D5 Caracterização de Materiais Biológicos

Tópico

A caracterização de materiais biológicos aplica mecânica dos sólidos e reologia para determinar as propriedades mecânicas dos tecidos que compõem o sistema locomotor — osso, cartilagem, tendão, ligamento, músculo e fáscia — os materiais estruturais que sustentam o movimento. Ao contrário dos materiais de engenharia, que geralmente são homogêneos, esses tecidos biológicos são heterogêneos e se comportam de maneira diferente dependendo da direção da força aplicada. Eles também são viscoelásticos e seu comportamento mecânico depende fortemente de seu histórico de carga, seu grau de hidratação e sua temperatura.

As propriedades mecânicas desses tecidos são determinadas por meio de ensaios de tração e compressão em uma única direção. Esses ensaios geram uma curva que relaciona a força aplicada à deformação resultante. A partir dessa curva, são derivadas a rigidez do tecido em seu trecho reto e sua tenacidade à fratura — ou seja, a tensão máxima que o tecido pode suportar antes de se romper. Em tecidos moles, essa curva apresenta inicialmente um segmento de baixa rigidez, no qual as fibras de colágeno, ainda desalinhadas, se alinham gradualmente na direção da carga, e somente então, uma vez alinhadas, entra no segmento reto de alta rigidez.

A natureza viscoelástica desses tecidos, mencionada no início, é quantificada com dois tipos de testes complementares: no teste de relaxamento, a deformação do tecido é mantida constante e observa-se que a força necessária para mantê-la diminui gradualmente até um valor de equilíbrio; no teste de fluência, por outro lado, a carga aplicada é mantida constante e observa-se que a deformação do tecido continua aumentando ao longo do tempo. Um modelo que combina um componente puramente elástico com um componente que combina elasticidade e viscosidade descreve ambos os comportamentos com apenas três parâmetros: a rigidez instantânea do tecido, sua rigidez de equilíbrio após o relaxamento e o tempo característico necessário para a transição de um estado para o outro.

Dentro de cada fibra de colágeno que se alinha durante a aplicação de carga, como mencionado no teste mecânico anterior, existem fibrilas de colágeno individuais que podem ser caracterizadas separadamente, em nanoescala, com um microscópio capaz de detectar a força de contato de sua própria ponta. Pressionar essa ponta contra fibrilas de colágeno individuais resulta em valores de rigidez entre um e cinco gigapascais, bem acima da rigidez que o mesmo colágeno exibe quando medido como parte do tecido inteiro. No caso específico do osso, a rigidez estrutural não é medida diretamente por um teste mecânico, mas sim estimada a partir do seu conteúdo mineral. A densitometria óssea mede a quantidade de mineral presente no osso e como esse mineral está distribuído em seu interior. Essa densidade mineral está relacionada ao módulo de elasticidade do osso por uma razão de potência derivada empiricamente, de modo que ossos com maior densidade mineral são estruturalmente mais rígidos.

O comportamento esperado ao longo dessa caracterização de materiais biológicos é que a degradação mecânica de tendões e cartilagens progride de acordo com uma relação potência-peso com o número cumulativo de ciclos de carga suportados pelo tecido: inicialmente, a rigidez diminui lentamente, mas a redução acelera à medida que mais ciclos se acumulam. Quando essa diminuição no módulo de elasticidade excede trinta por cento do valor original do tecido saudável, a redução deixa de ser uma variação menor e torna-se clinicamente significativa.

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