1) O documento discute as propriedades biomecânicas dos ossos, músculos, articulações, tendões e ligamentos. 2) Apresenta conceitos sobre a anatomia, arquitetura e características mecânicas dos ossos, incluindo a adaptação aos exercícios. 3) Discutem processos como remodelação óssea e como a mobilidade e imobilização afetam o tecido ósseo.

1. Felipe P Carpes [email_address] www.ufsm.br/gepec/biomec.html Biomecânica do tecido ósseo e muscular

3. 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.

4. Músculos Ossos Articulações Tendões Ligamentos Cinemática Cinética Eletromiografia

5. Matriz orgânica (cálcio, fosfato, colágeno): 60 a 70% Água: 25 a 30% Tecido ósseo

6. 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

7. 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

8. Basicamente, as características de sobrecarga e uso definem o formato dos ossos

10. Forma dos ossos

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

12. Arquitetura de ossos chatos

13. 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

15. 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)

16. 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.

17. Lei de Roux: A orientação do sistema trabecular depende da direção das forças Vídeo Reconstrução da cabeça do fêmur

18. Osso normal Implante de crômio Implante de titânio ANDAR Gafaniz et al 2007

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

20. Perfuração / Canais de Volkmann Central / Canais Haversianos cortical trabecular

21. Hierarquia

22. 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

23. Características mecânicas dos ossos Tensão ( stress ) -  = F/A Deformação ( strain ) -  = (L-L 0 )/L 0 Elasticidade

24. Sem carga Comprimento Diâmetro Sobrecargas mecânicas

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

28. 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) Non elastic material Force (stress) Robert Hooke (1635-1703) Displacement (strain) Force (stress) Elastic material

29. 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 Deformação Carga Região elástica

30. 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 Fratura / falha Deformação Estresse (carga) Região plástica

31. jovem idoso

32. Viscoelasticidade Diferentes respostas a diferentes velocidades de aplicação de carga

33. Anisotropia Diferentes respostas a cargas aplicadas em diferentes direções

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

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

36. 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

37. 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.

39. E quando a resistência não é suficiente?

40. 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

41. 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

42. E quando a resistência não é suficiente?

44. Adaptação do Tecido Ósseo: IMOBILIZAÇÃO

45. 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%

46. Envelhecimento

47. 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)

48. 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

49. 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) .

50. Dança 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) Soldados : Observa-se grande aumento (5 - 10 %) da massa óssea de recrutas, após 16 semanas de treinamento . Grupo apresenta alto índice de lesões ósseas. Astronautas 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).

51. Terminações ósseas Articulações

52. Quais as características da terminação óssea? movimento

53. 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

56. 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

57. Líquido Sinovial Produzido pela membrana sinovial Nutrição da cartilagem Proteção Discos fibrocartilaginosos Otimiza a função da cartilagem Estabiliza a articulação Estruturas protetoras

58. Conexão entre ossos – formando segmentos: articulações Imóveis (sinartroses) Semi-móveis (anfiartroses) Móveis (diartroses) Bola e soquete, pivô, sela, dobradiça, elipsóide, plana

59. Fibrosa Cartilaginosa Sinovial Conexão entre ossos – formando segmentos: articulações

63. 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

64. Artrite reumatóide

66. Compressão Tensão/ Compressão Cisalhamento Torção

67. Pilar anterior Pilar posterior Segmento passivo ( vértebra) Segmento ativo

68. EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA VERTEBRAL

69. EXEMPLO DA APLICAÇÃO NA COLUNA VERTEBRAL

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

71. Wilke et al . ( 1999 )

72. 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...

73. 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.