Apresentacao Skeletal Biomechanics

1Skeletal Biomechanics

Disciplina: TPICOS ESPECIAIS EM CINCIAS DOS MATERIAIS I - MEC3108 - (2015 .1 )

Professor: DANILO ALVES PINTO NAGEM

Alunos:

FRANKLIN MEDEIROS GALVO

RODRIGO LACERDA DE MELO

2BIOMECNICA ESQUELTICA

SISTEMA ESQUELTICO - Introduo

O sistema esqueltico constitudo por um nmero de diferentes tecidos, queso formas especializadas de tecido conjuntivo. Os tecidos conjuntivosesquelticos primrios so ossos, cartilagens, ligamentos e tendes.

3BIOMECNICA ESQUELTICA

SISTEMA ESQUELTICO - Introduo

O esqueleto humano uma notvel estrutura composta de 206 ossos. Osossos rgidos ligam-se em vrias articulaes, uma concepo que permite oesqueleto proporcionar um suporte estrutural para o corpo, enquanto mantma flexibilidade necessria para o movimento.

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OSSOS DO CORPO HUMANO

5 Princpio de construo do esqueleto: com o mximo de resistncia e com o mnimo

de material;

Estrutura ssea relacionada funo e s cargas a que so suportadas pelo

esqueleto;

Leve para diminuir a massa corporal total e portanto favorecendo a mobilidade (15 a

20 % do peso corporal);

Resistente e elstico para resistir compresso e trao;

Aproximadamente 206 ossos

OSSOS - FUNES ESTRUTURAIS

6Carbonato de Clcio, Fosfato de Clcio, Colgeno e gua.

O carbonato e o fosfato de clcio do rigidez ao osso e so osresponsveis pela resistncia compresso;

O colgeno d elasticidade ao osso e contribui para a resistncia trao;

A gua tambm importante para a resistncia do osso.

ESTRUTURAS DO TECIDO SSEO

Principais Constituintes:

7Composio aproximada da matriz extracelular de tecido sseo baseado em

valores de consenso a partir de vrias fontes.

COMPONENTES MASSA (%)

Fase mineral (hidroxiapatita) 70

Matriz orgnica (osteide)

Colgeno (principalmente do tipo I) 18

Protenas no-colgenas e proteoglicanos 02

gua 10

ESTRUTURAS DO TECIDO SSEO

8 O tecido sseo constitudo por clulas incorporadas em uma matrizextracelular

Assim, o tecido dinmico est sendo constantemente renovado. Naverdade, estima-se que 10-15% do osso em todo o corpo substitudo por

um novo osso a cada ano.

COMPOSIO E ESTRUTURA DO TECIDO SSEO

Tecido Dinmico:

9 O tecido sseo antigo constantemente destrudo e um novo tecido formado emseu lugar, em um processo conhecido como REMODELAO.

Em um adulto saudvel, uma delicada homeostase (equilbrio) mantida entre a

ao dos osteoclastos (reabsoro) durante a remoo de clcio e a dos

osteoblastos (aposio) durante a deposio de clcio. Se muito clcio for depositado,

podem se formar calos sseos ou esporas, causando interferncias nos movimentos.

Se muito clcio for retirado, h o enfraquecimento dos ossos, tornando-os flexveis e

sujeitos a fraturas.

COMPOSIO E ESTRUTURA DO TECIDO SSEO

OSTEOBLASTOS, OSTEOCLASTOS E OSTECITOS:

10

Ostecitos so clulas maduras derivadas dos Osteoblastos, residentes em lacunas

da matriz ssea.

H de 20000 a

30000 ostecitos

por mm de osso.

REMODELAO SSEA

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OSSO TRABECULAR (ou esponjoso) - mais poroso Densidade relativa < 0,7 Densidade aparente 0,1 1 g / cm3

OSSO CORTICAL - menos poroso Densidade relativa > 0,7 Densidade aparente 1,8 g / cm3

TECIDO SSEO: OSSO TRABECULAR E CORTICAL

Difere pela sua Porosidade:

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Substncia compacta (osso cortical): Lamelas dispostas umas sobre asoutras, paralelas ao longo do osso e sem espao entre si. Formam trabculas

paralelas. Maior quantidade de substncia mineral.

Substncia esponjosa (osso trabecular): Lamelas se entrecruzam nas maisvariadas direes, formando cavidades e pontos de unio. Trabculas com

distribuio aparentemente irregular. Suporta maior deformao


13


14

Reveste a superfcie exterior da maioria dos ossos e encontrado nos veiosdos ossos longos;

Devido sua baixa porosidade (tipicamente

15

Perto das superfcies exteriores e interiores do osso, as lamelas estodispostas em circunferncia e paralelas uma das outras; estas so

conhecidas como lamelas concntricas;

As lamelas esto ligadas ao canal central por canais microscpicoschamados canalculos;

Um canal mais circundante de lamelas que intervm no osso chamadosteon

OSSO CORTICAL OU COMPACTO

Microestrutura do osso cortical

16

OSSO CORTICAL OU COMPACTO

Microestrutura do osso cortical

17

encontrado nas vrtebras e nas extremidades dos ossos longos, tais como o

fmur, a tbia e raio;

O estudo do osso trabecular importante porque fraturas relacionadas

idade ocorrem principalmente em locais do osso trabecular, como o fmur

proximal (quadril), a extremidade distal do rdio (punho), e os corpos vertebrais

(coluna).

OSSO TRABECULAR OU ESPONJOSO

18

Estrutura tridimensional do osso trabecular a partir da crista ilaca da pelve de um

homem de 37 anos sem distrbios sseos conhecidos (A) e de uma mulher de 73 anos

de idade com osteoporose (B). Nota-se densa, a estrutura em forma de placa do osso

jovem, enquanto que o osso com osteoporose menos denso

OSSO TRABECULAR OU ESPONJOSO

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PROPRIEDADES BIOMECNICAS DO OSSO

Conceitos importantes sobre as propriedades dos materiais

A determinao e/ou conhecimento das propriedades mecnicas muitoimportante para a escolha do material para uma determinada aplicao, bemcomo para o projeto e fabricao do componente.

As propriedades mecnicas definem o comportamento do material quandosujeitos esforos mecnicos, pois estas esto relacionadas capacidade domaterial de resistir ou transmitir estes esforos aplicados sem romper e sem sedeformar de forma incontrolvel.

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Principais propriedades mecnicas dos materiais

Resistncia trao

Elasticidade

Ductilidade

Fadiga

Dureza

Tenacidade

Cada uma dessas propriedades est associada habilidade do material

de resistir s foras mecnicas e/ou de transmiti-las

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Conceito de tenso e deformao

Para uma carga esttica ou

relativamente lenta ao longo do tempo

aplicada uniformemente sobre uma

seo reta ou superfcie de um

membro, o comportamento mecnico

pode ser verificado atravs de um

ensaio de tenso-deformao.

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Como feito o ensaio de trao

F

F

Representao esquemtica do ensaio de trao.

A mquina de ensaios de trao

projetada para alongar o corpo de prova a

uma taxa constante, alm de medir

contnua e simultaneamente a carga

aplicada e os alongamentos resultantes;

O ensaio destrutivo;

O resultado um grfico na forma de

carga ou fora em funo do

alongamento;

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Ensaio mecnico de trao de uma pea ssea

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Definio de tenso e deformao

oA

F

Sendo:

= tenso (Pa);

F = carga instantnea aplicada (N) e

Ao = rea da seo reta original antes da aplicao da carga (m2).

oo

oi

l

l

l

ll

Sendo:

= deformao (adimensional);

li = comprimento instantneo e

lo = comprimento original.

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Deformao Plstica e Deformao Elstica

DEFORMAO ELSTICA

Prescede deformao plstica;

reversvel;

Desaparece quando a tenso removida;

praticamente proporcional tensoaplicada (obedece a lei de Hooke).

DEFORMAO PLSTICA.

irreversvel porque resultado dodeslocamento permanente dos tomos e

portanto no desaparece quando a

tenso removida.

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Mdulo de Elasticidade ou Mdulo de Young

o quociente entre a tenso aplicada e adeformao elstica resultante Lei de Hooke.

Est relacionado com a rigidez do material ou resistncia deformao elstica.

E = /Sendo:

= tenso (Pa);

= deformao;

E = mdulo de elasticidade (Pa);

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Mdulo de Elasticidade ou Mdulo de Young

Deformao ()

Tenso

()

= E

A lei de Hooke vlida at este

ponto.

Mxima tenso que o material suporta

sem sofrer deformao permanente.

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Limite de resistncia a trao e tenso de ruptura

tenso mxima aplicada ao

material antes da ruptura tenso que promove a ruptura do material

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Cargas mecnica sobre os ossos

Compresso Trao Cisalhamento Toro Flexo

30


Cargas mecnicas sobre os ossos

Compresso Trao Toro Cisalhamento

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Resposta ssea a tenses

Hipertrofia - Ossos de pessoas fisicamente ativas so mais densos. Exerccios regulares parecem aumentar a densidade do esqueleto como um

todo. Ex: mero de tenista

Atrofia - Resposta a tenso reduzida. Diminui a quantidade de clcio reduzindo peso e resistncia (desmineralizao). Ex: Astronautas, acamados e

idosos

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Caractersticas dos ossos

Caractersticas anisotrpicas: comportamento varia de acordo com

a direo da aplicao da carga.

Suporta maiores cargas no

sentido longitudinal.

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Caractersticas dos ossos

Caractersticas viscoelsticas: comportamento varia de acordo com a

velocidade com que a carga aplicada e

com a durao da mesma.

Em uma velocidade maior de aplicao de carga, o osso pode suportar maiores aplicaes de carga

antes de ceder ou fraturar

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Propriedades biomecnicas do osso cortical e do osso trabecular

Osso cortical - baixa porosidade (5 a 30%

do volume),

Osso esponjoso - alta porosidade (30 a

90% do volume),

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Propriedades biomecnicas do osso cortical e do osso trabecular

Osso cortical - baixa porosidade (5 a 30%

do volume), mais rgido, suporta

maiores tenses e menores

deformaes.

Osso esponjoso - alta porosidade (30 a

90% do volume), menos rgido,

suporta menores tenses e maiores

deformaes.

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Propriedades biomecnicas do osso cortical

As variveis que mais influenciam

as propriedades mecnicas do osso

cortical so:

a porosidade;

o grau de mineralizao;

a orientao das fibras de colgeno.

Resumo das propriedades mecnicas do osso cortical humano

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Propriedades biomecnicas do osso trabecular (esponjoso)

As variveis que influenciam as

propriedades mecnicas do osso

trabecular so:

a porosidade ou densidade aparente;

a orientao das trabculas (organizao estrutural);

as propriedades materiais de cada trabcula individual

Curvas tenso-deformao de compresso do osso trabecular de diferentes

densidades relativas

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Propriedades biomecnicas do osso trabecular: dependncia da densidade

E =3790 0.063

ult = 68 0.062

a densidade aparente o

parmetro responsvel por

cerca de 75% da variabilidade

das propriedades mecnicas

(considerando um mesmo tipo

de osso trabecular, tipo de

tenso traco ou compresso

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Propriedades biomecnicas do osso trabecular: modelos de clula unitria

Estimar as propriedades mecnicas de osso trabecular com base na sua densidade relativa.

Modelos idealizados para a microestrutura do

osso trabecular: (A) de baixa densidade

estrutura equiaxial; (B) estrutura de densidade

equiaxial superior; (C) orientada estrutura

prismtica; (D) orientada para a estrutura da

placa paralela.

Devido variabilidade da arquitetura do osso trabecular, foram idealizados vrios modelos

que tm sido utilizados para representar a

microestrutura do osso trabecular

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Anlise dos outros modelos na

figura sugere que o expoente da

densidade na relao do mdulo

densidade deve situar-se entre 1(dependncia linear) e 3(dependncia cbica),dependendo

da estrutura

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Anlise dos outros modelos na figura

sugere que o expoente da densidade deve

situar-se entre 1 (dependncia linear) e 2

(a dependncia quadrada), em funo da

estrutura.

E sobre as previses do modelo para a

dependncia da densidade na resistncia

compresso?

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Concluso

O estudo da estrutura dos ossos, bem como suas propriedades mecnicas, de fundamental importncia para a sade geral dos homens ou animais, de modo

a se prevenir ou tratar s leses sseas.

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FIM

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