Biomecânica - Aula 11 biomec musculos e ossos parte 1

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec.html
Felipe P Carpes
Biomecânica do tecido ósseo e articulações

Veja 04/1996

Objetivos da aula
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

Matriz orgânica (cálcio, fosfato, colágeno): 60 a 70%
Água: 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

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

Forma
dos
ossos

Diáfise – corpo
Epífise – extremidades
Placa/linha Epifisal– região de
crescimento
Artérias Nutrientes– medula e osso
compacto

Arquitetura de ossos
chatos

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

Perfuração / Canais de VolkmannCentral / Canais Haversianos
cortical
trabecular

Hierarquia

Compressão
Tensão
Cisalha
Estresse(Mpa)
200
150
100
50
Tensão
Compressão
Força e dureza do tecido ósseo
Cortical
Trabecular

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)
Características biomecânicas

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)

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
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

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

Sem carga
Comprimento
Diâmetro
Sobrecargas mecânicas

Sobrecargas mecânicas
Efeito Poisson
Simeón Poisson foi estudante de
Doutorado de Joseph Lagrange
Você sabia?

COMPORTAMENTO MECÂNICO
– Lei de Hooke –” Tensão é
proporcional à deformação”
– Não-Hookeano – não
responde de forma linear à
aplicação de carga.
carga
deformação
inclin = módulo de
elasticidade
Displacement
(strain)
Force
(stress)
Elastic
material
Displacement
(strain)
Non elastic
material
Force
(stress)
Robert Hooke (1635-1703)

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
Deformação
Carga
Região elástica
Deformação

RESPOSTA PLÁSTICA
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
Deformação
Estresse(carga)
Fratura / falha
Região plástica

Resistência a falha
Diminuição com a
idade
Diferença entre
ossos e regiões do
corpo

Envelhecimento

jovem idoso

Viscoelasticidade
Diferentes respostas
a diferentes
velocidades de
aplicação de carga

Anisotropia
Diferentes respostas
a cargas aplicadas
em diferentes
direções

Remodelação óssea
Como os ossos resistem por tanto tempo ao longo da vida?
Qual é o processo que determina essa resistência ?

Modelação e 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

Os processos ocorrem devido à atividade de:
 Osteoblasto - célula óssea responsável pela produção de
tecido ósseo
 Osteoclasto - célula óssea responsável pela reabsorção
de tecido ósseo
 Osteócito - osteoblastos envolvidos pela própria matriz
que produziram.

E quando a resistência não é
suficiente?

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

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

Adaptação do Tecido Ósseo: IMOBILIZAÇÃOIMOBILIZAÇÃO

 Indivíduos acamados sofrem severa perda do
tecido ósseo (1% / sem);
 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)
Carga ativa: Contração muscular (natação)
“Impacto”: 3 vezes o Peso Corporal (corredores, ginastas, dançarinos)

Características do tecido ósseo de crianças
Maior Proporção de Colágeno
 Aumento da flexibilidade óssea
 Maior tolerância à deformação plástica.
Diminuição da resistência à compressão
Alto potencial de remodelagem
Sobrecarga
Adulto
Crianç
a
FRATURA Deformação

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).

 Dança x CaminhadaDança 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)
 SoldadosSoldados:: Observa-se grande aumento (5 - 10 %) da massa
óssea de recrutas, após 16 semanas de treinamento. Grupo
apresenta alto índice de lesões ósseas.
 AstronautasAstronautas 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).

Terminações ósseas
Articulações

movimento
Quais as características da terminação óssea?

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

Fibrosa Cartilaginosa Sinovial
Conexão entre ossos – formando
segmentos: articulações

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

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

Fatores responsáveis pela degeneração da
cartilagem articular
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

Compressão
Tensão/ Compressão
Cisalhamento
Torção

Pilar anterior Pilar posterior
Segmento
passivo
( vértebra)
Segmento
ativo

EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNAEXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA
VERTEBRALVERTEBRAL

WHITE III e PANJABI
(1990)
Resistência das vértebras
Cargas compressivas

Wilke et al. (1999)

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...

Referências básicas
• 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.

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Notes de l'éditeur