biomecanica do osso

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BIOMECÂNICA DO TECIDO ÓSSEO 
 
INTRODUÇÃO 
 
Os ossos quando analisados sob o aspecto anatômico, parece tecido que pode ser submetido a indiscriminados esforços 
mas ao mesmo tempo nos apresenta uma face frágil, de um material homogêneo, quebradiço. HALL (1991) nos coloca 
que o osso, traz à mente uma imagem de tecido morto, um pedaço de mineral seco e frágil. 
Porém uma das propriedades importantes do osso é a sua força e sua dureza, mas o tecido ósseo, é também elástico, 
isto é, quando, submetidos à ação de uma força, sofrem uma deformação mas, cessando a força voltam ao seu estado 
inicial, contrário os corpos plásticos que são aqueles que, submetidos à ação de uma força se deformam, e, cessada a 
força não voltam mais ao seu estado inicial. Por sua propriedade elástica, lhe permite suportar, até certo ponto, forças 
de compressão e de tração sem sofrer fratura. Quando um corpo elástico é submetido a uma força de tração, ele sofre 
um certo alongamento. Se a força de tração for maior, o alongamento sofrido também será maior, ou seja, o 
alongamento sofrido pelo corpo é proporcional a intensidade da força aplicada. 
Portanto, para os corpos elásticos, existe proporcionalidade entre as forças aplicadas e as deformações produzidas. Este 
é o enunciado da lei de Hooke e se as forças forem aumentadas, o corpo sofre rotura: este é denominado ponto de 
rotura, mesmo podendo o sistema ósseo suportar sobrecargas muito altas, como aquelas que ocorrem na prática 
esportiva. Para isso provoca elevação na densidade óssea em relação aos indivíduos não atletas (NILSSON e WESLIN, 
1971), necessitando de uma organização desde o nível microscópico até o macroscópico que consiga dissipar o máximo 
esta força que em muitos casos chega a ser destrutiva, a exemplo dos saltos, como estudado por HASAN e RANU (1994) 
que verificaram através de modelos matemáticos, que seis saltos seriam o suficiente para causar fratura óssea, 
orientando assim que se invistam estudos sobre os calçados e outros suportes que possam reduzir as fraturas. Outro 
tipo que envolve uma sobrecarga que atinge níveis muito altos para o sistema ósseo, é o salto triplo, que no segundo 
salto, a reação do solo sobre o centro de gravidade do atleta chega a onze vezes o peso corporal (AMADIO, 1989), prova 
disto foi o caso do triplista americano, Stark, que ao realizar um de seus saltos, próximo as Olimpíadas de 92 em 
Barcelona, produziu uma fratura exposta da tíbia, um osso considerado de alta resistência por sua constituição e forma. 
Estes exemplos nos apresentam um osso, cujo material não responde em forma de ruptura por ter sido aplicado uma 
força de alta magnitude, mas por ter sofrido um número de repetições suficientemente grande que o levou ao limite e 
finalmente a ruptura. 
Neste sentido o osso se organiza internamente desde o seu desenvolvimento no mesênquima, em células e um material 
intercelular calcificado, que é a matriz óssea. A MATRIZ 50% de seu peso é de parte inorgânica. Os íons mais 
encontrados são o fosfato e o cálcio. Há também o bicarbonato, magnésio, potássio, sódio e citrato em pequenas 
quantidades. O cálcio e o fósforo formam os cristais de hidroxiapatita. Esses cristais arranjam-se ao longo das fibrilas 
colágenas e são envolvidos por substância fundamental amorfa. 
A parte orgânica da matriz é formada por fibras colágenas (95%) e por pequena quantidade de substância fundamental 
amorfa que contém glicoproteínas ácidas e neutras, formadas por mucopolissacarídeos associados a proteínas. Como 
componentes das glicoproteínas ácidas do tecido ósseo, encontramos a condroitina-4-sulfato e o queratossulfato. 
As células que eram indiferenciadas passam a se diferenciar em osteoblastos cuja função é sintetizar a parte orgânica 
(colágeno e glicoproteínas) da matriz óssea. Os osteoblastos dispõem-se sempre na superfície óssea. 
Estas células possuem prolongamentos citoplasmáticos que se prendem aos dos osteoblastos vizinhos. Quando os 
osteoblastos são envolvidos pela matriz estes prolongamentos passam a formar os canalículos que se irradiam das 
lacunas que são os locais onde os osteoblastos foram envolvidos. Os canalículos na matriz são responsáveis pela difusão 
da nutrição pelo tecido permitindo assim uma comunicação dos osteócitos com seus vizinhos, com as superfícies 
externas e internas do osso e com os canais vasculares da matriz. 
Após o envolvimento pela matriz, o osteoblasto passa a ser chamado de osteócito. Os osteócitos são as células 
existentes no interior da matriz óssea, ocupando lacunas das quais partem canalículos. São células achatadas, com 
forma de amêmdoa e prolongamento citoplasmáticos, que ao menos nos ossos recém formados ocupam toda a 
extensão dos canalículos. 
Os osteócitos são essenciais para a manutenção da matriz mineralizada do osso e sua morte é seguida por reabsorção 
da matriz. 
Gradualmente estes osteócitos retraem os prolongamentos, deixando as partes terminais dos canalículos ocupadas por 
substância fundamental amorfa. Os osteócitos e os osteoblastos contém fosfato de cálcio unido a proteína ou 
glicoproteína, portanto são capazes de concentrar cálcio no seu citoplasma. 
Osteoclastos são células globosas, gigantes, móveis, contendo de 6 a 50 núcleos ou mais, que aparecem nas superfícies 
ósseas quando ocorre reabsorção do tecido relacionadas com a reabsorção do tecido ósseo e que participam dos 
processos de remodelação dos ossos. 
A associação de hidroxiapatita com fibras colágenas é responsável pela dureza e resistência caracterísiticas do tecido 
ósseo. 
As fibras colágenas organizam-se em lamelas de 3 a 7m de espessura, que podem ficar paralelas umas às outras, ou se 
dispõem em camadas concêntricas em torno de canais com vasos, formando os sistemas de Havers. Cada sistema de 
Havers é constituído por um cilindro longo no qual no centro, existe um canal que é o canal de Havers, que constituem 
vasos, nervos e tecido conjuntivo frouxo. Estes canais comunicam-se entre si através de canais transversais ou oblíquos, 
os canais de Volkmann. 
O tecido ósseo é um dos mais resistentes e rígidos do corpo humano, serve para suporte das partes moles e protege 
órgãos vitais, como os contidos nas caixas craniana e torácica e no canal raquidiano aloja e protege a medula óssea, 
formadora de células do sangue. Proporciona apoio aos músculos esqueléticos e constitui um sistema de alavancas que 
amplia as forças geradas na contração muscular. 
Todos os ossos são revestidos em suas superfícies externas e internas por membranas conjuntivas, o periósteo e o 
endósteo, respectivamente. O revestimento das superfícies ósseas é essencial para a manutenção do tecido, pois áreas 
de reabsorção óssea aparecem nos locais que perderam o revestimento conjuntivo ou a camada de osteoblastos. O 
PERIÓSTEO é formado por tecido conjuntivo denso, muito fibroso em sua parte externa e mais celular e vascular na 
porção interna junto ao tecido ósseo. As células do periósteo que morfologicamente são fibroblastos, transformam-se 
muito facilmente em osteoblastos e têm importante papel no crescimento dos ossos e na reparação das fraturas. O osso 
cortical por seu grande conteúdo mineral é mais rígido suportando mais estresse porém menos alongamento ou 
deformação que o osso esponjoso. Este porém pode suportar maior deformação antes de fraturar. 
Segundo NORDIN (1989) todos os ossos estão circundados por uma densa membrana fibrosa denominada periósteo. 
Esta camada externa é permeada por vasos sanguíneos e fibras nervosas que passam pelo córtex via canais de 
Volkmann, que conectam-se com os canais harvesianos e estendem-se ao osso esponjoso. Uma camada interna, 
osteogênica contém células ósseas (osteoblastos) responsáveis por gerarem um novo osso durante o crescimento ereparação. O periósteo cobre todo o osso exceto as superfícies articulares, as quais são cobertas com cartilagem 
articular. 
Ao longo dos ossos, uma membrana mais delgada, o endósteo reveste a cavidade central (medular) a qual está 
preenchida com medula gordurosa amarela. 
 
Todos os canais vasculares existentes no tecido ósseo aparecem quando a matriz óssea se forma ao redor dos vasos 
preexistentes. 
 
ESTRUTURA FUNCIONAL DO TECIDO ÓSSEO 
 
Segundo ASCENSI em CAPOZZO, MARCHETTI & TOSI (1992) dois fatores diferentes determinam a morfologia do osso, a 
genética e o stress mecânico e para que os ossos possam desempenhar suas funções mecânicas devem ter um tipo de 
construção muito especial. 
O tecido ósseo tem que ser construído de modo a atender aos vários tipos de forças a que está sujeito. O material de 
que é feito o osso deve pois ser suficientemente duro para resistir a forças de compressão e elástico para suportar as 
forças de tração. 
Dois tipos de materiais unem-se para dar ao osso estas características: um material inorgânico e um orgânico. 
O material orgânico é representado principalmente por sais de cálcio (fosfato e carbonato de cálcio) que lhes dão 
dureza. 
Esse material faz parte de uma proteína, a osseína, do tipo colágeno que lhe dá elasticidade. O colágeno compõe 
aproximadamente 95% da matriz extracelular e calcula-se 25% a 30% do peso seco do osso. O material orgânico confere 
ao osso a elasticidade e assim, capacidade para suportar forças de tração. 
As fibras colágenas são envolvidas por uma substância gelatinosa constituida principalmente de proteínas 
polissacarídeos ou glicosaminoglicanas principalmente na forma de complexos macromoleculares chamados 
proteoglicanas. 
A parte inorgânica do tecido ósseo (os sais de cálcio) lhe confere a dureza e consequentemente, a resistência às forças 
de compressão. Com esta constituição o esqueleto atua como um armazém de cálcio, elemento vital a função de todas 
as células. 
São portanto dois materiais de características diferentes que se unem no tecido ósseo. Quando, na técnica, se utiliza 
materiais de características diferentes conjugados, estabelece-se uma construção de ligação. 
No caso do tecido ósseo, a construção de ligação é fundamental para suas funções: os componentes inorgânicos 
conferem dureza e resistência a compressões e o colágeno confere ao osso elasticidade e resistência a forças de tração. 
Para ROUX (1895 a, b) apud PAWELS (1980) em sua teoria de adaptação, refere que os estímulos mecânicos formam 
três tipos de tecidos de suporte: a compressão, a tensão, e a cisalha, combinação de compressão com tensão. 
Segundo SKERRY, BITENSKY, CHAYEN e LANYON (1969) apud GRABINER (1993) referem que os osteócitos alteram sua 
atividade metabólica em resposta a estímulos físicos, embora ainda não está muito claro. 
A respeito disso tem sido feitas algumas explanações no sentido de que essa teoria seja vista com mais cautela, como é 
o fato das células ósseas serem delicadas e de simplesmente ser a compressão um fator de depósito de matéria óssea. 
Também FICK (1857) apud PAWELS (1980) refere que só se observa a formação óssea em locais onde as células são 
protegidas por uma rígida estrutura contra todos os stresses mecânicos, como é o fato que durante a formação da 
membrana óssea, a estrutura é feita de fibrilas colágenas as quais resistem a tensão e deste modo protegem estas 
células as quais estão ao redor. 
A deposição de osso e o stress, particularmente o de compressão, fundamenta-se no efeito denominado piezoelétrico, 
que corresponde a um potencial elétrico negativo desenvolvido no local da compressão e um potencial positivo nos 
outros pontos do osso. Pequenas quantidades de corrente fluindo no osso, causam atividade osteoblástica na 
extremidade negativa da corrente, o que poderia explicar o aumento da deposição óssea nos locais de compressão, e o 
contrário ocorreria pela ação dos osteoclastos, realizando reabsorção nos locais de tensão (GUYTON, 1984). 
Prova da continuidade das evidências com respeito a relação osteogênese e os estímulos mecânicos está na citação de 
GRABINER (1993) de que quando submete-se o tecido ósseo a imobilizações ou vôos espaciais, provoca-se a diminuição 
da massa óssea e ao submetê-lo a exercícios vigorosos a existência de aumento. 
 
Outra observação sobre a relação do stress e a osteogênese está nas observação do colo femoral quando o quadril é 
móvel (fig. 4a-b) e quando está anquilosado (FIG. 4c-d) mostrando uma similaridade de depósito de matéria óssea tanto 
no lado submetido a stress compressivo quanto naquele submetido a stress tensil. 
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 importacia 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. 
O tecido ósseo apresenta aspectos diferentes nas várias partes do osso, provavelmente por estas partes 
desempenharem funções diferentes, como na diáfise, o tecido ósseo dispõe-se sob a forma de lamelas ósseas 
concêntricas chamadas osteomas ou sistemas de Havers. Nestas lamelas percorrem no seu canal central os vasos e 
nervos. 
Este tipo de construção permite ao osso suportar melhor as forças a que está submetido, especialmente as de flexão, 
como no quadril, as lamelas sofrem compressão enquanto que as do lado oposto sofrem tração. 
Na realidade estas forças tornam-se muito menores pois a construção lamelar permite que as lamelas deslizem umas 
sobre as outras. 
Ao se aproximar das epífises, os sistemas Haversianos, são substituídos por um sistema de lamelas que se dispõe de 
modo a constituir uma outra variedade de tecido ósseo, o tecido ósseo esponjoso. 
No tecido espojoso, as lamelas entrecruzam-se em diversas direções, deixando entre si, pequenas cavidades. O tecido 
ósseo espojoso aparece nas epífises dos ossos longos, em alguns planos e nos ossos curtos. 
O tecido ósseo compacto é encontrado nas diáfises dos ossos longos e no revestimento externo dos ossos planos e 
curtos. 
HALL (1991) relata que o tecido ósseo é classificado em duas categorias de acordo com a porosidade. Se a porosidade é 
baixa (5% a 30%) do volume do osso ocupado por tecido não mineralizado, o tecido é denominado cortical. O tecido 
ósseo com porosidade relativamente alta, 30% a mais de 90% do volume de osso ocupado por tecido não mineralizado, 
é denominado como esponjoso. A maioria dos ossos do corpo humano tem as camadas externas compostas de osso 
cortical e com tecido esponjoso subjacente a este. 
 
O osso esponjoso in vitro não fratura até a deformação exceder 75%, mas o osso cortical fratura quando a deformação 
exceder 2%. Por causa de sua estrutura porosa o osso esponjoso tem uma ampla capacidade em armazenar energia. 
As funções mecânicas dos ossos são aquelas relacionadas com a ação de forças a que os ossos estão sujeitos. Estas são: 
sustentação, formação de cavidades, servir como alavancas para a ação dos músculos e proteção. Sua principal 
característica e que lhe permite desempenhar essas funções é a dureza. 
Pela função de sustentação, os ossos devem manter a forma do corpo, opondo resistência à força da gravidade e outras 
forças externas que atuam sobre o corpo. 
Como exemplos dos ossos na sua função de proteção estão o crânio, o quadril e a caixa torácica. 
A função de formação de alavancas é a que mais interessa à cinesiologia, pois através desta função é que os músculos 
produzem osmovimentos do corpo humano. 
 
SOLICITAÇÕES MECÂNICAS DOS OSSOS 
 
Ao desempenhar suas funções mecânicas, os ossos ficam sujeitos à ação de forças, que são as solicitações mecânicas. 
Segundo HALL (1991) as forças que atuam sobre os ossos são: compressão, tração, flexão e torção. 
A compressão é um tipo de força que, ao atuar sobre um osso, tende a diminuir o seu comprimento e alargar-se. Como 
exemplo, as vértebras e os ossos dos membros inferiores. As vértebras são maiores na posição lombar, porque devem 
suportar mais peso; os ossos dos membros inferiores são mais desenvolvidos que os dos membros superiores. Ao nível 
microscópico, o mecanismo de falência do tecido ósseo é principalmente uma fenda oblíqua dos osteons. 
Quanto maiores as forças de compressão, mais tecido deve ter o osso para suportá-las. 
A tração é um tipo de força que, tende a aumentar o comprimento do osso, quando ele é tracionado. Geralmente a 
tração é feita no longo eixo do osso. As forças de tração tem a tendência de separar as partes do osso, afastando-as 
umas das outras. Atuam pois em sentido contrário ao das forças de compressão. Um exemplo é quando o atleta está 
suspenso numa barra, os ossos dos membros suspensos estão sujeitos a forças de tração. Toda vez que se carrega 
pesos, os ossos dos membros superiores ficam sob a ação de forças de tração. 
O estresse pode ser quantificado pela sua força por unidade de área sobre a qual esta força atua. Como apresentado 
por HALL (1991), quando uma mesma força é aplicada sobre uma superfície pequena produz mais estresse do que 
quando aplicada numa superfície maior. Um exemplo deste fato está ao analisarmos a vértebra lombar que ao suportar 
o peso do corpo esperaria que esta suportasse mais peso que as vértebras torácicas. Entretanto a quantidade de 
sobrecarga nesta região não é diretamente proporcional ao peso aplicado devido as vértebras lombares serem maiores 
que as vértebras da coluna torácica. 
As três unidades mais comumente usadas para medida de stress em amostras padronizadas do osso são: N/cm2, N/m2 
ou Pascal (Pa) e MegaNewtons por metro ao quadrado ou megapascais (MN/m2 ou Mpa). 
O impacto sobre uma superfície está relacionado com a magnitude e a direção do estresse criado por este impacto. O 
estresse de compressão ou de deslizamento indicam especificamente a direção do estresse. 
Outros tipos de estresses suportados pelo sistema ósseo são as forças de flexão que atuam através de um momento de 
força que age em um plano contendo o eixo longitudinal do osso. Este tipo de estresse é ocasionado quando uma força 
excêntrica é aplicada à extremidade do osso, tornando-o curvo e provocando um estresse compressivo de um lado e um 
estresse de tensão do outro. As forças dos músculos quando atuam, especificamente nos ossos longos, agem como 
forças de flexão dos ossos. 
 
Uma fratura pode ser produzida por três forças (três pontos de flexão) ou quatro forças (quatro pontos de flexão), estas 
fraturas são comumente observadas clinicamente particularmente nos ossos longos. 
As forças de torção atuam também através de um momento de força. Neste caso, o momento age em um plano 
perpendicularmente ao eixo longitudinal do osso. Ex. Arremesso de martelo, fraturas da tíbia em jogos de futebol ou 
esqui, nos quais se exige uma posição fixa de uma extremidade óssea e a outra sofre a torção. Quanto mais distante o 
stress é do eixo neutro, mais alto é sua magnitude. 
Segundo NORDIN e FRANKEL (1989) o padrão de fratura do osso carregado em torsão sugere que o osso se fratura 
primeiro pela cisalha, com formação de uma inicial fratura paralela ao eixo neutro do osso. Uma segunda fratura 
usualmente formada ao longo do plano do máximo stress tensil. 
Há também o estresse por cisalha ou seja quando as cargas são aplicadas paralelamente, mas de forma transversal à 
superfície da estrutur e são contrárias entre sí. 
Segundo NORDIN e FRANKEL (1989) a estrutura sujeita a cargas de cisalhamento deformam internamente de maneira 
angular; e ocorrem com mais freqüência nos ossos esponjosos como nos côndilos do fêmur e platô tibial. 
 
 
Para REILLY & BURSTEIN (1975) apud NORDIN e FRANKEL (1989) ao analisar a figura 14 o osso cortical pode resistir mais 
ao stress em compressão que em tensão e maior stress na tensão do que na cisalha. 
Após a apresentação dos vários tipos de stresses que o osso suporta, e analisando a estrutura complexa da formação 
óssea, conclui-se que um osso raramente é sobrecarregado de uma só maneira e sim pela combinação destas e devido a 
sua estrutura geométrica ser irregular. Um exemplo disto CARTER (1978) apud NORDIN e FRANKEL (1989) demonstram 
que durante o andar normal os stresses foram compressivos durante o choque do calcâneo e tensil durante a fase de 
apoio e novamente compressivo durante a impulsão. O stress em cisalha foi baixo por todo o passo, denotando um 
mínimo de carga torsional produzida pela desprezível rotação externa e interna da tíbia nos padrões alternantes. 
 
ARQUITETURA FUNCIONAL DO TECIDO ESPONJOSO 
 
As trabéculas ósseas do tecido esponjoso distribuem-se de acordo com as forças que o osso suporta, assim dispostas 
não ao acaso mas de acordo com a função. Em outras palavras, as trabéculas ósseas dispõe-se segundo as direções que 
correspondem as linhas de força que o osso suporta. 
 
Para Wolff, as trabéculas ósseas da cabeça do fêmur alinham-se nas direções principais do stress gerado durante a 
aplicação de uma carga e mantendo uma arquitetura que pode ser exposta matematicamente. 
A disposição das trabéculas ósseas no osso do quadril corresponde às funções deste osso na posição em pé, na marcha 
ou na posição sentada ou seja, sua estrutura é uma conseqüência da função. 
Segundo KAPANDJI (1980) num corte frontal do osso do quadril onde se pode identificar dois sistemas de trabéculas 
ósseas, a) sistema sacro-cotilóide e b) sistema sacro-isquiático. 
O sistema sacro-cotilóide parte da face do osso do quadril que se articula com o osso sacro (face auricular) e se dirige 
para a cavidade cotilóide. O sistema sacro-isquiático de trabéculas ósseas parte da mesma face do osso do quadril e 
atinge a tuberosidade isquiática, passando pelo ramo descendente do ísquio. 
Observando o sistema sacro-cotilóde, este tem função de transmitir para o membro inferior as forças do peso do corpo, 
através da coluna vertebral, na posição ereta. 
O sistema sacro-isquiático transmite as forças que vem da coluna vertebral para a parte inferior do ísquio, na posição 
sentada. 
 
No fêmur, existe um sistema principal cujos feixes de traves originam-se da cortical externa da diáfise e termina na 
parte inferior da cortical cefálica (feixe arciforme) (fig.6-1) e outro que parte da cortical interna da diáfise e da cortical 
inferior do colo e dirige-se verticalmente para a parte superior da cortical cefálica, feixe cefálico. (Fig. 6-2) 
Da mesma maneira é possível observar estes sistemas de traves na articulação do joelho, sendo que no fêmur existem 
linhas de força mecânica partindo da cortical interna e expande-se no côndilo homolateral (fibras de compressão) e no 
côndilo contra-lateral (fibras de tração); a outra, parte da cortical externa e realiza um disposição simétrica; um feixe de 
traves horizontais une os dois condilos. 
Na extremidade superior da tíbia existe uma estrutura semelhante, com dois sistemas que partem das corticais externa 
e interna e se espalham sob a glena homolateral (fibras de compressão) e sob a glena contralateral (fibras de tração), 
traves horizontais unem as duas glenas. 
 
Uma possibilidade em se estudar este arranjo trabecular está no uso de computadores nos quais através da técnica de 
elementos finitos pode simular os efeitos do stress sobrea estrutura óssea. Desta forma HAYES e SNYDER (1981) apud 
GRABINER (1993) conseguiram relatar a orientação das trabéculas na patela com as direções dos stresses principais 
estimados durante uma lenta subida de escada. 
Descreve-se desta maneira o osso trabecular como um material auto otimizado o qual a orientação foi governada pelas 
direções do stress principal e cuja densidade está baseada na maximização estrutural com a mínima massa óssea. 
 
FATORES QUE DETERMINAM A FORMA DOS OSSOS 
 
A forma dos ossos é determinada fundamentalmente pela função. Isto corrobora ao que JULIUS WOLFF concluiu, ou 
seja, o stress mecânico aplicado a um osso causa mudanças em sua arquitetura, sendo que num osso curvo, por forças 
mecânicas, o osso adapta-se por deposição de novo osso sobre seu lado côncavo e por reabsorção no seu lado convexo, 
passando esta a ser a chamada LEI DE WOLFF. Esta foi restabelecida por JENSEN que afirmou " ...os elementos ósseos 
são depostos ou substituidos na direção das forças funcionais e aumenta ou diminui sua massa de acordo com o 
gradiente destas forças funcionais". 
Entretanto, há fatores que também são importantes na determinação da forma dos ossos: Hereditariedade, nutrição, 
moléstias e solicitações mecânicas. Dentro da espécie humana, o fator genético faz com que os ossos tenham formas 
diversas. Assim, existem as variações anatômicas, em que os ossos têm, dentro da normalidade formas diferentes. 
Deste modo, pais longilíneos, terão filhos com esqueletos longilíneos e pais brevilíneos terão filhos com esqueletos 
brevilíneos. 
Embora o osso inicie seu desenvolvimento por ação de impulsos hereditários, sua formação é completada e sua 
arquitetura e conformação externa são mantidas por fatores mecânicos. Por esse motivo, os exercícios físicos são 
importantes na boa estruturação do esqueleto. As solicitações mecânicas, quando bem dosadas favorecem o bom 
desenvolvimento dos ossos. Quando mal aplicadas podem causar deformação no esqueleto. Uma comprovação desta 
relação do crescimento ósseo e os fatores de sobrecarga são os estudos de WILLIAMS et al. (1984) que verificaram o 
aumento do conteúdo mineral em função da corrida de longa distância quando comparado àqueles de curta distância. 
A falta de esforço, como ocorre por exemplo, na paralisia, levam à atrofia dos ossos. De modo geral, tanto as 
solicitações exageradas, quanto a inatividade são prejudiciais ao bom desenvolvimento dos ossos. Portanto as 
solicitações mecânicas devem ser aplicadas moderadamente sobre o esqueleto, para que favoreçam o trabeculado 
ósseo. 
Os melhores resultados se obtem quando as forças que atuam sobre os ossos agem de modo intercalado com fases de 
repouso. Portanto, quando há intervalos entre as solicitações, favorece o desenvolvimento ósseo. 
Prova disso, quando não bem orientado a administração de exercícios, estão as crianças obesas quando submetidas a 
esportes com maior contato físico podem estar sujeitas a lesões epifisárias. Do mesmo modo, crianças magras e com 
desenvolvimento muscular pobre, podem ser suscetíveis também a lesões epifisárias. Essas crianças, devem portanto, 
evitar esporte com maior contato físico, até que atinjam a maturidade. Com o passar da idade, a parte inorgânica do 
osso aumenta; há mais calcificação e o osso torna-se mais duro mas menos elásticos rompendo-se mais facilmente 
principalmente em exercícios em que ficam submetidos a forças de trações e torções. 
Sendo assim, segundo EXNER et al (1979) apud NORDIN e FRANKEL (1989) uma correlação positiva existe entre a massa 
óssea e o peso corporal. Um peso corporal maior tem sido associado a massa óssea mais ampla 
 
Contrariamente, segundo RAMBAUT & JOHNSTON, (1979); GAZENKO et al (1981) apud NORDIN e FRANKEL (1989), uma 
condição prolongada de pouco peso, tais como aquela experimentada durante as viagens espaciais, tem sido 
encontrado resultados na diminuição da massa óssea. 
Segundo ASCENSI in CAPPOZZO e BERNE (1990) estudos foram realizados por JONES et al (1977) com raio x comparando 
o úmero dos lados direito e esquerdo de tenistas profissionais e encontraram que a espessura do córtex foi de 34,9% 
maior no lado em que se mantinha a raquete em homens e 28,4% maior em mulheres que do outro lado. DALÉN e 
OLSSON (1974) apud NORDIN e FRANKEL (1989), usando a técnica de raio x espectrofotométrico para comparar o 
conteúdo mineral ósseo em sete de quinze corredores de cross-country e 15 controles, mostrando que as medidas 
apendiculares (distal do rádio, ulna e calcâneo) mostraram uma diferença positiva para os corredores de 
aproximadamente 15% sendo menor que 10% nos locais axiais (vértebra lombar e colo do fêmur). Com isto conclui-se 
que o exercício induz a uma hipertrofia significante do osso, mesmo assim considera que esta técnica não revela as 
mudanças mais importantes na mecânica óssea que são aquelas ao nível microscópio. 
Um fator que influencia na biomecânica do sistema ósseo é sua geometria, fazendo com que todos os tipos de 
sobrecarga sejam proporcionais a área de secção transversa do osso. Quanto maior a área, maior é a força e a dureza. 
Na flexão, ambas área de secção transversa e a distribuição do tecido ósseo ao redor do eixo neutro afetam o 
comportamento mecânico do osso. Por serem tubular, os ossos distribuem sua massa a uma distância do seu centro, 
isto significa que quanto mais distante, maior é o momento de inércia, mais forte e mais rígido é o osso. 
Outro fator que influencia a força e dureza do osso é o comprimento do osso. Quanto mais longo é o osso, maior é a 
magnitude do momento de flexão e maiores os estresses tensil e compressivo. 
A área e o comprimento ósseo também afetam na dureza e na força de torção. A quantidade estimada destes dois 
fatores na carga torsional é o momento de inércia polar. Sendo assim, quanto mais amplo é o momento de inércia polar, 
mais forte e mais rígido é o osso. Isto é possível ser analisado quando verificando as secções transversas distal e 
proximal de uma tíbia sujeita a carga torsional, embora a secção proximal tenha uma área discretamente menor que a 
secção distal, ela tem um momento de inércia polar mais alto, porque muito do tecido ósseo está distribuído a uma 
distância maior do eixo neutro. A secção distal enquanto tem uma área óssea mais ampla, está sujeita a um maior stress 
em cisalha porque muito do tecido ósseo está distribuido próximo ao eixo neutro. A magnitude do stress em cisalha na 
secção distal é aproximadamente o dobro que na secção proximal, razão pela qual as fraturas torsionais da tíbia 
comumente ocorrem distalmente. 
 
A ATIVIDADE DOS MÚSCULOS SOBRE OS OSSOS 
 
Os músculos alteram a distribuição do stress no osso, diminuindo ou eliminando o stress tensil no osso por produzir 
stress compressivo que neutralizam-no parcialmente ou totalmente. 
Um exemplo desta contribuição da musculatura na proteção de estresses que poderiam ser lesivos ao osso, está na fig. 
16 que representa uma perna inclinada anteriormente sobre o tornozelo, sujeitando a tíbia a uma momento flexor. 
 
O alto stress tensil 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 tensil protegendo 
assim a tíbia de uma fratura em tensão. Outro exemplo está na articulação do quadril durante a locomoção na qual o 
colo femoral apresenta um stress tensil no córtex superior durante a fase de flexão do quadril no apoio unilateral. Para 
neutralizar este stress o glúteo médio contrai fazendo com que nem o stress compressivo nem o tensil atua sobre o 
córtex superior, podendo assim o colo femoral suportar uma maior quantidade de carga. 
A hipertrofiade um osso adulto normal pode ocorrer em resposta a exercícios estenuantes como relatado por JONES et 
al (1977); DALÉN & ALSSON (1974); HUDDLESTON et al 1980; NILSSON & WESTLIN, (1971) apud NORDIN (1989) 
Segundo Pawels (1980) o stress proporcionado pelo peso corporal sobre o osso é diferente nas diversas posições 
corporais variando também a ação muscular. Como exemplo desta sobrecarga imposta pelo peso corporal com e sem a 
ação muscular, Pawels desenvolve modelos que nos apresentam a magnitude do stress através do comprimento de um 
modelo ósseo. 
 
Como apresenta a fig.17 o peso do corpo atua verticalmente para baixo quando em repouso e se aplicado 
excentricamente a uma mesma distância do eixo da coluna em cada nível a carga atua em cada sessão cruzada desta 
com o mesmo braço de alavanca, tanto que a curva de stress tem a mesma magnitude. 
A distribuição quantitativa do stress em curva sobre o comprimento da coluna está representada no diagrama de stress 
ao lado. O comprimento das linhas horizontais indicam a escala de magnitude do stress em curva para cada nível da 
coluna. A direção da curva produzida pela carga está representada por um arco. Na Segunda figura verifica-se que a 
linha de ação da força forma um ângulo com o eixo da coluna. A extremidade superior onde a linha de ação da carga 
intersecciona o eixo da coluna, não existe stress em curva, aumentando quando a linha de ação do stress em 
compressão e o eixo se distancia progressivamente. A terceira figura sendo oblíqua, a carga é deslocada para a direita e 
a linha de ação intersecciona o eixo da coluna no seu meio, produzindo assim um maior stress nas duas extremidades da 
coluna e chegando a zero no seu meio onde a linha de ação intersecciona o eixo. Sendo assim, conclui-se que a 
distribuição quantitativa do stress em curva sobre o comprimento da coluna depende da posição da linha de ação da 
carga em relação ao eixo da coluna. 
 
Outro exemplo mais próximo de uma estrutura conhecida está demonstrado na figura 16 que ilustra um fêmur sobre o 
qual o stress proporcionado pelo peso corporal é aplicado. Quando o joelho está estendido (fig. 18a ) a área de 
superfície dos momentos é retangular, já na fig. 18b apresenta-se na forma de um triângulo assim como na fig. 18c 
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. 
Após a aplicação da sobrecarga nestes modelos e verificado o comportamento do osso em função da linha de ação 
desta, agora Pawels introduz outro componente importante que são os músculos os quais atuam como bandas de 
tensão se opondo ao stress em curva imposto pelo peso corporal durante o movimento do membro, o que pode ser 
observado pelas curvas de stress produzidos pelos músculos na fig. 19a - c. Na fig. 19a Pawels fixa uma faixa 
paralelamente ao eixo significando que a força está atuando gualmente em todo o seu comprimento na mesma 
distância como um músculo biarticular. Na fig. 19b a banda de tensão está fixada na face anterior da barra, atuando 
como um músculo monoarticular, sendo que a distância da linha de ação em relação ao eixo do osso aumenta de cima 
para baixo. Na fig. 19 c, a banda de tensão é fixada na face posterior da barra exercendo o mesmo efeito como o 
músculo monoarticular. 
 
Com isto demonstra-se que o músculo assim como a aplicação do peso corporal como sobrecarga pode atuar sobre os 
ossos de maneira completamente diferente, dependendo da posição em que esta força é aplicada em relação ao eixo do 
osso, assim como se o músculo é biarticular ou monoarticular e se origina na face posterior ou anterior do osso. 
Com isto Pawels destaca a importância do equilíbrio entre estas duas forças, o peso e a ação muscular com intuito de 
uma economia de energia e ainda sobre esta questão desenvolve um diagrama que destaca que, em função da linha de 
stress passar próximo as articulações a exigência é diminuída permitindo assim que o depósito de matéria óssea seja 
menor, tornando o osso leve. O contrário será verdadeiro se os stresses ocorrerem em diversas regiões no mesmo osso, 
exigindo assim uma adaptação com depósito ósseo com intuito de aumentar sua resistência. (Fig. 20). 
 
 
Dependendo do tipo de stress que o osso suporta existe uma maior ou menor deposição de material ósseo, como 
demonstra a FIG.21a onde o lado que suportou stress em compressão aumentou sua espessura e o lado que suportou o 
stress em tensão apresenta uma área menor (FIG.21b). Se o stress atua alternadamente nas direções opostas (FIG. 21c) 
ambos lados da secção cruzada deve estar correspondentemente reforçado. 
Prova desta adaptação ao stress é demonstrada na fig. 23 na secção transversa da tíbia, sendo que por ser triangular a 
principal massa de material ósseo fica posteriormente por suportar um maior stress compressivo e a menor massa fica 
anteriormente por suportar o stress tensil, oque também pode ser justificado pela distância do depósito de material em 
relação ao centro de gravidade ósseo, modificando assim a momento de inércia. 
 
Com isto o princípio da economia evidencia-se novamente no osso, onde na tíbia a massa óssea é distribuída em função 
do tipo de stress, compressivo ou tensil, por todo o seu comprimento e sua área de secção transversa. 
Outro fator que pode influenciar a capacidade de resistir a sobrecarga no tecido ósseo, é a velocidade, a quantidade 
com que a carga é imposta e a repetitividade com que esta carga é aplicada sobre este tecido. 
Quando um osso fratura a energia armazenada é liberada. As taxas de carga baixa, a energia pode dissipar através da 
formação de uma única fratura; os ossos e os tecidos moles permanecem relativamente intactos e existe pouco ou 
nenhum deslocamento dos fragmentos ósseos. A altas taxas de cargas, entretanto, a maioria da energia armazenada 
não pode dissipar rapidamente o bastante através de uma simples fratura e a cominutação do osso e tecidos moles 
extensas prejudicam o resultado. 
 
A REPETITIVIDADE DA APLICAÇÃO DA CARGA 
 
Quanto a repetitividade da aplicação da carga sobre o tecido ósseo, pode-se dizer que uma fratura pode ocorrer quando 
aplica-se uma simples carga que excede a força limite do osso ou pelas aplicações repetitivas de uma carga de mais 
baixa magnitude, ou seja, as fraturas por fadiga. 
 
 
A interrelação da carga e a repetição pode ser observada na curva de fadiga (Fig. 25), demonstrando que para alguns 
materiais (metais por exemplo) a curva de fadiga é assintótica, indicando que se a carga é mantida abaixo de um certo 
nível, teoricamente o material permanecerá intacto, não importanto quantas repetições. Para o osso a curva não é 
assintótica, sendo que o osso fratura-se rapidamente quando submetido a repetidas cargas. Este processo de fratura é 
afetado não só pela quantidade de carga e número de repetições mas também pelo número de aplicações da carga num 
determinado tempo (freqüência da carga). 
Desde que o osso esteja ativo, ele se auto-remodela, fazendo com que a fratura por fadiga aconteça só quando este 
processo estiver ausente pelo processo de fadiga, isto é, a carga é tão freqüente que ela impede a necessária 
remodelação para previnir a falência. 
Para McLEOD, BAIN e RUBIN (1990) apud GRABINER (1993) os estímulos mecânicos de alta freqüência foram mais 
osteogênicos que os estímulos de baixa freqüência de idêntica amplitude 
RICO et al. (1994) observaram diferenças de densidade mineral óssea cortical e trabecular em membros dominantes e 
não dominantes concluindo através de tomografias que a execução mínima ou moderada de exercício pode estimular o 
aumento do osso cortical no membro dominante. 
Segundo GUERINO, GONÇALVES e LEIVAS (1996) quando analisandoo efeito do treinamento de natação em ratos com 
sobrecarga de 5% do peso corporal por 30 dias, observaram que houve um aumento na resistência máxima do tecido 
ósseo quando submetidos a testes de resistência mecânica. 
A remodelação óssea constitui um capítulo de grande importância, pois das muitas fraturas existentes, uma 
porcentagem significativa não atinge a sua consolidação, daí a necessidade de investigar os processos que levam a esta 
cicatrização e aos possíveis mecanismos que podem até acelerá-la, como a energia elétrica (GUERINO et al. 1996), 
campos eletromagnéticos, instrumentos de fixação mecânica e outros. 
Quando um osso inicia a cicatrização após a fratura, vasos sanguíneos e tecido conjuntivo do periósteo migram para a 
região da fratura, formando uma cobertura de tecido fibroso denso, ou calo, ao redor do local da fratura, a qual 
estabiliza aquela área. 
O calo significativamente aumenta a área e o momento de inércia polar, por isso, aumentando a força e a dureza do 
osso na flexão e torsão durante o período de cicatrização. Como a fratura cicatriza e o osso gradualmente recupera sua 
força normal, o calo envolvente é progressivamente reabsorvido e o osso retorna próximo ao seu tamanho e forma o 
mais normal possível. 
Um implante que permanece funcionalmente fixado ao osso após uma fratura cicatrizada pode também diminuir a força 
e a dureza do osso. No caso de uma placa fixada ao osso com parafusos, a placa e o osso dividem a carga em proporções 
determinadas pela geometria e propriedades materiais de cada estrutura. Uma placa ampla, carregando cargas altas, 
descarrega o osso por uma grande extensão. Com isto o osso atrofia em resposta a esta carga diminuida. 
O fato da placa descarregar a carga sobre o osso, este é parcialmente reabsorvido e o diâmetro torna-se menor, 
diminuindo assim a força do osso, particularmente na flexão e torsão, como ele reduziu sua área, assim também é 
reduzido o momento de inércia polar. 
Para O’SULLIVAN et al. (1994) a deambulação contribui na remodelagem óssea em tíbias de cachorros. 
Por fim, outro fator que modifica a estrutura óssea e sua resistência é a idade. Segundo SIFFERT & LEVY, (1981) apud 
NORDIN e FRANKEL (1989), uma progressiva diminuição da densidade óssea tem sido observada como parte de um 
processo de envelhecimento normal. As trabéculas longitudinais tornam-se mais finas e algumas das trabéculas 
transversas são reabsorvidas 
É possível verificar através da fig. 26, que a diminuição da quantidade de osso reduz a força e dureza óssea. O stress 
definitivo foi aproximadamente o mesmo para ossos jovens e idosos. Os espécimes de ossos idosos podem resistir só 
metade da deformação dos ossos jovens, indicando serem mais quebradiços e uma reduzida capacidade de 
armazenamento de energia. 
 
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