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.

MúsculosOssos

ArticulaçõesTendões

Ligamentos

CinemáticaCinética

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 de16% 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

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

corticaltrabecular

Hierarquia

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)

Piezoeletr icidade (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

Gafaniz et al 2007

Características mecânicas dos ossos

Tensão (stress) - σ = F/A

Deformação (strain) - ε = (L-L0)/L0

Elasticidade

Sem cargaComprimentoDiâmetro

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.

deformação

inclin = módulo de elasticidade

Displacement(strain)

Elastic material

Displacement(strain)

Non elastic material

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

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

Fratura / falha

Região plástica

Resistência a falha

Diminuição com a idade

Diferença entre ossos e regiões do

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 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

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

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

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

Criança

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 tecidoAção 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

CisalhamentoTorção

Pilar anterior Pilar posterior

Segmento passivo ( vértebra)

Segmento ativo

EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA EXEMPLO 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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