Do ponto de vista mecânico, o osso pode ser estudado como material (tecido ósseo) ou como estrutura intacta (por exemplo, o fêmur); ambos os estudos têm finalidades distintas(3).
Quando há interesse no conhecimento das propriedades do tecido, amostras são retiradas do osso e ensaiadas. Assim, é possível caracterizar o tecido ósseo por meio da curva tensão-deformação. Dependendo do ensaio, podem-se determinar outras propriedades como: módulo de elasticidade, módulo de cisalhamento, limite de resistência e limite de ruptura. Esses parâmetros são importantes, pois ajudam a caracterizar um elemento biológico que tem grande importância na absorção, transmissão e resistência a esforços físicos. Entre-tanto, o que se observa da literatura é que há grande variação de resultados, que dependem do osso utilizado (exemplo: fêmur, tíbia, úmero), da região do osso (epífise, metáfise e diáfise) e condições em que a amostra foi recolhida, do tipo de tratamento, do animal em estudo, etc.(8). Essas variações, em parte, também advêm do fato de que o osso é material visco-elástico(2), heterogêneo e anisotrópico(7,8).
O estudo do osso como estrutura intacta é interessante, pois os resultados refletem melhor a capacidade do sistema músculo-esquelético in vivo, sua função como alavanca e a capacidade para resistência aos esforços, em várias condi-ções(5).
Entretanto, o ensaio de ossos inteiros também é difícil, pois eles são estruturas complexas do ponto de vista espacial e guardam íntima relação com a função que desempenham e as solicitações mecânicas a que estão submetidos, fatores nem sempre fáceis de ser determinados ou padronizados.
Em 1870, Wolff estabeleceu a lei, hoje conhecida com seu nome, que, resumidamente, estabelecia que o osso responde aos esforços mecânicos com modificação de sua arquitetura interna. Como corolário, pode-se inferir que a estrutura normal de um osso guarda relação com as solicitações mecânicas. Isso pode ser comprovado pelo simples exame da estrutura trabecular do osso, por exemplo, no terço proximal do fêmur. Nessa região há dois feixes principais de trabéculas. Um, mais verticalizado, origina-se do topo e porção central da cabeça femoral, passa pela região medial do colo, onde se concentra, constituindo o calcar femoral para, distalmente, esparramar-se em direção da diáfise. Esse conjunto de trabéculas presta-se à descarga de forças de compressão que provêm da pelve.
O outro feixe de trabéculas tem forma arqueada, originase da região inferior da cabeça femoral, eleva-se até a porção superior do colo e desce para a região metafisária, onde se espalha. Essas trabéculas contrapõem-se às deformações em flexão que ocorrem na região em conseqüência da distribuição excêntrica das forças em relação ao eixo de movimento do quadril.
Do estudo da anatomia comparada de diversos animais verifica-se que um achado constante é o encurvamento anterior da diáfise do fêmur. Isso ocorre nos mamíferos mais comuns, tanto de laboratório (coelho, rato, camundongo, etc.) como nos animais domésticos (cão, gato), e mesmo nas aves mais conhecidas. Certamente, ainda lembrando a lei de Wolff, esse aspecto reflete as solicitações mecânicas locais que tendem, pela resultante das forças, a provocar esforço de flexão do osso, com resultante no sentido póstero-anterior. Entretanto, esse fato poderia causar menor resistência óssea conforme a força traumática fosse aplicada na face côncava ou convexa. Este estudo foi idealizado com o objetivo de conhecer melhor essa relação entre forças e morfologia óssea. Objetivouse também analisar o comportamento em fêmures de ratos imaturos e próximos da maturidade, realizando ensaios de flexão, com cargas aplicadas nas faces côncava e convexa da diáfise deste osso.
MATERIAL E MÉTODOS
Seleção dos animais
Com base nos resultados da curva de crescimento obtidos por Fontoura Filho(4), foram selecionadas ratas da raça Rattus Norvegicus albinus, variedade Wistar, com as idades de 25 e 79 dias, para realizar os ensaios mecânicos de flexão em três pontos do fêmur esquerdo.
Inicialmente, foram recebidas oito ratas matrizes da raça Rattus Norvegicus albinus, variedade Wistar, prestes a parir. Essas ratas foram mantidas em gaiolas individuais no Biotério do Laboratório de Bioengenharia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP. Quando pariram, todas em período de 24 horas, os filhotes machos foram retirados imediatamente e sacrificados, ficando cinco ou seis filhotes fêmeas com cada mãe, até atingir o período de desmame, em torno de 21 dias. Foram, então, retirados da companhia das mães e mantidos quatro ou cinco filhotes por gaiola, recebendo ração padrão e água à vontade.
Ao todo foram usados 80 animais, divididos em quatro grupos.
Grupo 25A: composto de 20 animais com 25 dias de ida-de. A força de flexão foi aplicada na face convexa da diáfise;
Grupo 25P: composto de 20 animais com 25 dias de ida-de. A força de flexão foi aplicada na face côncava da diáfise;
Grupo 79A: composto de 20 animais com 79 dias de ida-de. A força de flexão foi aplicada na face convexa da diáfise;
Grupo 79P: composto de 20 animais com 79 dias de ida-de. A força de flexão foi aplicada na face côncava da diáfise.
Os ratos foram sacrificados com inalação de éter sulfúrico, os fêmures retirados e limpos das partes moles, pesados, depois envolvidos em gaze umedecida em soro fisiológico, acondicionados em sacos plásticos e armazenados em freezer, sob temperatura de -20ºC por período de 30 dias.
Ensaios mecânicos de flexão
Devido às pequenas dimensões dos ossos, foram confeccionados acessórios mecânicos em latão, usados como base de apoio. Para os fêmures de 25 dias de idade, foi utilizada distância entre os apoios de 10mm e, para os fêmures de 79 dias de idade, distância de 20mm.
Para os ensaios mecânicos os ossos congelados foram retirados do freezer com 24 horas de antecedência e transferidos para refrigerador comum. No dia do teste foram mantidos à temperatura ambiente até que entrassem em equilíbrio térmico com o meio. Utilizou-se máquina universal de testes, projetada no Laboratório de Bioengenharia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da USP.
Os fêmures foram testados à flexão simples com três pontos de apoio e a carga aplicada à velocidade de 0,15mm/ minuto e registrada por célula de carga de 200kgf, acoplada ao amplificador. As deformações foram registradas por relógio comparador com precisão de centésimos de milímetro.
Foi aplicada pré-carga de 20 gramas-força, com tempo de um minuto para acomodação do sistema. Para cada ensaio a força foi aplicada transversalmente ao fêmur, com os esforços de flexão no osso até a ruptura. Durante todo o ensaio, o osso foi mantido hidratado com soro fisiológico.
Todos os ensaios foram realizados nas mesmas condições, com exceção do posicionamento dos ossos que, em metade dos casos, foi com a face anterior (convexa) voltada para cima e, na outra metade, com a face posterior (côncava) para baixo.
Cálculo da área de secção transversal da diáfise fraturada
Após o ensaio, os fragmentos quebrados foram limpos com soro fisiológico, repostos e colados com Superbonder®. Cada osso remontado foi serrado transversalmente no local da fra-tura, produzindo dois fragmentos. O fragmento proximal foi selecionado para o cálculo da área de secção transversal da superfície de corte. Esta superfície foi tingida com tinta e "carimbada" em folha branca de papel de seda, deixando uma marca. O papel foi, então, colado em moldura de diapositivo e projetado em folha de papel, criando uma sombra que reproduziu o contorno da secção transversal da diáfise na região da fratura do fêmur com ampliação de cinco vezes. Esse contorno foi copiado e levado para mesa digitalizadora e transferido para o microcomputador. A área de secção transversal do córtex ósseo foi calculada utilizando o programa Autocad 12 ®. O momento de inércia foi calculado utilizando programa de computador desenvolvido pela equipe do Laboratório de Bioengenharia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP.
Obtenção dos dados
A partir dos ensaios realizados, foram construídas as cur-vas carga x deformação e tensão x deformação, com cálculo das grandezas: tensão máxima, limite de proporcionalidade, módulo de elasticidade e energia absorvida na fase elástica.
A energia absorvida (J/m3) foi obtida mediante as curvas tensão (N/m2) x flecha (%), com a fórmula da área do triângulo que foi obtido traçando-se uma reta de regressão pelos pontos da curva tensão x flecha e determinando o limite de elasticidade(1). Nesse ponto foi traçada uma reta vertical até a abscissa, obtendo-se, assim, os valores de base e altura.
Foi realizada análise comparativa entre os seguintes grupos de fêmures de ratas: 25P comparado com 25A; 79P comparado com 79A; 25P comparado com 79P e 25A comparado com 79A. Foi usado o teste t de Student simples para as médias dos grupos assumindo variâncias diferentes. O nível de significância dos testes foi estabelecido em 5%.
RESULTADOS
Nos ensaios realizados em fêmures das ratas de 25 e 79 dias de vida, foi observado que as fraturas estavam sempre localizadas na região de aplicação da carga. A fratura mais freqüentemente ocorrida foi a transversal. Nas curvas tensão x deformação houve maior dispersão de valores para o grupo de animais mais jovens, principalmente na fase plástica da deformação.
Todos os parâmetros obtidos da curva tensão x deformação foram significativamente maiores para os grupos de 79 dias, qualquer que fosse a comparação feita com os grupos de 25 dias.
Tensão máxima
O valor médio da tensão máxima encontrado para os fêmures de ratas com 25 dias, ensaiados com a carga aplicada na face côncava (25P), foi de (62,5 ± 3,8)103N/m2; para os fêmures com carga aplicada na face convexa (25A), foi de (76,3 ± 4,8)103N/m2, com diferença significativa entre eles (p = 0,03).
Para os fêmures de ratas com 79 dias, ensaiados com a carga aplicada na face côncava (79P), foi de (288,9 ± 11,6) 103N/m2; para os fêmures com a carga aplicada na face convexa (79A), foi de (278,8 ± 8,2)103N/m2. Entretanto, não houve diferença significativa entre eles (p > 0,05).
Os valores médios da tensão no limite de proporcionalidade para os fêmures do grupo 25P foi de (34,3 ± 2,4)103N/m2 e, para o grupo 25A, de (38,4 ± 3,1)103N/m2, sem diferença significativa (p = 0,31). Para os grupos de 79P e 79A foram de (218,8 ± 11,6)103N/m2 e (182,5 ± 13,9)103N/m2, respectivamente, também sem diferença significativa (p = 0,05).
Flecha no limite de proporcionalidade
Os valores médios da flecha no limite de proporcionalidade para os fêmures do grupo 25P foram de (1,3 ± 0,09)% e, para o grupo 25A, de (1,2 ± 0,1)%, sem diferença significativa (p = 0,48). Para os grupos de 79P e 79A, foram de (1,5 ± 0,07)% e (1,5 ± 0,1)%, respectivamente, sem diferença significativa (p = 0,91).
Módulo de elasticidade equivalente
Os valores médios do módulo de elasticidade equivalente para os fêmures do grupo 25P foram de (1,1 ± 0,06)106N/m2 (106N/m2 = 1 megapascal) e, para o grupo 25A, de (1,5 ± 0,1)106N/m2, com diferença significativa (p = 0,006).
Para os grupos 79P e 79A, foram de (11,8 ± 0,6)106N/m2 e (10,2 ± 0,3)106N/m2, respectivamente, com diferença significativa (p = 0,04).
Energia absorvida na fase elástica
Os valores médios da energia absorvida na fase elástica para os fêmures do grupo 25P foram de (30,3 ± 2,0)103J/m3 e, para o grupo 25A, de (30,5 ± 1,4)103J/m3, sem diferença significativa (p = 0,92). Para os grupos 79P e 79A, foram de (155,6 ± 9,7)103J/m3 e (156,7 ± 10,2)103J/m3, respectivamente, sem diferença significativa (p = 0,94).
DISCUSSÃO
Como uma das principais funções do aparelho locomotor é a sustentação e transmissão de forças, há interesse permanente em estudar seus componentes do ponto de vista mecânico. Esse interesse advém da necessidade de compreender situações freqüentes, como a ocorrência de fratura, lesão muscular ou o processo de desgaste de articulação.
Especificamente para o osso e articulação, a compreensão de suas características mecânicas encontra sustentação não somente na ocorrência das possíveis lesões, mas também na necessidade de repará-las, seja mediante fixação interna, externa ou substituindo articulação por prótese.
Assim, quanto mais se conhecer o aparelho locomotor do ponto de vista mecânico, tanto na saúde, quanto na doença, melhores vão ser as condições de tratar lesões, restaurando funções, aliviando sofrimento e recuperando o indivíduo à situação de normalidade (restitutio ad integrum).
Nesta investigação tivemos a intenção de contribuir para melhor entendimento da resistência óssea sob algumas condições. É sabido que o osso imaturo se comporta de maneira bastante diferente daquele do adulto, com relação aos esforços e traumatismos recebidos.
O osso jovem resiste à sobrecarga não somente pelo tamanho físico, mas também pela capacidade de deformar-se mais no sentido de aliviar as forças aplicadas (Torzilli et al.(10)). Mesmo sendo mais frágil, ele deflete mais e absorve mais energia em conseqüência de capacidade de deformação plástica considerável.
Por outro lado, Wolff, em 1870, estabeleceu que há íntima interdependência entre a morfologia, arquitetura interna do osso e as solicitações mecânicas.
A observação de que a diáfise do fêmur é arqueada anteriormente em grande variedade de espécies de animais sugere que isto ocorra em razão da resultante das forças nesta região, porém levanta uma dúvida: esse arqueamento provoca enfraquecimento conforme o sentido de aplicação de forças, levando a maior suscetibilidade a um tipo específico de trauma? Em caso afirmativo, isso ocorreria também no esqueleto imaturo?
Essas indagações, já colocadas na introdução deste trabalho, levaram-nos a elaborar esta pesquisa.
Avaliando-se de maneira global nossos resultados, verificamos que todos os parâmetros mecânicos foram significativamente maiores para os animais mais maduros, demonstrando o óbvio, isto é, que animais mais crescidos têm o fêmur mais resistente. Evans(3) e Torzilli et al.(9,10) demonstraram que essas diversidades são causadas pelas modificações histológicas entre os ossos nas diferentes idades. Quando se analisam as curvas tensão-deformação para os dois grupos, verifica-se que para 25 dias há maior dispersão de valores na fase plástica da deformação. Este achado pode refletir as maiores modificações que um osso em crescimento rápido esteja sofrendo.
Considerando-se, agora, os resultados com relação às faces de aplicação da força, verificamos que, de maneira geral, não houve diferença significativa, seja na força aplicada na concavidade ou na convexidade do osso. Apenas houve pequena diferença com relação à tensão máxima no grupo 25A quando comparado com o 25P. Para o módulo de elasticidade equivalente houve diferença significativa quanto à face de aplicação da força, tanto para 25 como para 79 dias de idade. Mais uma vez, as diferenças, embora significantes do ponto de vista estatístico, foram muito pequenas. Assim, pa-rece-nos lógico assumir que praticamente não houve diferença quanto à face de aplicação da força.
Isso vai contra o que se deveria esperar, fazendo-se a comparação do osso com um corpo homogêneo com as mesmas dimensões do osso que é mais facilmente deformável a favor da concavidade. Como no osso isso não ocorreu, é provável que haja rearranjo trabecular interno de modo a compensar essa fraqueza geométrica, como aventou Netz(6), que realizou testes de torção em sentidos opostos em tíbias de cães e tampouco encontrou diferenças entre eles, também contrariamente ao esperado. Uma possível explicação aventada por aquele autor foi a do rearranjo trabecular. Estas idéias encontram igualmente sustentação nos achados de Torzilli et al.(9,10).
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Torzilli, P.A., Takebe, K., Burstein, A.H. et al: The material properties of immature bone. J Biomech Eng 104: 12-20, 1982.
