biomecânica - aula 11 biomec musculos e ossos parte 1
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Felipe P Carpes
Biomecânica do tecido ósseo e articulações
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Veja 04/1996
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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.
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MúsculosOssos
ArticulaçõesTendões
Ligamentos
CinemáticaCinética
Eletromiografia
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Matriz orgânica (cálcio, fosfato, colágeno): 60 a 70%
Água: 25 a 30%
Tecido ósseo
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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 de16% 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
corticaltrabecular
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Hierarquia
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Co
mp
ress
ão
Ten
são
Cis
alh
a
Est
ress
e (M
pa)
200
150
100
50
Ten
são
Co
mp
ress
ão
Força e dureza do tecido ósseo
Cortical
Trabecular
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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)
Piezoeletr icidade (campo elétrico atrai ou repele moléculas do
plasma, o que participa no fortalecimento
da estrutura)
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
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.
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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
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Características mecânicas dos ossos
Tensão (stress) - σ = F/A
Deformação (strain) - ε = (L-L0)/L0
Elasticidade
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Sem cargaComprimentoDiâmetro
Sobrecargas mecânicas
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Sobrecargas mecânicas
Efeito Poisson
Simeón Poisson foi estudante de Doutorado de Joseph Lagrange
Você sabia?
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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.
carg
a
deformação
inclin = módulo de elasticidade
Displacement(strain)
For
ce(s
tres
s)
Elastic material
Displacement(strain)
Non elastic material
For
ce(s
tres
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
Deformação
Car
ga
Região elástica
Deformação
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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
Est
ress
e (c
arg
a)
Fratura / falha
Região plástica
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Resistência a falha
Diminuição com a idade
Diferença entre ossos e regiões do
corpo
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Envelhecimento
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jovem idoso
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Viscoelasticidade
Diferentes respostas a diferentes
velocidades de aplicação de carga
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Anisotropia
Diferentes respostas a cargas aplicadas
em diferentes direções
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Remodelação óssea
Como os ossos resistem por tanto tempo ao longo da vida?
Qual é o processo que determina essa resistência ?
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Modelação e remodelação ósseaRemodelagem 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
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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.
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E quando a resistência não é suficiente?
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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
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E quando a resistência não é suficiente?
FraturaHematoma (vasos rompidos)Fluxo sanguíneo interrompidoFormação de um calo molePreenchimento a parte fraturadaOsteoclastos digerem as estruturas mortasForma o calo ósseo (dá estabilidade)Atividade dos osteoblastosConsolidação do osso novamenteAção 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: IMOBILIZAÇÃOIMOBILIZAÇÃO
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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%
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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)
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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
Criança
FRATURA 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 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).
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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
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
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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 tecidoAção sobre enzimas
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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
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Artrite reumatóide
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Compressão
Tensão/ Compressão
CisalhamentoTorção
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Pilar anterior Pilar posterior
Segmento passivo ( vértebra)
Segmento ativo
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EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA VERTEBRALVERTEBRAL
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EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA VERTEBRALVERTEBRAL
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WHITE III e PANJABI (1990)
Resistência das vértebras
Cargas compressivas
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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
Na próxima aula, vamos conectar os ossos e os músculos...
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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.