Propriedades Mecânicas dos Ossos

Transcrição

1 Propriedades Mecânicas dos Ossos Adriano J. Holanda Depto de Computação e Matemática FFCLRP USP Faculdade Dr. Francisco Maeda FAFRAM 23 de maio de 2014

2 Trilha Biomecânica O Osso Propriedades Mecânicas Viscoelasticidade Lei de Wollf Ensaio de Flexão Propriedades das Fibras de Colágeno

3 Biomecânica

4 Biomecânica Aplicação das leis da mecânica em sistemas biológicos.

5 Biomecânica Aplicação das leis da mecânica em sistemas biológicos. Destaca-se o sistema músculo-esquelético por dar sustentação estática e dinâmica aos tecidos adjacentes, e resistência mecânica à fadiga e choque.

6 Biomecânica Complexidade Simulação das cargas no sistema músculo-esquelético: Elementos finitos; Equações do movimento Estudo das propriedades e partes do sistema músculo-esquelético: Estática; Dinâmicas.

7 Simulação do sistema músculo-esquelético OpenSim OpenSim -

8 O Osso

9 O Osso Diáfise: osso cortical; Epífise: osso esponjoso.

10 O Osso Cortical Endósteo; Periósteo; Sistemas de Havers (lamelas concêntrica); Canais de Volkmann; Trabéculas; Artérias; Fibras medulares.

11 Osso primário Microestrutura Formado durante a consolidação de fraturas e desenvolvimento embrionário. células, colágeno, minerais; Não lamelar, fibroso (colágeno) com disposição irregular; Retém menos minerais.

12 Osso secundário Microestrutura 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.

13 Composição óssea O osso é um material anisotrópico formado por duas matrizes principais: Inorgânica ou mineral: cerca de 50% da matriz óssea, sendo formada principalmente por hidroxiapatita (Ca 10 (PO 4 ) 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 a inôrgânica é responsável pela elasticidade.

14 Propriedades Mecânicas

15 Principais tipos de tensão. compressão torção tração

16 Principais tipos de tensão. cisalhamento flexão

17 Ensaios mecânicos Determinação 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.

18 Máquina universal de ensaios Estáticos Corpo de prova Ensaios de tração, compressão, flexão.

19 Curva do ensaio mecânico Tensões (Pa) e deformações: proporcionalidade e ruptura; Energia absorvida: área abaixo da curva (N.m).

20 Cálculo das propriedades mecânicas Tensão σ: σ = F S 0 onde F é a carga aplicada e S 0 é a área da secção transvesal inicial do corpo de prova. Deformação ε: ε = L L 0 onde L é a variação do comprimento e L 0 é o comprimento inicial do corpo de prova.

21 Curva Tensão Deformação: Região elástica O corpo de prova não sofre deformações permanentes, ou seja, ao liberar a carga, o corpo de prova volta a ter seu comprimento inicial. σ p Módulo de Elasticidade ou Young Medida de rigidez Y = tan θ = σ ε. θ ε p Resiliência Energia absorvida: área abaixo da curva E p = σ p ε p

22 Ensaio mecânico Material frágil dúctil Materiais frágeis: concreto, cerâmica, tugstênio. Materiais dúcteis: alumínio, cobre, ouro.

23 Ensaio mecânico Osso cortical esponjoso

24 Viscoelasticidade

25 Viscoelasticidade O osso é um material viscoelástico, seu comportamento mecânico varia com a velocidade de aplicação da carga. Quanto maior a razão da velocidade de aplicação da carga, maior a resistência e a rigidez [4].

26 Viscoelasticidade O osso é um material viscoelástico, seu comportamento mecânico varia com a velocidade de aplicação da carga. Quanto maior a razão da velocidade de aplicação da carga, maior a resistência e a rigidez [4].

27 Lei de Wollf

28 Lei de Wollf Imobilização usando placa [2]

29 Ensaio de Flexão

30 Ensaio de flexão em 3 pontos Fêmures de coelhos Extraído de [1]

31 Ensaio de flexão em 3 pontos Fêmures de coelhos

32 Padronização do corpo de prova altura. região útil base

33 Propriedades das Fibras de Colágeno

34 Efeito da orientação das fibras de colágeno Mestrado Bioengenharia Rev. Bras. de Ortopedia, 34 (1/2), Pesquisa desenvolvida no Laboratório de Bioengenharia da FMRP/USP.

35 Fibras de colágeno Material birrefringente: possui anisotropia uniaxial.

36 Secção transversal Fêmures de coelhos

37 Equipamento de aquisição de imagens (1) Microscópio, (2) Câmera digital, (3) Monitor de alta resolução.

38 Secção transversal óssea

39 Incidência de luz polarizada

40 Processamento: binarização

41 Referências AJ Holanda; JB Volpon; AC Shimano. Efeitos da orientação das fibras de colágeno nas propriedades mecânicas de flexão e impacto dos ossos. Revista Brasileira de Ortopedia v. 34, pp , LE Kazarian; HE Von Gierke. Bone Loss as a Result of Immobilization and Chelation: Preliminary Results in Macaca Mulatta. Clin Orthop Relat Res v. 65, pp 67 75, AN Romanovskaya; YS Zuev, MN Khotimskii. Shock-absorbing properties of certain tissues and structures of the supporting apparatus of mammals. Mechanics of Composite Materials, v. 21 (5), pp , JH McElhaney. Dynamic response of bone and muscle tissue. J Appl Physiol v. 21:(4), pp , 1966.