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Propriedades Mecânicas dos Ossos
Adriano J. Holandahttp://adrianoholanda.org
⋆ Depto de Computação e Matemática – FFCLRP – USP⋆ Faculdade “Dr. Francisco Maeda” – FAFRAM
23 de maio de 2014
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Trilha
Biomecânica
O Osso
Propriedades Mecânicas
Viscoelasticidade
Lei de Wollf
Ensaio de Flexão
Propriedades das Fibras de Colágeno
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Biomecânica
Aplicação das leis da mecânica em sistemas biológicos.
Destaca-se o sistema músculo-esquelético por dar sustentaçãoestática e dinâmica aos tecidos adjacentes, e resistência mecânicaà fadiga e choque.
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Biomecânica
Aplicação das leis da mecânica em sistemas biológicos.
Destaca-se o sistema músculo-esquelético por dar sustentaçãoestática e dinâmica aos tecidos adjacentes, e resistência mecânicaà fadiga e choque.
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BiomecânicaComplexidade
▶ Simulação das cargas no sistema músculo-esquelético:▶ Elementos finitos;▶ Equações do movimento
▶ Estudo das propriedades e partes do sistemamúsculo-esquelético:
▶ Estática;▶ Dinâmicas.
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Simulação do sistema músculo-esqueléticoOpenSim
OpenSim - https://simtk.org/home/opensim
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O Osso Cortical
▶ Endósteo;▶ Periósteo;▶ Sistemas de Havers
(lamelas concêntrica);▶ Canais de Volkmann;▶ Trabéculas;▶ Artérias;▶ Fibras medulares.
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Osso primárioMicroestrutura
Formado durante a consolidação de fraturas e desenvolvimentoembrionário.
▶ ↑ células, ↑ colágeno, ↓ minerais;▶ Não lamelar, fibroso (colágeno) com disposição irregular;▶ Retém menos minerais.
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Osso secundárioMicroestrutura
▶ Cortical:▶ Lamelas ósseas concêntricas → sistemas de Havers;▶ Comunicação transversal → canais de Volkmann.
▶ Esponjoso:▶ Disposição menos complexa das lamelas;▶ Espaços intersticiais: vasos sanguíneos, tecido adiposo e tecido
hematopoiético.
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Composição óssea
O osso é um material anisotrópico formado por duas matrizesprincipais:
▶ Inorgânica ou mineral: cerca de 50% da matriz óssea, sendoformada principalmente por hidroxiapatita(Ca10(PO4)6(OH)2, ou seja, cálcio e fosfato;
▶ Orgânica: composta principalmente por fibras de colágeno(95%).
A matriz mineral fornece rigidez à estrutura óssea, enquanto que ainôrgânica é responsável pela elasticidade.
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Ensaios mecânicosDeterminação das propriedades mecânicas
Os ensaios mecânicos podem ser classificados em:▶ Destrutivos:
▶ Estáticos: tração, compressão, torção, cisalhamento, flexão,dentre outros;
▶ Dinâmicos: fadiga, impacto.▶ Não destrutivos: radiografia, ultrassonografia.
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Máquina universal de ensaiosEstáticos
Corpo de prova
Ensaios de tração, compressão, flexão.
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Curva do ensaio mecânico
▶ Tensões (Pa) edeformações:proporcionalidade eruptura;
▶ Energia absorvida: áreaabaixo da curva (N.m).
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Cálculo das propriedades mecânicas
▶ Tensão σ:σ =
FS0
onde F é a carga aplicada e S0 é a área da secção transvesal inicialdo corpo de prova.
▶ Deformação ε:ε =
∆LL0
onde ∆L é a variação do comprimento e L0 é o comprimento inicialdo corpo de prova.
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Curva Tensão × Deformação: Região elástica
O corpo de prova não sofre deformações permanentes, ou seja, ao liberar a carga, ocorpo de prova volta a ter seu comprimento inicial.
..
σp
.εp
. θ
Módulo de Elasticidade ou YoungMedida de rigidez
Y = tan θ =σ
ε
ResiliênciaEnergia absorvida: área abaixo da curva
Ep = σpεp
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Ensaio mecânicoMaterial frágil × dúctil
Materiais frágeis: concreto, cerâmica, tugstênio.Materiais dúcteis: alumínio, cobre, ouro.
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Viscoelasticidade
O osso é um material viscoelástico, seu comportamento mecânico varia com avelocidade de aplicação da carga. Quanto maior a razão da velocidade deaplicação da carga, maior a resistência e a rigidez [4].
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ViscoelasticidadeO osso é um material viscoelástico, seu comportamento mecânico varia com avelocidade de aplicação da carga. Quanto maior a razão da velocidade deaplicação da carga, maior a resistência e a rigidez [4].
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Efeito da orientação das fibras de colágenoMestrado Bioengenharia
Rev. Bras. de Ortopedia, 34 (1/2), 1999.
Pesquisa desenvolvida no Laboratório de Bioengenharia da FMRP/USP.
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Equipamento de aquisição de imagens
(1) Microscópio, (2) Câmera digital, (3) Monitor de alta resolução.
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Referências
AJ Holanda; JB Volpon; AC Shimano. Efeitos da orientação das fibras decolágeno nas propriedades mecânicas de flexão e impacto dos ossos.Revista Brasileira de Ortopedia v. 34, pp 579–594, 1999.LE Kazarian; HE Von Gierke. Bone Loss as a Result of Immobilization andChelation: Preliminary Results in Macaca Mulatta. Clin Orthop Relat Resv. 65, pp 67–75, 1969.AN Romanovskaya; YS Zuev, MN Khotimskii. Shock-absorbing propertiesof certain tissues and structures of the supporting apparatus of mammals.Mechanics of Composite Materials, v. 21 (5), pp 635–639, 1985.
JH McElhaney. Dynamic response of bone and muscle tissue. J ApplPhysiol v. 21:(4), pp 1231–6, 1966.