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Biomecânica óssea

Helder Tavares
26 de out. de 2015
3 min de leitura

Introdução.

O objetivo do sistema esquelético é proteger os órgãos internos, promover ligações cinemáticas rígidas para a fixação muscular, e facilitar e ação muscular e o movimento corporal. O osso possui uma estrutura única e propriedades mecânicas que o permitem realizar essas funções. É uma das estruturas corporais mais duras, ficando atrás apenas da dentina da coroa dos dentes. É altamente vascularizado, com uma excelente capacidade de auto reparação, podendo se adaptar conforme as necessidades mecânicas tornando-se mais ou menos denso conforme as cargas mecânicas impostas sobre ele (Lei de Wolf) (NORDIN & FRANKEL, 2012).

Estrutura e composição óssea.

Figura 1 – Matriz de base

O osso é um tecido conectivo, cuja a composição sólida é devida a sua alta concentração de material inorgânico na forma de sais minerais (STANDRING, 2008). Em ossos normais a porção inorgânica consiste principalmente de cálcio e fosfato, e diminutos cristais de hidroxiapatita. Totalizando 60% do peso ósseo, promovendo ao osso solidez e consistência, enquanto a água responde a 10% do peso total; os 40% finais são compostos por matriz orgânica, composta predominantemente por colágeno (tipo I) (NORDIN & FRANKEL, 2012). Existe uma base gelatinosa que envolve as fibras mineralizadas, consistindo de mucopolissacarídeos, ou glicoaminoglicanos (GAG´s) na forma de proteoglicanos (condroitina e sulfato de glicosamina), entre outras funções estão as de nutrir e amortecer as cargas impostas no sistema.

As propriedades ósseas vem da sua complexidade estrutural. Quando forças são aplicadas no tecido ósseo, elas criam cargas. Engenheiros usam vários nomes para descrever como as cargas tendem a mudar a forma do material. Isso incluem as cargas sobre o eixo axial principal, compressão, tensão e cisalhamento (deslizamento). Compressão pode ser entendida como uma força externa que tende a espremer as moléculas do um material (Fig 2a). a tensão é a força que tende a separar ou tracionar o material (Fig 2b). e o cisalhamento acontece quando duas forças perpendiculares atuam em direções opostas (Fig 2c) (KNUDSON, 2007).

O efeito das forças irão causar estresse mecânico, normalmente simbolizado pela letra grega sigma e pode ser definida como a força por unidade de área dentro do material:

O estresse mecânico é similar ao conceito de pressão e apresenta as mesmas unidades (N/m2 e lbs/in2). No sistema internacional um Newton por metro quadrado equivale a 1 Pascal (Pa). No curso a pressão sobre os tecidos biológicos será, muitas vezes referida como MPa ou 1.000.000 N/m2, ou 100 N/cm2. Ossos longos, como o fêmur ou o úmero, são mais resistentes a forças compressivas do que forças de cisalhamento [if supportFields]> CITATION HAL12 \l 1046 <![endif](HALL, 2012)[if supportFields]><![endif]. Isso acontece por que o tecido ósseo é classificado como um material ansiotrópico, que apresenta diferentes níveis de resistência a diferentes direções de forças aplicadas (Fig 3). Isso acontece porque o osso trabecular (esponjoso) é especializado em absorver as forças compressivas mecânicas e desviá-las para a periferia do osso cortical, apresentando um maior potencial de deformação mecânica (Strain) (Fig 4).

Biomecanicamente o tecido ósseo pode ser referido como um material composto (bifásico), e como esses materiais (como a fibra de carbono) onde uma material mais forte e duro envolve uma material mais flexível. As substâncias combinadas são mais fortes do que cada substância isolada (LEONDES, 2009). A curva hipotética de deformação (Strain) de um osso longo pode ser mostrada na figura 5.

Entre os pontos A e B a força aplicada está dentro da amplitude de elástica, e por isso não há deformação permanente e o osso retorna para seu estado natural. Mas se a força continua a ser aplicada e passa do ponto B entra a amplitude plástica, agora as deformações ósseas serão permanentes. Se mais força é aplicada ela alcança o ponto C que é o ponto de fratura.

Estresse.

O estresse é a medida de como as forças internas se distribuem dentro das estruturas internas de um corpo (NORDIN & FRANKEL, 2012). A força interna é distribuída sobre a área transversal (A)

O estresse é inversamente proporcional à área sobre a qual a força é aplicada. É normalmente reportado numa unidade chamada Mega Pascal (MPa) que equivale a 100.000 Pa. Como as áreas transversais corporais são tipicamente mensuradas em cm2 então tem-se que converter as forças de N/cm2 para MPa com o fator de 0,01.

NORDIN, M., & FRANKEL, V. H. (2012). Basic Biomechanics of the Musculoskeletal System. Baltimore, US: Lippincott Willians & Wilkins.

STANDRING, S. (2008). Gray´s Anatomy: The anatomical Basis of Clinical Pratice. Madri: Elsevier Limited.

KNUDSON, D. (2007). Fundamentals of Biomechanics: Second Edition. Florida, CA: Springer.

HALL, S. (2012). Basic Biomechanics: Sixth Edition. New York: McGraw Hill.

LEONDES, C. T. (2009). Biomechanical Systems Technology. London, UK: World Scientific Publishing Co.