depende da 
direção das forças
Vídeo 
Reconstrução da cabeça 
do fêmur
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Osso normal
Implante de crômio
Implante de titânio
ANDAR
Gafaniz et al 2007
Características mecânicas dos ossos 
Tensão (stress) - σ = F/A 
Deformação (strain) - ε = (L-L0)/L0 
Elasticidade
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Sem carga 
Comprimento 
Diâmetro
Sobrecargas mecânicas
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Sobrecargas mecânicas
Efeito Poisson
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Você sabia? 
Simeón Poisson foi estudante de 
Doutorado de Joseph Lagrange
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COMPORTAMENTO MECÂNICO
– Lei de Hooke –” Tensão é 
proporcional à deformação”
– Não-Hookeano – não 
responde de forma linear à 
aplicação de carga.
ca
rg
a inclin = módulo de 
elasticidade 
deformação
Displacement 
(strain)
Fo
rc
e 
(s
tr
es
s)
Elasticmaterial
Displacement 
(strain)
Non elasticmaterial
Fo
rc
e 
(s
tr
es
s)
Robert Hooke (1635-1703)
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RESPOSTA ELÁSTICA
Quando submetido a uma carga, o osso deforma-se na busca de 
absorção de impacto e energia 
Essa deformação atinge cerca de 3% do comprimento
Região elástica
Deformação
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RESPOSTA PLÁSTICA
Deformação
Es
tr
es
se
 (c
ar
ga
)
Após o ponto de deformação, ocorrem micro-rupturas 
no tecido e o osso experimenta uma fase plástica 
Com isso, ao remover-se a carga, o osso não retorna 
mais a sua forma original 
Fratura / falha
Região plástica
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Resistência a falha
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Diminuição com a 
idade 
Diferença entre 
ossos e regiões do 
corpo
Envelhecimento
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jovem
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idoso
Viscoelasticidade
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Diferentes respostas 
a diferentes 
velocidades de 
aplicação de carga
Anisotropia
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Diferentes respostas 
a cargas aplicadas 
em diferentes 
direções
Remodelação óssea
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Como os ossos resistem por tanto tempo ao longo da vida? 
Qual é o processo que determina essa resistência ?
Remodelagem e depósito ósseo
Cargas mecânicas 
Intermitentes
Reabsorção > depósito: osteoporose 
Miosite ossificante ~ calcificação precoce
Ação de: 
Osteócitos - mineralização 
Osteoclastos – digerem matriz 
Osteoblastos - reconstroem
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Os processos ocorrem devido à atividade de: 
✓Osteoblasto - célula óssea responsável pela produção de 
tecido ósseo 
✓Osteoclasto - célula óssea responsávelpela reabsorção 
de tecido ósseo 
✓Osteócito - osteoblastos envolvidos pela própria matriz 
que produziram.
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E quando a resistência não é 
suficiente?
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1º - Osteoclastos reabsorvem / alargam 
cavidade 
2º -Inversão de 1 a 2 dias: Células mononucleares 
revestem a parede cavitária em pequena 
extensão 
3º Surgem osteoblastos, começam a 
depositar uma junção osteóide (pré- 
osso), que mineraliza. 
4 º É realizado o preenchimento das lamelas 
concentricamente, apresentando enchimento 
cônico da cavidade. 
Humanos: levam de 3 a 4 meses para completar Um 
ósteon
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E quando a resistência não é 
suficiente?
♣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) 
♣Atividade dos osteoblastos 
♣Consolidação do osso novamente 
♣Ação dos osteoclastos para reduzir 
o calo ósseo que ficou
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E quando a resistência não é 
suficiente?
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Adaptação do Tecido Ósseo: IMOBILIZAÇÃO
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✓ Indivíduos acamados sofrem severa perda do 
tecido ósseo (1% / sem);
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✓ Estado estável de perda óssea é atingido após 
perda da ordem de 30 a 40%
Densidade óssea em crianças (12 - 13 
anos) em função da atividade física 
(Grimston et al., 1993)
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Características do tecido 
Mai or Proporção de
ósseo de crianças 
Colágeno
✓ Aumento da flexibilidade óssea 
✓Maior tolerância à deformação plástica. 
Diminuição da resistência à compressão 
Alto potencial de remodelagem
Sobrecarga
Adulto 
FRATURA
Criança 
Deformação
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✓Corredores (cross-country) apresentam mais massa óssea 
quando comparados à sedentários de mesma idade e peso 
(Dalin & Olsson, 1974). 
✓ Atletas (mulheres) de nível universitário, apresentam maior 
densidade óssea vertebral que o grupo controle (sedentárias). 
Na pós-menopausa esta diferença se acentua. 
✓Mulheres no período de pós-menopausa, praticantes de 
atividade física (1 hora / 3x semanais / 1 ano) aumentaram 
sua densidade óssea. Inativas diminuíram sua densidade no 
mesmo período (Aloia et al., 1978).
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✓ Dança x Caminhada: Dança preservou melhor a integridade 
óssea de mulheres (pós-menopausa) do que a caminhada. 
Ambas as atividades condicionaram adaptações biopositivas 
(Zetterberg et al., 1990) 
✓ Soldados: Observa-se grande aumento (5 - 10 %) da massa 
óssea de recrutas, após 16 semanas de treinamento. Grupo 
apresenta alto índice de lesões ósseas. 
✓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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Terminações ósseas 
Articulações
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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
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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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Fibrosa Cartilaginosa Sinovial
Conexão entre ossos – formando 
segmentos: articulações
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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
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CARTILAGEM ARTICULAR
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Características 
Espessura de 1 a 5 mm (diminui com a idade) 
Deformável 
Avascular 
Baixa taxa metabólica 
Anisotrópicas 
Funções 
Transferir forças 
Distribuição de força 
Reduzir atrito e limitar movimento articular
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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
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⎫Magnitude do estresse imposto (Carga total + Distribuição do estresse)
⎫Irregularidades na superfície articular
⎫Freqüência do estresse aplicado
⎫Mudanças na estrutura molecular microscópica da estrutura de colágeno- proteoglicanos
⎫Degeneração associada a artrite reumatóide
⎫Hemorragias associadas a hemofilia
⎫Desordens no metabolismo do colágeno
⎫Degradação do tecido por enzimas proteolíticas
⎫Mudanças na propriedade mecânica intrínseca do tecido
⎫Afrouxamento da rede de colágeno
⎫Diminuição da rigidez da cartilagem
⎫Aumento na pearmeabilidade
Artrite reumatóide
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Compressão
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Tensão/ Compressão
Cisalhamento
Torção
Pilar anterior Pilar posterior
Segmento 
passivo 
( vértebra)
Segmento 
ativo
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EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA 
VERTEBRAL
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EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA 
VERTEBRAL
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WHIT E III e PANJABI 
( 1990)
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Resistência das vértebras
Cargas compressivas
Wilke et al. (1999)
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Já sabemos algumas peculiaridades 
biomecânicas do osso 
Já vimos como funciona a conexão entre 
os ossos - articulação
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Referênciasbásicas
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• Hamill J, Knutzen KM. Bases biomecânicas do 
movimento humano. Manole: São Paulo, 1999. 
• Enoka RM. Bases neuromecânicas da cinesiologia. 
2.ed. Manole: São Paulo, 2000. 
• Hall S. Basic biomechanics. 5.ed. McGrow Hill: 
Boston, 2007. 
• Winter D.A. Biomechanics and motor control of 
human movement. 2.ed. John Wiley & Sons: New 
York, 1990.