PROPRIEDADES MECÂNICAS DO TECIDO ÓSSEO E RISCO DE FRATURAS
Renato Aparecido de Souza1,2, Alexandre Greca Diamantino2, Arthur Nascimento
Arrieiro1, Murilo Xavier1,2
1
Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri/ Departamento de Fisioterapia,
CEP: 39100-000Fone/Fax: +55 38 3531 1200 email: [email protected]
2
Universidade do Vale do Paraíba/ Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento, São José dos
Campos,SP,Brasil, CEP 12.244.000. Fone: +55 12 3947 1168
[email protected]
Resumo- O tecido ósseo promove sustentação e estrutura ao corpo, e tem uma estrutura composta de um
tecido organizado. Sua fragilidade pode ser definida de modo geral como susceptibilidade a fraturas. O
conhecimento das propriedades mecânicas do osso é importante em diversos meios científicos, entretanto
os conceitos e princípios que determinam o melhor entendimento de todo esse processo de estímulo
mecânico nem sempre são muito claros para os profissionais da área da saúde. O objetivo do presente
trabalho é investigar, através de uma revisão bibliográfica, as propriedades biomecânicas do tecido ósseo,
bem como sua influência no risco de fraturas. O tecido ósseo é um tecido sólido, porém não é
completamente rígido, que constantemente é submetido a estresse. Ele se adapta aos estímulos mecânicos
por atrofia e hipertrofia, determinando assim a arquitetura do esqueleto através de leis mecânicas. Concluise que os estímulos devem ser dados de forma adequada para que sejam benéficos, e não prejudiciais, e
ainda que a ausência de estímulos também pode ser prejudicial, trazendo más conseqüências no processo
de reparação e remodelação das fraturas.
Palavras-chave: Biomecânica, tecido ósseo, fraturas.
Área do Conhecimento: Engenharia Biomédica
Introdução
O tecido ósseo promove sustentação e
estrutura ao corpo, sendo considerado uma
estrutura anatômica e um órgão fisiológico. Ele é
rígido e proporciona à região em que está situado:
sustentação para o tórax e extremidades;
alavanca para a função locomotora dos músculos
esqueléticos, proteção para vísceras e como
reservatório de cálcio e fósforo (SALTER, 1985).
Devido à função que os ossos desempenham,
eles são constantemente submetidos a diversos
tipos de esforços, semelhante à de uma estrutura
utilizada na engenharia. O osso pode ser visto
como um material com propriedades mecânicas
que podem ser medidas, estas propriedades
incluem a quantidade de deformação que ocorre
sob carga, o mecanismo e velocidade com que o
dano acumula-se no osso e as cargas máximas
que o material é capaz de tolerar. Estas
propriedades são determinadas através da
medição da deformação durante aplicação de
cargas bem definidas (BROWNER, 2000).
O osso é uma estrutura composta de um tecido
organizado, sua fragilidade pode ser definida de
modo geral como susceptibilidade a fraturas, e a
resistência a fratura é determinada tanto pelas
propriedades materiais como pelas propriedades
estruturais do osso, que também influenciam a
consolidação das fraturas (EINHORN, 1993).
Atualmente é comum o atendimento de
pessoas ainda portadoras de fraturas em
consolidação. Além das fraturas traumáticas, em
que a carga imposta ao osso é acima do tolerável,
os ossos estão freqüentemente sujeitos à fadiga,
que se manifesta na forma de microtrincas, as
quais podem evoluir para uma fratura, chamada
de “fratura de stress”, definidas como sendo uma
fratura parcial ou total do osso normal e intacto,
sem história de trauma (REEDER et al., 1996).
O conhecimento das propriedades mecânicas
do osso é importante em diversos meios
científicos, na área dos biomateriais, por exemplo,
o conhecimento das propriedades mecânicas do
osso auxilia o desenvolvimento de osteossínteses
e próteses mais ajustáveis às condições humanas,
ou seja, uma boa interação entre os dois tipos de
materiais garante o sucesso de seu uso
(HASTINGS & DUCHEYNE, 2000).
Todavia os conceitos e princípios que
determinam o melhor entendimento de todo esse
processo de estímulo mecânico nem sempre são
muito claros para os profissionais da área da
saúde. Justificando-se assim a necessidade de um
estudo que investigue a influência das
propriedades biomecânicas nas fratutas ósseas.
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
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O objetivo do presente trabalho é investigar as
propriedades biomecânicas do tecido ósseo, bem
como sua influência no risco de fraturas.
Metodologia
Utilizando os bancos de dados MEDLINE e
LILACS-BIREME, foram selecionados artigos
publicados recentes e relevantes, abordando as
propriedades biomecânicas do tecido ósseo e sua
influência no risco de fraturas. Os seguintes
termos
de
pesquisa
(palavras-chaves
e
delimitadores) foram utilizados em várias
combinações: 1) biomechanics; 2) bone; 3)
fracture.
Foram consultados livros que abordam o tema
“propriedades mecânica dos tecidos biológicos” e
“biomecânica do tecido ósseo”, para que os
conceitos básicos sejam bem entendidos.
Resultados e Discussão
Forças externas, quando agem nos tecidos
biológicos, podem ser definidas em termos
mecânicos.
Essas
forças,
que
causam
deformações internas entre as estruturas, podem
ser expressas como: carga, deformação, estresse
ou a percentagem de deformação que ocorre
dentro da estrutura (GOULD, 1993).
A força do material de cada tecido está
relacionada à sua capacidade de resistir à carga
ou sobrecarga e sobrecarga é a força por unidade
de área (KISNER, 1998). Do ponto de vista
mecânico, a resistência do osso pode variar de
acordo com as microestruturas presentes, as
quais absorvem ou distribuem tensões.
Um osso falhará quando a carga aplicada
exceder a capacidade de sustentação de carga, e
assim tanto as cargas aplicadas quanto a
capacidade de sustentar carga devem ser
conhecidas para calcular o risco de fraturas. A
maioria das estruturas, como uma ponte ou
edifício, são projetadas para suportar cargas
várias vezes maiores do que as esperadas.
Similarmente, o esqueleto humano normal é capaz
de suportar cargas muito mais altas do que
esperadas durante as atividades de vida diária
(BROWNER, 2000). Considerando que os ossos
fazem parte de um arranjo que suporta uma
estrutura, estes possuem propriedades mecânicas
próprias para cada tipo de solicitação exigida pelo
corpo humano (LOFFREDO, 2007).
A deformação depende da quantidade de força
e freqüência na qual a força é aplicada. O tecido
ósseo apresenta um limite de deformação elástica
e um ponto crítico, que delimita o alcance de
deformação de uma variação não-elástica ou
elástica (Figura 1)(FRANKEL, 1980).
Figura 1- Deformação elástica e plástica do tecido
ósseo, observada na curva tensão x deformação.
O tecido ósseo é um tecido sólido,
constantemente submetido a estresse que
condicionam seu desenvolvimento e arquitetura
estrutural. Se adapta aos estímulos mecânicos por
atrofia e hipertrofia, determinando assim a
arquitetura do esqueleto por atrofia e hipertrofia
através de leis mecânicas (KISNER, 1998).
No entanto o osso não é um material
completamente rígido; não é flexível nem
quebradiço, mas sim uma combinação de ambos.
A parte mineral é mais instável e a parte orgânica
(colágeno) é mais flexível (GOULD, 1993). O osso
é considerado um material viscoelástico, pois
demonstra características subordinadas ao tempo
(mudanças nas propriedades mecânicas com
índices alterados e duração das aplicações da
carga)(CARTER, 1981).
O grau de fragilidade óssea pode ser acessado
conhecendo-se as propriedades estruturais e
materiais dos ossos. Os índices biomecânicos
revelam muito das propriedades materiais dos
ossos e que são primariamente dependentes da
natureza
dos
seus
macro-componentes
estruturais, colágeno e minerais.
Considerando que os ossos fazem parte de um
arranjo que suporta uma estrutura, estes possuem
propriedades mecânicas próprias para cada tipo
de solicitação exigida pelo corpo humano
(LOFFREDO, 2007).
Gould 1993, constatou que quando fibroblastos
são posicionados em tensão e alongados como
resultante das forças de tração muscular ou em
virtude da curvatura causada pela tensão de um
lado do osso, eles se alongam e emparelham em
linhas de força de tensão. Então aparecem fibrilas
colagenosas ao longo destas linhas para reagirem
a esse estresse (PARFIT, 1994).
O colágeno é o elemento estrutural que
absorve a maior parte da sobrecarga de tensão.
Não obstante, o colágeno não apresenta
propriedades mecânicas equivalentes quando
tencionado em diferentes direções, sendo
denominado
de
“anisotrópico”.
Anisotropia
significa que as propriedades mecânicas não são
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iguais em todas as direções, sendo essa uma
característica do osso cortical (EINHORN, 1993).
Isso porque estima-se que a contração muscular e
a descarga de peso facilitam o processo de
reparação.
A remodelação óssea pode ser estimulada por
forças mecânicas presentes nas atividades físicas
normais. Mas, a diminuição dos estímulos
mecânicos, observada em vôos espaciais
(exposição dos astronautas ao ambiente de
microgravidade), nas imobilizações ortopédicas e
na permanência prolongada de pacientes no leito,
pode causar danos significativos na estrutura
óssea.
Durante os vôos espaciais que duram mais de
um mês, os astronautas sofrem perdas
significativas da massa óssea e da densidade
mineral óssea nas principais partes do esqueleto
que suportam o peso corporal, principalmente na
coluna vertebral e nos membros inferiores
(TURNER, 2000).
O decréscimo da massa óssea pode provocar
aumento no risco de fraturas, não durante o
período de sub-carregamento, mas no retorno às
atividades
físicas
normais.
Portanto,
é
fundamental conhecer o comportamento mecânico
das
principais
estruturas
esqueléticas,
responsáveis pela sustentação do peso corporal,
após o período de hipocinesia (HOLICK, 1998).
O osso reage às cargas por remodelação que
consiste em reabsorção e conseqüente aposição
óssea lamelar. Isso toma lugar no periósteo, no
endósteo e nas lacunas intracorticais. A
remodelação é modificada construtiva ou
destrutivamente de acordo com o estresse
mecânico. Se o osso for sobrecarregado, ou seja,
submetido a forças que causam deformações
plásticas, as quais produzem lesões internas sem
que ocorra fratura, ele reage a essa sobrecarga
com uma rápida e massiva hipertrofia (CHAMAY &
TSCHANTZ, 1972).
Conclusão
Os conceitos que foram colocados nesse
trabalho são de especial importância para o
entendimento da lesão óssea e sua melhor forma
de tratamento. Os estímulos devem ser dados de
forma adequada para que sejam benéficos, e não
prejudiciais. A ausência de estímulos também
pode ser prejudicial, trazendo más conseqüências
no processo de reparação e remodelação das
fraturas.
Referências
- BROWNER, B.D. Traumatismos do Sistema
Musculoesquelético. Volume I, 2. ed. São Paulo:
Ed. Manole, 2000.
- CARTER, D. R., et al: The Mechanical and
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- EINHORN, T. Remodelacion óssea durante la
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V.;
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Manole, 1993.
- HASTINGS, G.W.; DUCHEYNE, P. Natural and
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- HOLICK, M.F. Perspective on the impact of
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- KISNER, C. Exercícios Terapêuticos,
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Manole, São Paulo, 1998.
- LOFFREDO, M.C. M.; FERREIRA, I. Resistência
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bovino. Revista Brasileira de Engenharia
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- PARFIT, A.M. The two faces of grows: benefits
and risks to bone integrity. Osteoporosis
International. v.4, n.6, p.382-98, 1994.
- REEDER, M.T.; DICK, B.H.; ATKINS, J.K.;
PRIBIS, A.B. Stress fractures – current concepts of
diagnosis and treatment. Sports Medicine, v.22,
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- SALTER, R.R.B., Distúrbios e lesões do
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Janeiro: Ed. Médica e Científica, 1985.
- TURNER, R.T. Physiology of a microgravity
environment. Invited Review: What do we know
about the effects of spaceflight on bone? Journal
of Applied Physiology. v.89, p.840-847, 2000.
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