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Tema: Biomecânica dos tecidos biológicos 1. A prevalência de sedentarismo na sociedade moderna é apontada como um importante problema de saúde pública, estando atrelado a inúmeros outros problemas relacionados, fundamentalmente aos problemas cardiovasculares. Tem sido proposto que o abandono do estilo de vida sedentário representa uma redução de 50% na morbimortalidade (Haskell, 1998), fato que estimulou o desenvolvimento de guias de recomendação para um estilo de vida saudável. Haskell et al. (2007) redigiram a recomendação do Colégio Americano de Medicina do Esporte e do Centro de Controle de Doenças e Prevenção norteamericano (American College of Sports Medicine and the Centers for Disease Control and Prevention, respectivamente). Eles recomendam que, para a manutenção da saúde cardiovascular, é necessário praticar 30 minutos de atividade aeróbia de moderada intensidade por pelo menos 5 vezes por semana ou 20 minutos de atividade aeróbia de alta intensidade 3 vezes por semana. Foi ainda recomendada a prática de exercícios que mantenham ou aumentem a força muscular, como musculação, exercícios calistênicos (em que o indivíduos sustenta o próprio corpo) ou outro exercício de resistência similar, por pelo menos 2 vezes por semana, entre 8 e 10 exercícios, em 2 ou mais dias alternados por semana, utilizando os considerados grandes grupos musculares do corpo. Tais fenômenos vêm produzindo um aumento no número de praticantes de atividade física. No entanto, o sedentarismo ou a prática irregular de exercícios físicos podem ocasionar inúmeros distúrbios ao aparelho locomotor, fazendo com que não raras vezes indivíduos com limitações ortopédicas e/ou lesões músculo-esquelético comecem programas de exercícios físicos. Como exemplo disto, Hootman et al. (2002), após acompanhar 5.028 homens e 1.285 mulheres, reportam que aproximadamente 85% das mulheres apresentam algum tipo de lesão associada à prática de atividade física; nos homens, este valor ficou em aproximadamente 82%. Os autores reportam que, dos indivíduos que apresentaram lesão, em torno de 68% e 75% das mulheres e homens, respectivamente, precisaram se afastar temporariamente da prática das atividades, e que 24% e 31% de mulheres e homens interromperam permanentemente a prática de atividades físicas. Cabe lembrar que indivíduos engajados em práticas esportivas apresentam maior risco de lesão; no entanto, até mesmo a prática de atividades tidas como segura, e recomendadas a toda e qualquer pessoa, como a marcha, também apresenta probabilidade de lesão, independentemente do gênero. Sendo assim, é necessário o conhecimento não somente da sobrecarga imposta a cada movimento, mas também de como os tecidos biológicos respondem quando submetidos a uma dada sobrecarga. A esta área de investigação é dado o nome de biomecânica dos tecidos biológicos. A biomecânica dos tecidos biológicos pode ser definida como o estudo das propriedades mecânicas dos ossos (modelamento, resistência mecânica), músculos (modelamento, elasticidade, viscosidade, propriedades ativas – alongamento/encurtamento) e superfícies articulares (modelamento) (Amadio e Barbanti, 2000). Geralmente, ao estudar as propriedades mecânicas destes tecidos, consideramos a força externa aplicada ao tecido e a deformação resultante, processo denominado curva estresse-deformação, o que só é possível determinar em máquinas de solicitação mecânica, pois elas são dotadas de sensores capazes de identificar a magnitude de carga (estresse) de tensão, compressão e cisalhamento e a deformação resultante experimentada pelo tecido. Tendo em vista que pouca importância tem sido dada ao entendimento das respostas mecânicas do sistema esquelético (ossos, ligamento, tendão e cartilagem), este texto irá versar sobre tais propriedades deste sistema. 2. TECIDO ÓSSEO O tecido ósseo constitui a maior parte do sistema esquelético, apresentando importantes funções, como sustentação, proteção, armazenamento e formação de células sanguíneas, além de importante papel na realização das alavancas no corpo humano. Duas destas são decididamente importantes para o movimento: sustentação e alavanca (Gonçalves, 2000 e Hamill e Knutzen, 2008). Sua relevância justifica-se, fundamentalmente, por sua capacidade de suporte de carga, justificada por uma combinação de elementos inorgânicos e orgânicos. Quanto aos elementos inorgânicos, podem ser citados os minerais cálcio e fosfato, que formarão um complexo denominado cristal de hidroxiapatita; por outro lado, os elementos orgânicos podem ser resumidos ao colágeno, que representa aproximadamente 95% de toda a matriz óssea extracelular (Gonçalves, 2000). Os elementos inorgânicos atribuem rigidez ao tecido, enquanto que o colágeno (elemento orgânico) faz com que o osso suporte uma maior deformação. A capacidade de resistir à deformação é de vital importância, dado que ao desempenhar suas funções mecânicas, como nas alavancas, os ossos ficam sujeitos à ação de diferentes tipos de forças, dentre elas a compressão, a tensão, a flexão e o cisalhamento. As forças compressivas são aquelas geradas no eixo longitudinal da peça óssea e no sentido de aproximação das extremidades, enquanto que a força de tensão, também denominada força de tração, é também gerada no eixo longitudinal da peça óssea, mas no sentido de afastamento das extremidades. A força de flexão é caracterizada por ser também gerada no eixo longitudinal – no entanto, numa face do osso é aplicada uma força compressiva e em outra uma força de tensão; por último, a força de cisalhamento é caracterizada por ser aplicada no sentido transversal do osso e de forma paralela, porém em sentidos diferentes (Gonçalves, 2000 e Hamill e Knutzen, 2008). Considerando as forças constantes que atuam no tecido ósseo, o conhecimento das respostas deste tecido quando submetido à ação de uma força, e consequentemente a uma deformação, é importante para a prescrição da atividade física. Ao analisarmos a curva estresse-deformação do tecido ósseo, podemos observar três importantes instantes (A, B e C), como demonstrado na FIGURA 1. FIGURA 1- Curva estresse-deformação do tecido ósseo (adaptado de Nordin e Frankel, 2003). Considerando a curva entre os pontos A e B, definida como região elástica, o tecido ósseo apresenta como característica uma reduzida deformação com estresse elevado, ao ponto que, ao considerar a curva entre os pontos B e C, o tecido apresenta uma elevada magnitude de deformação, porém apenas quando obtida elevada magnitude da força aplicada. Outro ponto igualmente importante de ser salientado é que, na fase elástica, a carga não causa deformação permanente; porém, ao exceder o ponto de transição entre as fases elástica e plástica (B), alguma deformação será permanente (Nordin e Frankel, 2003). Posto isto, é fácil perceber que, para a prescrição da atividade física, deve-se considerar que a magnitude de força gerada não exceda a região elástica, a fim de minimizar os riscos de lesão deste tecido. Além da magnitude de sobrecarga, é preciso considerar também o seu ângulo de aplicação. Tal preocupação se justifica por conta do fato de que a estrutura óssea não apresenta características teciduais semelhantes quando consideradas as direções transversais e longitudinais; logo, o osso exibe propriedades mecânicas diferentes quando são considerados diferentes eixos de aplicação da sobrecarga – propriedade denominada anisotropia (Nordin e Frankel, 2003). L=longitudinal; T = transversal FIGURA 2- Curva estresse-deformação do tecido ósseoem função do ângulo de aplicação da força, denominado anisotropia (adaptado de Nordin e Frankel, 2003). Conforme apresentado na FIGURA 2, podemos perceber que, apesar de o tecido ósseo estar dimensionado para o suporte das sobrecargas compressivas geradas durante a prática esportiva (Nordin e Frankel, 2003), a resistência óssea sofre diminuição significativa quando consideradas diferentes angulações de aplicação da força. Podemos ter como exemplo o caso de uma mesma magnitude de força que levaria o tecido à falência se aplicada transversalmente; contudo, se aplicada longitudinalmente estaria a aproximadamente 50% da carga suportada antes da transição da fase elástica para a plástica. Esta propriedade pode explicar os frequentes casos de fratura de tíbia e fíbula em atividades de baixo impacto, como o futebol. Todavia, o corpo humano não é submetido a tais angulações de aplicação de força somente durante as atividades esportivas. Em atividades cotidianas, como o levantar da cadeira, andar ou simplesmente permanecer em postura ereta, a sobrecarga é aplicada de forma semelhante, fundamentalmente no quadril, dada a geometria da articulação coxofemoral. No entanto, tais sobrecargas, a priori, não são lesivas, em virtude da atividade de músculos estabilizadores que as contrabalanceiam, transformando o que antes era força de flexão em força compressiva – esta ultima muito bem tolerada pelo tecido ósseo (Gonçalves, 2000 e Hamill e Knutzen, 2008) –, o que nos leva a considerar o fortalecimento muscular como estratégia fundamental para diminuir a sobrecarga imposta pela prática de toda e qualquer atividade física. Outra questão a ser considerada quando se trata de tecido ósseo diz respeito não à magnitude da força aplicada, mas à sua frequência. Tal entendimento é fundamental, uma vez que as atividades aquáticas têm sido propostas por muitos profissionais da área da saúde como a melhor estratégia para a manutenção de densidade óssea, em especial em quadros de osteopenia e osteoporose. Porém, o que os profissionais acabam por esquecer/desconhecer é propriedade muito importante, denominada viscoelasticidade. Por conceito, a viscoelasticidde infere que a resposta mecânica do tecido depende da frequência e da duração com que a sobrecarga é aplicada; e é justamente por ignorar tal propriedade que há muitos erros nas prescrições, pois o senso comum imagina que o tecido ósseo apresenta maior capacidade de suporte de cargas quando estas são aplicadas com baixa magnitude, ou quando são aplicadas de forma menos frequente. No entanto, estudos têm demonstrado que, além do osso suportar muito bem as sobrecargas geradas pela atividade física e esportiva, ele também apresenta maior capacidade de suporte quando são consideradas cargas aplicadas com maior frequência (Nordin e Frankel, 2003 e Hamill e Knutzen, 2008). Portanto, salvo condições patológicas avançadas, com perda acentuada de densidade óssea, quando o risco de fratura e queda é eminente, deve-se evitar a realização de exercícios em ambiente aquático com vistas à manutenção do tecido ósseo – mesmo porque as respostas adaptativas quanto ao depósito de cálcio no tecido são proporcionais à sobrecarga compressiva imposta, fato bem documentado na literatura e conhecido como efeito piezoelétrico, que resumidamente representa a mudança na polarização devido à aplicação de sobrecarga. Logo, quanto menor a carga compressiva, maior a reabsorção de cálcio pelo organismo e menor o depósito de cálcio e a densidade óssea. Se por um lado o osso suporta tais sobrecargas, e necessita de importante magnitude e também de frequência alta de aplicação, por outro deve-se ter muito claro quais são as sobrecargas impostas a este tecido quando se propõe a prática de determinada atividade física, pois evidências têm apontado que elevada frequência e intervalos de recuperação reduzidos podem levar a um quadro conhecido como fratura por estresse, que pode evoluir para um quadro conhecido com pseudoartrose. Sendo assim, podemos concluir que o tecido ósseo está altamente dimensionado para o suporte de sobrecarga; ele necessita delas para a manutenção de suas funções principais como locomoção e suporte de carga. No entanto, deve-se ter pleno conhecimento das sobrecargas impostas a este tecido durante a prática de atividade física, seja ela realizada para a melhora da qualidade de vida seja com objetivo esportivo. 3. TECIDO LIGAMENTAR E TENDÍNEO - PAREI AQUI OS LINKS As estruturas articulares denominadas ligamentos e tendões, apesar de serem consideradas tecidos passivos, pois não são capazes de gerar movimento, apresentam importante contribuição para o sistema esquelético. Os ligamentos têm as funções de estabilização articular e de gerenciamento do eixo de movimento, funções cuja finalidade é reduzir possíveis efeitos lesivos ao sistema. Por outro lado, os tendões têm como principal função transmitir a força gerada pelo músculo ao osso, produzindo movimento de rotação e possibilitando do deslocamento do corpo ou do segmento (Nordin e Frankel, 2003). As lesões nestas estruturas não são raras; portanto, o entendimento quanto às desordens e às propriedades mecânicas destes tecidos é muito importante. Inicialmente, devemos ressaltar que, dada a similaridade do conteúdo estrutural (morfológico) destes tecidos, ambos serão abordados como um único tecido, pois apresentam comportamentos mecânicos similares. Tendões e ligamentos são tecidos conjuntivos espessos e altamente resistentes a sobrecarga de tensão (tração) dada a presença de colágeno alinhados em paralelo. No entanto, são tecidos escassamente vascularizados (Nordin e Frankel, 2003). Apesar da importância dos aspectos morfológicos deste tipo de tecido, o escopo deste texto é versar sobre as propriedades mecânicas; para entendê-las, saber que neles há colágeno já é suficiente. A exemplo do método adotado para a análise do comportamento mecânico ósseo, a estratégia para a análise dos tecidos ligamentar e tendíneo também está vinculada à solicitação mecânica: produz-se uma taxa constante de alongamento e apontam-se as forças resultantes, como exemplificado na FIGURA 3. FIGURA 3- Curva estresse-deformação do tecido ligamentar e tendíneo (adaptado de Nordin e Frankel, 2003). Como pode ser observado, quatro pontos são identificados quando o referido tecido é submetido ao teste de solicitação mecânica. Entre o início do teste (instante 0) e o alcance da fase 1, observa-se uma enorme deformação com grandezas mínimas de tensão no tecido, o que demonstra extrema complacência do tecido neste período. Tal característica ocorre porque os feixes de colágeno apresentam certa frouxidão, o que permite fácil extensibilidade do tecido com baixas magnitudes de carga (Nordin e Frankel, 2003). Entre as fases 1 e 2, já é encontrada uma maior resistência ao alongamento, apontada pelo crescimento constante de força que se opõe ao alongamento do tecido. Ao atingir o ponto 2, uma certa quantidade de fibras de colágeno atinge sua capacidade máxima de suporte de carga; a partir de então, na fase 3, elas apresentam rompimento, produzindo dor e prejuízo de função do tecido. Portanto, neste momento o risco de lesão de maior magnitude, como uma ruptura total do tecido (4), é eminente (Nordin e Frankel, 2003). Fato importante de ser notado é que, entre as fases 1 e 2, ocorre a zona de microfalha (Nordin e Frankel, 2003). Nesta zona de resistência do tecido ao movimento, algumas fibras de colágeno já ultrapassam seu limite de suporte de carga, rompendo-se, a exemplo do ocorrido na fase 3. No entanto, ainda queseja possível verificar alterações teciduais, não existe a presença de dor, tão pouco o comprometimento das funções de estabilização articular e de gerenciamento do eixo de movimento (Nordin e Frankel, 2003). O problema reside justamente nestes quesitos: ausência de dor e comprometimento tecidual. Este tipo de resposta é frequente em praticantes de atividade física. Não raras vezes praticantes experimentam uma “simples” entorse de tornozelo ao pisar em um buraco enquanto correm; no entanto, como não sentem dor ou modificação na função articular, continuam seu exercício, podendo aumentar o dano ao tecido, o que é deletério ao sistema. Conhecendo as respostas do tecido em questão, o praticante deveria interromper a atividade de imediato e respeitar um intervalo de recuperação do tecido. Tal estratégia permitiria que o tecido, caso existam rupturas parciais devido ao alcance da zona de microfalha, não evolua no que diz respeito à severidade da lesão. Caso seja respeitado um período de recuperação, mesmo que este tecido tenha sofrido tais rupturas existe a possibilidade de cicatrização tecidual sem comprometimento excessivo da funcionalidade de tendões e ligamentos. Portanto, o conhecimento das respostas mecânicas de ligamentos e tendões nos permite evitar maiores danos ao sistema esquelético em resposta à prática de atividade física. 4. CARTILAGEM DO TIPO HIALINA A cartilagem articular hialina é outro tecido biológico de grande importância para o movimento, pois tem como principais funções o controle e a distribuição de carga, além de aumentar a congruência entre as peças ósseas (Nordin e Frankel, 2003 e Hamill e Knutzen, 2008). Este tecido conectivo, presente somente nas articulações do tipo diartrose (Nordin e Frankel, 2003), é caracterizado como substância avascular destituída de inervação. Ele é composto por água (entre 60% e 80%) e por uma matriz de colágeno e proteoglicanas que, por sua característica hidrofílica, forma um colóide altamente hidratado (Nordin e Frankel, 2003 e Hamill e Knutzen, 2008). O tecido cartilaginoso, a exemplo dos outros tecidos citados, também apresenta como importante propriedade a viscoelasticidade. Sendo assim, este tecido apresenta duas respostas fundamentais, que são a acomodação e o relaxamento. A acomodação acontece quando o tecido é submetido a uma sobrecarga constante; apresenta como característica uma rápida deformação, seguida de uma deformação lenta até que o equilíbrio seja alcançado. A este fenômeno é dado o nome de efeito “creep” (Nordin e Frankel, 2003). Já o relaxamento ocorre quando um tecido com propriedades viscoelásticas, como a cartilagem, está sujeito a uma deformação constante, à qual responde com um alto estresse inicial, seguido de um lento e decrescente estresse até que um estado de equilíbrio seja alcançado. Tal resposta é chamada de relaxamento de estresse. Um dos principais mecanismos responsável por tais fenômenos (efeito “creep” e relaxamento de estresse) é o de exsudação de líquido intersticial (instantes A e B – FIGURA 4) e redistribuição fluídica (sem mais exsudação fluídica) (instantes C, D e E – FIGURA 4), causada pela compressão do tecido cartilaginoso (Nordin e Frankel, 2003). FIGURA 4- Representação esquemática da acomodação e do relaxamento do tecido cartilaginoso hialina por sobrecarga compressiva (adaptado de Nordin e Frankel, 2003). A compreensão de tais mecanismos é de suma importância para professores de educação física que possuem, por legitimidade, o direito da prescrição da atividade física, uma vez que danos ao tecido cartilaginoso são em sua grande maioria processos irreversíveis causados por estresse de elevada sobrecarga (impacto, ou rápida aplicação de sobrecarga) e/ou repetitivo (Nordin e Frankel, 2003). O desconhecimento a respeito destes mecanismos talvez possa explicar o fato de que mais de 80% dos praticantes de atividade física reportam alguma lesão associada (Hootman et al, 2002) ao adotar as recomendações feitas por Haskell et al. (2007) para manutenção da saúde cardiovascular. O problema parece não residir na recomendação em si, mas na forma pela qual as pessoas buscam cumpri-la. Para tanto, cabe salientar que, a exemplo do ocorrido com o tecido muscular, a cartilagem hialina também se adapta à prática regular de atividades; no entanto, sobrecargas excessivas podem levar à lesão por estresse repetitivo. Outro fator que pode contribuir para elucidar a incidência de lesões reportada por Hootman et al (2002) é o modo pelo qual as pessoas buscam o início de suas atividades. Tem sido apontado que o relaxamento de estresse ocorre rapidamente, sendo produzida uma diminuição de 63% do estresse na estrutura cartilaginosa no intervalo entre 2 e 5 segundos (Nordin e Frankel, 2003). No entanto, já é bem documentado que as sobrecargas geradas na marcha e na corrida são provocadas em aproximadamente 30 milésimos de segundo. Ou seja, a sobrecarga da marcha, apesar de não possuir magnitude capaz de gerar danos ao tecido ósseo, é aplicada em um intervalo muito menor do que aquela que o tecido cartilaginoso conseguiria de imediato suportar, podendo a médio-longo prazo produzir danos irreversíveis à cartilagem. Uma estratégia para minimizar tais riscos é sempre efetuar um aquecimento adequado – ele deve iniciar com uma atividade de sobrecarga compressiva aquém do que é esperado no treino; a partir disso, deve-se produzir uma sobrecarga gradual, a partir de gestos similares ao praticado. Por exemplo, se o objetivo é a corrida, recomenda-se a estratégia de iniciar com marcha em velocidade lenta, passando depois para a marcha em velocidades mais elevadas, exercícios de saltitamento e só então iniciar a corrida propriamente dita. Devemos lembrar que os exercícios de alongamento estático, tidos pelo senso comum como a melhor estratégia de aquecimento, em nada influenciam as respostas adaptativas no tecido cartilaginoso – que neste caso, necessita de estresse compressivo. 6. REFERÊNCIAS Amadio, AC; Barbanti VJ, (Orgs) A Biodinâmica do movimento humano e suas relações interdisciplinares. São Paulo, Editora Estação Liberdade Ltda, 2000. Gonçalves, M. Biomecânica do tecido ósseo, In: Amadio, AC; Barbanti VJ., (Orgs) A Biodinâmica do movimento humano e suas relações interdisciplinares. pg 89-112, São Paulo, Editora Estação Liberdade, (2000). Hamill, J; Knutzen, KM. Bases biomecânicas do movimento humano. 2 ed. Barueri: Manole, 2008. Haskell, WL; Lee, IM; Pate, RR; Powell, KE; Blair, SN; Franklin, BA; Macera, CA; Heath, GW; Thompson, PD e Bauman, A. Physical Activity and Public Health: Updated Recommendation for adults from the american college of sports medicine and the american heart association. Med sci sports exerc, 39(8): 1423–1434, 2007. Haskell, WL. Physical activity and the diseases of technological advanced society. In: American academy of physical education papers: physical activity in early and modern populations, 21: 73-87, 1998. Hootman, JM; Macera, CA; Ainsworth, BE; Addy, CL; Martin, M e Blair, SN. Epidemiology of musculoskeletal injuries among sedentary and physically active adults. Med sci sports exerc., 34(5): 838-844, 2002. Nordin, MF; Frankel, VH. Biomecânica Básica do Sistema Musculoesquelético. 3 ed., Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2003. Tema: Biomecanica dos Tecidos Biológicos Exercícios de Fixação 1. Dentre os métodos de medição utilizados em mecânica dos tecido biológicos, são conhecidos: a) Testes diretos e indiretos; b) Teste de solicitação mecânica;c) Eletromiografia; d) Todas as alternativas 2. Quanto aos tecidos ligamentar, tendíneo, muscular e ósseo, podemos afirmar que: a) Apresentam propriedades de viscoelasticidade b) À excessão do tecido cartilaginoso, todos os citados apresentam limitada capacidade de adaptação ao exercício c) A resistência destes materiais pode ser observada pela curva stress- deformação d) Apenas a alternativa a) e c) estão corretas 3. Quando consideradas as exigências para remodelação óssea podemos afirmar que são necessárias: a) Carga compressiva, alta intensidade, alta frequência na prática na atividade e especificidade b) Carga compressiva, alta intensidade, alta frequência de aplicação da carga e especificidade c) Sobrecarga de qualquer ângulo de aplicação, alta intensidade, alta frequência de aplicação da carga e especificidade d) Carga tensional, baixa intensidade, alta frequência de aplicação da carga e especificidade 4. Quanto aos tecidos cartilaginosos, podemos citar como principais características: a) Viscoresistividade b) Acomodação c) Retração d) Todas as alternativas estão corretas 5. Um ligamento, quando é estirado até a falha, terá como comportamento na curva estresse-deformação: a) Após a fase elástica teremos imediatamente a fase plástica b) Após a fase plástica teremos imediatamente a fase elástica c) Após a fase elástica teremos, antecedendo a fase plástica, uma fase denominada de micro-falha d) Após a fase elástica entraremos imediatamente a fase de ruptura do tecido Gabarito: 1. A) 2. D) 3. B) 4. B) 5. C)