AULA 3 BIOMECÂNICA - Tecido ósseo

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BIOMECÂNICA 
AULA 3 
Prof.Andréa Ferian 
BIOMECÂNICA 
DO 
TECIDO ÓSSEO 
Tecido ósseo 
 Um dos tecidos mais 
duros e resistentes 
do corpo humano 
 
Tecido ósseo 
 Estrutura dinâmica que sofre 
remodelagem constante e 
responde às alterações : 
 
 -nas cargas mecânicas 
 - nos hormônios sistêmicos 
 - nos níveis séricos de cálcio 
(tireóide e paratireóide) 
Tecido ósseo - Funções 
 Fornece estrutura esquelética rígida 
que sustenta e protege outros tecidos 
corporais 
 
 Depósito de minerais 
 
 Abriga as células da medula óssea 
 
 Forma um sistema de alavancas que 
pode ser movido pelas forças musculares 
aplicadas 
Tipos de ossos 
Esqueleto Axial 
Esqueleto Apendicular 
Curto Plano Longo 
Irregular 
Pneumático Sesamóide 
Tecido ósseo 
(macroscopicamente) 
 Cortical: (80% da massa esquelética): compacto, 
predomina nos ossos longos 
 Mais resistente ao estresse 
 
 Trabecular : esponjoso, predomina no esqueleto axial e no 
interior dos ossos longos 
 Suporta mais sobrecarga ou deformação 
 
 Apesar de possuírem as mesmas céls, seu comportamento 
mecânico e suas respostas adaptativas são diferentes 
Propriedades e estrutura do 
osso 
Composição Histológica: 
 
 Matriz óssea (60-70%): 
 Matriz Orgânico X Matriz Inorgânico 
 
 Água (±30%) 
 Água  resistência (fluxo de água nos ossos carrega 
nutrientes e afasta produtos de desgaste) 
 
(Irrigado ricamente por vasos sanguíneos) 
 
 
Matriz Orgânica 
 
 Fibras de proteína (colágeno) – 90% 
 Colágeno  elasticidade (resistência tensiva = 
capacidade de resistir a uma força de tração ou 
estiramento) 
 
 Substâncias de base (proteoglicanas) – 5%. 
 
 Células ósseas - 3 a 5%. 
 (Osteoblastos, osteoclastos e osteócitos) 
 
 
Células Ósseas 
 Osteoblastos: localizados na superfície óssea e formam 
osso 
 
 Osteoclastos: localizados na superfície do osso e 
reabsorvem osso 
 
 Osteócitos: permeiam toda a cortical do osso. Derivados 
de osteoblastos . 
 
 
Matriz Inorgânica 
 
 Carbonato de cálcio e fosfato de cálcio 
 
 
rigidez 
(resistência compressiva : capacidade de resistir a 
uma força de pressão ou esmagamento) 
 
Relação entre Matriz 
Inorgânica e Orgânica 
 
 
 Relação entre matéria inorgânica (cálcio e 
fósforo) e orgânica (colágeno, proteínas não 
colágenas) 
 
 - Recém-nascido: 1:1 Grande elasticidade 
 - 60 a 70 anos: 7:1 Fragilidade 
Propriedades e estrutura do 
osso 
 
 A porcentagem relativa de mineralização varia 
com a idade e também com a localização do 
osso no corpo 
 
 Osso poroso: quanto mais poroso, menor a 
proporção de fosfato e carbonato de cálcio 
 Porosidade baixa: osso cortical (camada externa) 
 Porosidade alta: osso esponjoso (camada interna) 
Propriedades Biomecânicas do 
Osso 
 Biomecanicamente, o tecido ósseo é um 
material composto (bifásico): mineral e 
colágeno 
 
 Propriedades mecânicas mais importantes 
são: resistência e rigidez. Essas e outras podem 
ser entendidas pelo exame de seus 
comportamentos sob cargas. 
 
Propriedades Biomecânicas do 
Osso 
 Curva de carga-deformação: 
 Cargas causam uma deformação ou uma 
mudança nas dimensões da estrutura 
 Quando uma carga numa direção conhecida é 
imposta na estrutura, a deformação da estrutura 
pode ser mensurada 
Curva de carga-deformação 
 Três parâmetros para 
determinar a resistência da 
estrutura são refletidos na 
curva 
1) Carga que a estrutura pode 
sustentar antes de falhar 
2) Deformação que a estrutura 
pode suportar antes de falhar 
3) Energia que a estrutura pode 
acumular antes de falhar 
(tamanho da área sob a curva 
inteira) 
 
Região Plástica 
Ponto de cedência 
Ponto de falha final 
Curva de estresse-deformação 
E
st
re
ss
e
 Região Plástica 
Região elástica: 
Pouca deformação – carga elevada. 
Remoção da carga – retorno ao estado original. 
 
Região plástica: 
Muita deformação – pouca carga. 
Remoção da carga – tecido não retorna ao estado 
original. 
Comprometimento do tecido por deformação óssea. 
 
Ponto de Fratura: 
Falência total do tecido. 
Tecido ósseo 
 
Curva de estresse-deformação 
 Estresse é a carga ou força por unidade de área (N/cm2, 
N/m2 e MN/m2) 
 
 Deformação (mudança em dimensão) desenvolve-se 
dentro de uma estrutura em resposta às cargas aplicadas 
externamente 
Estresse mecânico 
 Representa o resultado da distribuição interna da 
força, aplicada externamente sobre o corpo 
 Quantificado por unidade de área sobre a qual 
ela atua 
 Quando um impacto é aplicado ao corpo 
humano, a probabilidade de lesão de tecidos 
corporais está relacionada à magnitude e direção 
do estresse criado pelo impacto. 
Estresse mecânico 
Propriedades mecânicas 
 Osso cortical é mais rígido e mais forte que o esponjoso, 
sustentando maior estresse; 
 
 Osso esponjoso tem maior capacidade de absorção de 
choques (pode sustentar cargas até 50% de deformação 
antes de falhar, enquanto o osso cortical cede e fratura 
quando a deformação excede 1,5% a 2%); 
 
 Diferença física entre os dois tecidos é a densidade; 
 
 Osso esponjoso: 25% menos denso, 5 a 10% menos 
rígido e 5x mais flexível do que o cortical 
 
TECIDO ÓSSEO 
SOLICITAÇÕES MECÂNICAS 
Cargas mecânicas sobre os 
ossos 
 
 Forças e momentos podem ser aplicados a uma 
estrutura em várias direções produzindo: 
 Compressão 
 Tensão (tração) 
 Deslizamento (cisalhamento) 
 Envergamento 
 Torção 
 Cargas combinadas 
Compressão 
 Cargas iguais e opostas são aplicadas 
na direção interna à superfície da 
estrutura resultando em estresse e 
deformação 
 
 Estresse compressivo pode ser visto 
como várias pequenas forças 
direcionadas para dentro da estrutura 
 
 Estrutura encurta-se e alarga-se 
 Fraturas compressivas nas 
vértebras 
Tensão/Tração 
 Cargas iguais e opostas são aplicadas 
na direção externa à superfície da 
estrutura 
 
 Estresse de tensão pode ser visto 
como muitas pequenas forças 
direcionadas para fora da estrutura 
 
 Estrutura alonga-se e estreita-se 
 Fraturas no calcâneo por intensa 
contração do tríceps que produz 
carga de tensão 
 
Deslizamento 
 Aplicação de cargas 
tangenciais, a carga aplicada é 
paralela à superfície da 
estrutura e o estresse e a 
deformação tangenciais 
resultam dentro da estrutura 
 
 Fraturas tangenciais são mais 
comumente vistas em ossos 
esponjosos 
Envergamento 
 As cargas são aplicadas na estrutura, de 
modo que causam o envergamento da 
estrutura em um eixo 
 Combinação de tensão e compressão. 
Estresse e deformação de tensão agem 
em um lado de um eixo neutro e, 
estresse e deformação compressivo 
agem no outro lado 
 Envergamento pode ser produzido por 3 
forças ou 4 forças 
 Fraturas comumente nos ossos 
longos 
Torção 
 A carga é aplicada na estrutura 
num modo que causa à 
estrutura um giro em torno de 
um eixo, e um torque é 
produzido dentro da estrutura 
 Estresse tangenciais são 
distribuídos em toda a 
estrutura 
 Os estresses tangencias 
máximos agem nos planos 
paralelos e perpendiculares ao 
eixo neutro da estrutura 
Cargas combinadas 
 Osso humano é raramente carregado em 
somente um modo 
 Carregamento em ossos vivos é complexo 
 Osso submetido a cargas múltiplas 
indeterminadas 
 Geometria irregular 
Influência da atividade 
muscular 
 
 As contrações musculares diminuem ou 
eliminam o estresse de tensão no osso pela 
produção de estresse compressivo que 
neutraliza o de tensão, parcial ou totalmente 
 Prevenção da fratura anterior da tíbia por 
envergamento numa bota de esqui pela contração 
do tríceps sural 
Cargas repetitivas X traumáticas 
 Traumática: uma única força, grande o 
suficiente para causar lesão 
 
 Repetitivas: repetição sustentada de forças 
relativamente pequenas 
 Fraturas de fadiga ou de estresse 
Fraturas por overuse: 
Cargas repetidas de baixa 
magnitude. 
Mais frequenteem 
atividades físicas. 
 
Fraturas agudas: 
Uma única carga de alta 
magnitude. 
Acidentes. 
Cargas repetitivas X traumáticas 
Sobrecarga no tecido ósseo 
 
Microtraumas 
 
Remodelagem óssea: 
Osteoclastos reabsorvem tecido lesionado. 
Osteoblastos depositam nova estrutura. 
 
Fratura por estresse: 
Processo de remodelação é ultrapassado pelo 
processo de desgaste. 
Lesões Ósseas 
Lesões Ósseas 
 Fraturas 
 
 Avulsão: fratura induzida por uma carga de tração na qual uma 
parte do osso é puxada para fora por um tendão ou ligamento 
inserido nele 
 
 Cominutiva: caracterizada por numerosos múltiplos fragmentos 
 
 Impactada: pressionado um contra o outro por uma carga 
compressiva 
Lesões Ósseas 
 Fraturas 
 
 Fratura de estresse: uma fratura resultante de uma carga 
repetida de magnitude relativamente pequena 
 
 Fratura em galho verde: uma fratura resultante de uma 
inclinação ou torção na qual um lado do osso é quebrado e o 
outro lado permanece intacto 
Cintilografia Óssea – 
Fratura por estresse 
Crescimento e Desenvolvimento 
 Crescimento longitudinal: ocorre somente 
quando a epífise óssea está presente (produz 
continuamente novas células em sua diáfise). 
Fecha por volta dos 18 anos. 
 Crescimento circunferencial: os ossos crescem 
em diâmetro durante quase toda a vida 
 Osteoblasto: forma tecido ósseo novo 
 Osteoclasto: reabsorve tecido ósseo 
Crescimento e 
Desenvolvimento 
Resposta óssea ao estresse 
 Remodelagem óssea 
 Ação de osteoblastos e osteoclastos continuamente 
remodelam o osso 
 Depende da magnitude e direção do estresse 
mecânico aplicado 
 Hipertrofia óssea 
 Os ossos sofrem uma hipertrofia em resposta a certas 
atividades físicas regulares. Quanto maior a força ou a 
carga habitualmente encontrada, maior é a 
mineralização do osso. 
Resposta óssea ao estresse 
 Estresse reduzido: atrofia óssea 
 
 Cálcio diminui, peso e resistência decrescem 
 Cálcio vai para a circulação sanguínea  cálculos 
renais 
LEI DE WOLFF 
 
Osso se remodela para suportar demandas mecânicas 
impostas a ele 
 
Osso ganha ou perde tecido ósseo (compacto ou esponjoso) 
em resposta ao estresse mecânico 
 
Estresse mecânico: atividade e gravidade 
Maior atividade e maior massa corporal 
 
Maior estresse mecânico 
 
Maior tecido ósseo 
Resposta óssea ao estresse 
Volume 
Resultados de densidade óssea, de diferentes regiões do corpo (braço, perna, 
vértebras lombares, colo fêmur, trocanter do fêmur), dos jogadores de futebol das diferentes 
categorias em relação ao controle. Adaptado de Karlsson et al25. 
Obs: a primeira divisão treinava cerca de 12 h/semana; a terceira, 8 h/semana; e a 
sexta, 6 h/semana. 
Evidências: 
 
Astronautas e imobilização 
 
Atletas de diferentes modalidades 
 
Sedentarismo 
Resposta óssea ao estresse 
Desuso e Inatividade: 
Declínio de massa óssea. 
Reabsorção óssea. 
Difícil recuperação. 
Astronauta - Comportamento 
semelhante. 
 
Estudos no espaço: 
Ratos em atividades vigorosas. 
Mesma atividade osteoclástica. 
Menor atividade osteoblástica. 
 
Resposta óssea ao estresse 
Densidade óssea x modalidade 
 
Estímulo de tração gerada pelo músculo é 
insuficiente para aumentar densidade. 
Preferência pelo estímulo compressivo. 
 
Piezoeletricidade 
 
Comportamento piezoelétrico: 
Aplicação de cargas mecânicas geram cargas 
elétricas. 
 
Piezoeletricidade no osso 
Compressão  carga negativa  construção 
Tração  carga positiva  reabsorção 
 
Densidade mineral óssea das atletas do sexo feminino de diferentes 
modalidades, para diferentes regiões do corpo, expressa em valores 
percentuais em relação ao grupo controle. 
 
Densidade óssea em crianças (12 - 13 anos) em 
função da atividade física (Grimston et al., 1993) 
“Impacto”: 3 vezes o Peso Corporal (corredores, ginastas, dançarinos) 
Carga ativa: Contração muscular (natação) 
 
Criança e adolescente 
Características de composição importantes: 
Maior quantidade de colágeno 
Menor quantidade de cristais de cálcio. 
Presença dos discos epifisários. 
 
Maior quantidade de colágeno: 
Aumento da flexibilidade do tecido. 
Diminuição de rigidez do tecido. 
Menor tolerância às cargas de compressão. 
Maior possibilidade de atingir a região plástica. 
 
 
Discos epifisários 
Características: 
Disco cartilaginoso. 
Região de proliferação do tecido ósseo. 
Região de maior vulnerabilidade. 
 
 
Forças aplicadas nos ossos longos de 
crianças geram mais lesões nas epífises do 
que nas articulações. 
(WILKINS, 1980 e SPEER & BRAUN, 1985) 
 
Cargas excessivas na linha de crescimento. 
(discos epifisários) 
 
Comprometimento irreversível das estruturas responsáveis pelo 
crescimento do tecido. 
(células e suporte sanguíneo) 
 
Conseqüência: Distúrbio do Crescimento. 
Distúrbios de crescimento: 
Intensidade X modalidade 
Ex: ginasta. 
 
Exercícios intensos: aceleração da maturação óssea de animais 
(macacos) 
Supressão permanente do crescimento longitudinal do osso. 
 
Lesivo é a intensidade, não a modalidade. 
Comprometimento do tecido ósseo 
 
Maior Proporção de Colágeno 
 
- Aumento da flexibilidade óssea 
- Maior tolerância à deformação plástica 
- Diminuição da resistência à compressão 
- Alto potencial de remodelagem 
 
 
Características do tecido ósseo de crianças 
 
Sobrecarga 
 Adulto Criança 
FRATURA Deformação 
Osteoporose 
 Perda excessiva de componente mineral e da 
resistência do osso 
 Hiperatividade dos osteoclastos 
 Hipoatividade dos osteoblastos 
 Fatores hormonais 
 Ingestão insuficiente de cálcio ou outros minerais 
e nutrientes 
Tecido ósseo - idoso 
Envelhecimento: 
Diminuição na quantidade de trabéculas. 
Diminuição da espessura do osso cortical. 
Redução da resistência e da rigidez. 
 
Efeitos: Mulheres > Homens. 
 
Menopausa e Amenorréia: 
Interrupção da menstruação. 
Pouca gordura corporal  pouco estrogênio. 
 
Baixo estrogênio: 
Diminuição na absorção do cálcio. 
Facilita reabsorção do osso. 
Tecido ósseo - idoso