Osso

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Biomecânica do Aparelho 
Locomotor 
Biomateriais 
1 Ossos 
 
1.1 Morfologia 
 
 Osso é a parte rígida do tecido conectivo 
que constitui a maior parte do esqueleto da maioria 
dos vertebrados. Consiste de uma parte orgânica (as 
células e a matriz) e de uma parte inorgânica ou 
mineral. O osso desempenha diversas funções 
mecânicas e fisiológicas: 
funções mecânicas: 
- fornece apoio para o corpo contra forças externas 
(ex., gravidade); 
- atua como um sistema de hastes de alavancas para 
transferir forças (ex., forças de contração 
musculares); 
- serve de proteção a órgãos vitais internos (ex, 
encéfalo). 
funções fisiológicas: 
- produz células sanguíneas (hematopoesis); 
- armazena cálcio (homeostasis mineral). 
Apoio - Tanto o osso esponjoso quanto o compacto 
fornecem um ponto de apoio para tecidos moles e 
para a construção do esqueleto do corpo. As 
diferentes posições do indivíduo e posturas dos 
animais não seriam possíveis sem a estrutura óssea. 
Sistema de alavancas - Os ossos fornecem pontos 
de inserção para as unidades tendão-músculo 
esquelético. Através das inserções musculares e das 
uniões dos ossos nas articulações, ossos e músculos 
trabalham juntos na transferência de forças em um 
sistema de avalancas. 
Proteção - Os ossos planos do esqueleto, 
compostos de uma camada de ossos trabecular 
entre duas camadas de osso compacto, são 
responsáveis pelas proteção de órgãos vitais como 
o coração, os pulmões e o encéfalo. O encéfalo, por 
exemplo, é protegido pelos ossos do crânio, a 
bexiga e os órgãos da reprodução pela pelve e o 
coração e os pulmões pela caixa toráxica. 
Hematopoesis - A hematopoesis, o processo de 
formação de células sanguíneas, ocorre na medula 
óssea. Em indivíduos adultos a medula óssea é 
preponderantemente encontrada em regiões 
compostas de osso trabecular, por exemplo, na 
epífise proximal do fêmur e na crista ilíaca. Nestas 
regiões, eritrócitos, leucócitos e trombócitos são 
formados. 
Homeostasis mineral - O osso é o maior 
reservatório de cálcio do corpo, com 99% do total 
de cálcio corporal armazenado no esqueleto. Outros 
importantes minerais, tais como fósforo, sódio, 
potássio, zinco e magnésio, também são 
armazenados no osso. Uma vez que o cálcio é 
crítico em um grande número de processos 
metabólicos vitais, a manutenção dos níveis de 
cálcio no corpo é mais importante que as 
necessidades de cálcio do osso. Os hormônios que 
regulam o equilíbrio do cálcio no organismo 
incluem o hormônio tireóideo, a calcitonina, o 
colecalciferol (vitamina D), hormônios 
reprodutivos e hormônio de crescimento. 
 O osso é um tecido dinâmico em constante 
remodelagem e pode passar por uma transformação 
frente a um estímulo apropriado. A morfologia de 
qualquer osso pode passar por alterações 
substanciais durante a vida 
 O esqueleto adulto humano consiste de 
206 ossos. Embora os ossos variem 
consideravelmente em forma e tamanho, eles são 
semelhantes em estrutura e desenvolvimento. Os 
ossos podem ser classificados segundo a forma e, às 
vezes, pertencem a mais de um grupo. 
 A despeito da variedade de formas 
externas no esqueleto, a morfologia do osso quanto 
ao nível de órgão, tecidual e celular é relativamente 
constante. 
 As partes constituintes de um osso longo 
podem ser descritas baseadas em seus centros de 
ossificação. A epífise desenvolve a partir de um 
centro secundário de ossificação e são as 
extremidades dos ossos longos. As epífises 
articulam-se com outros ossos e são protegidas por 
uma camada de cartilagem hialina denominada 
cartilagem articular. Entre as duas epífises está o 
eixo do osso longo, a diáfise, que desenvolve a 
partir de um centro primário de ossificação. A 
diáfise é uma estrutura tubular ao redor do canal 
medular. O canal medular, um sítio de 
armazenagem, é revestido por uma fina membrana 
de tecido conectivo, o endósteo. Não existe canal 
medular nos ossos planos. Entre a epífise e a diáfise 
localiza-se a metáfise, a região de crescimento do 
osso. 
 Envolvendo o osso, exceto nas áreas 
cobertas pela cartilagem articular, existe um tecido 
fibroso, resistente e vacularizado denominado 
periósteo. A lâmina mais externa do periósteo é 
bem suprida por vasos sanguíneos e nervos, alguns 
dos quais penetram no osso. A lâmina mais interna 
é fixada ao osso por feixes colágenos que penetram 
no osso. Algumas das fibras do periósteo são 
entrelaçadas a fibras de tendões, fornecendo 
inserções aos músculos. Projeções dos ossos, 
denominadas processos, são sítios para fixação de 
ligamentos e tendões, enquanto uma depressão em 
um osso permite a articulação com o processo de 
um outro. 
 Em linhas gerais, todos os ossos no 
esqueleto adulto possuem duas componentes 
estruturais básicas: a cortical e a esponjosa. O osso 
cortical (ou compacto) é um material denso e sólido 
formando as paredes da diáfise e as superfícies 
externas do osso. Este tipo de osso é sólido, forte e 
resistente a flambagem. A espessura do osso 
cortical varia entre e dentro dos ossos em função 
dos esforços mecânicos a que o osso é submetido. 
O osso esponjoso é formado por espículas 
denominadas trabéculas. Estas trabéculas orientam-
se segundo a direção das forças aplicadas ao osso. 
São encontradas em processos, no corpo vertebral, 
na epífise dos ossos, nos ossos curtos e entre as 
duas camadas de osso compacto que formam os 
ossos chatos (díploe). Espaços irregulares de 
interconexão se formam entre as trabéculas 
reduzindo o peso do osso. O osso esponjoso é 
altamente resistente a cargas compressivas. 
 Os ossos são compostos de dois materiais. 
A matriz orgânica é constituída de 
aproximadamente 95% de fibras colágenas, 
bastante reforçadas por depósitos de sáis de cálcio e 
fosfatos na forma de hidroxiapatita. Os depósitos de 
cálcio e fosfatos fornecem ao osso sua força, dureza 
e rigidez, enquanto as fibras colágenas fornecem ao 
osso sua flexibilidade limitada. 
 
1.2 Processos de transformação do esqueleto 
 
 Existem essencialmente quatro processos 
de transformação do esqueleto que ocorrem em 
vários estágios da vida humana: crescimento, 
modelamento, remodelamento e reparação. Estes 
processos são fundamentalmente distintos operando 
sob diferentes tipos de controle, em diferentes 
lugares e em diferentes idades do indivíduo, mesmo 
que o mesmo tipo de célula óssea esteja envolvida 
em todos eles. 
 
1.2.1 Crescimento 
 a) Ossificação intramembranosa - ocorre 
através da oposição do osso em um tecido dentro de 
uma membrana embriogênica. 
 b) Ossificação endocondral - O osso é 
precedido por cartilagem, e a ossificação ocorre a 
partir de centros de ossificação. 
 
1.2.2 Modelamento e remodelamento do osso 
 Modelamento ósseo é definido como o 
processo pelo qual a massa do osso é aumentada. 
 Remodelamento ósseo é definido como o 
processo pelo qual a massa do osso é mantida ou 
diminuida. 
 No modelamento o osso cortical aumenta 
tanto em espessura quanto em diâmetro externo. O 
processo de modelamento envolve quase a 
superfície periosteal e endosteal inteira, ao passo 
que no remodelamento somente uma fração desta 
superfície é ativa em um determinado tempo. 
 
1.2.3 Reparação óssea 
 A reparação óssea ocorre em dois níveis. 
O primeiro é uma constante reparação de 
microtraumas que resultam da exposição a cargas 
fisiológicas, através de um processo de 
remodelamento. Este processo natural não produz 
calo ósseo. 
 O segundo aparece em resposta a uma 
carga excessiva a fim de reparar uma fratura, onde 
ocorre a formação do calo ósseo. 
 
1.3 Propriedades físicas do osso 
 
 As propriedades estruturais e mecânicas 
do osso alteram em função das forças que atuam 
sobre ele. A primeira análise das implicações deste 
fato resultaram na lei de adaptação funcional de 
Wolff (1870): 
“A forma do osso é determinada somente 
por cargas estáticas.”Vários comentários parecem ser 
apropriados no contexto desta lei. O stress tem 
diferentes efeitos no osso. Pode afetar o 
crescimento como no processo de restabelecimento 
de fraturas, pode afetar o modelamento como em 
situações de sobrecarga, e/ou remodelamento em 
situações de subcarga. Além disso, há evidências 
que o tipo de carga influencia a formação do osso 
e/ou os processos de remodelamento. Cargas 
dinâmicas parecem ser mais importantes para o 
modelamento ósseo do que cargas estáticas. Isto 
sugere que a lei de adaptação funcional de Wolff 
deva ser restabelecida de uma forma mais geral. 
Formas específicas de stress não são os únicos 
fatores que determinam o crescimento do osso, mas 
são um dos mais importantes. Assim, a lei de Wolff 
deveria ser reescrita: 
“As leis físicas são os principais fatores 
que influenciam o modelamento e o 
remodelamento ósseo.” 
 
 As propriedades físicas dos biomateriais 
podem ser divididas em duas categorias: estruturais 
e materiais. Propriedades estruturais descrevem 
propriedades de um componente específico, por 
exemplo, a força de ruptura de uma tíbia. 
Propriedades materiais são independentes de um 
componente específico e descrevem o material em 
si, por exemplo, o stress para o qual o osso rompe 
sob compressão. 
 As propriedades físicas dos ossos são: 
densidade, conteúdo mineral, conteúdo de água, 
módulo de elasticidade, carga de ruptura sob tensão 
e carga de ruptura sob compressão. 
 O módulo de elasticidade E representa o 
stress necessário a fim de dobrar o comprimento de 
um objeto. O módulo de elasticidade é uma 
constante que descreve a característica do material. 
Isto não significa que um material em particular 
possa de fato ser esticado até dobrar o seu 
comprimento. Para o osso os valores típicos de E 
são: 
- osso esponjoso 109 Pa 
- osso compacto 2x1010 Pa 
- metal 1011 Pa 
 Para o osso, a elongação necessária a fim 
de causar fratura é somente uma fração deste 
comprimento duplo. Como uma regra geral temos: 
Fruptura = 





200
1
 Fduplicação 
 O stress de ruptura para a compressão e a 
tensão do osso esponjoso é pelo menos uma ordem 
de magnitude menor que o do osso compacto. 
 Existe somente uma pequena região de 
alongamento na qual o osso segue uma relação 
linear entre força e alongamento. Além deste limite, 
deformação e força não são mais aritmeticamente 
proporcionais e quando a força é removida, o osso 
não retorna mais à sua forma original e retém 
alguma deformação. 
 
1.4 Anisotropia óssea 
 
 O osso é um material não homogêneo e 
anisotrópico. Suas propriedades mecânicas alteram-
se em função de uma região específica do osso e da 
direção na qual a força é aplicada. A rigidez 
relativa à tensão é máxima para forças axiais e 
mínima para forças transversais. A rigidez para 
forças axiais é cerca de duas vezes a magnitude da 
rigidez para forças transversais. Ademais, o strain 
de ruptura para o osso (osso compacto do fêmur 
humano) sob carga na direção axial é cerca de duas 
vezes o strain de ruptura para o osso sob carga na 
direção transversal. 
 
1.5 Adaptações mecânicas 
 
 O remodelamento do osso é influenciado 
pelo strain tangencial e pelo efeito de cargas 
aplicadas na curvatura da superfície do osso. 
 É difícil distinguir entre o stress e o strain 
como os fatores que causam a formação e 
adaptação do osso. Normalmente, supõe-se que o 
strain seja uma variável mecânica importante no 
modelamento e remodelamento do osso, sob 
diferentes aspectos: 
 - tipo de strain (compressão ou tensão); 
 - direção do strain; 
 - natureza do strain (estático ou 
dinâmico); 
 - freqüência do strain; 
 - distribuição do strain; 
 - energia do strain. 
 
 
 
1.6 Trauma ósseo 
 
 A fratura do osso pode ocorrer devido a: 
stress excessivo e/ou material debilitado. 
 O stress pode ser excessivo por diferentes 
razões: as forças externas atuantes são excessivas, 
as dimensões da estrutura sob carga são pequenas, a 
geometria das forças atuantes é desfavorável e/ou 
frequência excessiva de aplicação de carga. 
 Forças externas excessivas podem ocorrer 
durante um acidente, por exemplo, quando um 
esquiador choca-se com uma árvore. Neste caso, a 
força que atua sobre o osso excede a força de 
ruptura. Exceto em tais acidentes, tipicamente 
durante atividades cotidianas e esportivas, as forças 
externas raramente são de magnitude tal que 
resultam em fratura óssea. 
 Tem-se demonstrado que pequenas 
dimensões ósseas são causa de fraturas de fadiga. 
Por exemplo, existe uma relação entre o momento 
de inércia da tíbia e a incidência de fraturas no 
fêmur e na tíbia de recrutas militares. As forças que 
agem sobre o osso estão dentro de limites 
fisiológicos para o osso, mas devido à pequena 
dimensão das estruturas, o stress estava além de seu 
limite. 
 A carga e a sobrecarga do osso sempre 
têm dois aspectos: primeiro, o stress local durante 
um ciclo (ex., na corrida), e segundo, o número de 
repetições deste stress. Os ossos precisam de um 
estímulo stress ou strain para seu desenvolvimento. 
Entretanto, este estímulo deve estar dentro de uma 
faixa ótima de magnitudes. É difícil definir esta 
faixa ótima. Vários fatores são importantes: fatores 
biomecânicos, fadiga muscular e perturbações 
hormonais. 
 
Bibliografia - 
 
NIGG, B.M.; HERZOG, W. (ed.) Biomechanics of 
the musculo-skeletal system. New York, John 
Wiley & Sons, 1995.