Trabécula - Trabecula
| Trabécula | |
|---|---|
 A alternância do padrão trabecular no osso da coxa reflete o estresse mecânico
| |
| Detalhes | |
| Parte de | Osso |
| Identificadores | |
| FMA | 85273 |
| Terminologia anatômica | |
A trabécula (plural trabéculas , do latim para "pequeno feixe") é, um pequeno, frequentemente microscópica do tecido elemento sob a forma de uma pequena viga , suporte ou haste que suporta ou âncoras de um quadro de partes dentro de um corpo ou órgão. Uma trabécula geralmente tem uma função mecânica e é geralmente composta de tecido colágeno denso (como a trabécula do baço ). Eles podem ser compostos de outros materiais, como músculos e ossos. No coração , os músculos formam trabéculas carnais e trabéculas septomarginais . O osso esponjoso é formado por agrupamentos de tecido ósseo trabeculado.
Em cortes transversais, as trabéculas de um osso esponjoso podem parecer septos , mas em três dimensões são topologicamente distintas, com as trabéculas sendo aproximadamente em forma de bastão ou pilar e septos em folha.
Ao cruzar espaços cheios de líquido, as trabéculas podem ter a função de resistir à tensão (como no pênis , ver por exemplo trabéculas de corpos cavernosos e trabéculas de corpo esponjoso ) ou fornecer um filtro celular (como na rede trabecular do olho ).
Várias perfurações em um septo podem reduzi-lo a uma coleção de trabéculas, como acontece com as paredes de alguns dos alvéolos pulmonares no enfisema .
Estrutura
O osso trabecular, também chamado de osso esponjoso , é um osso poroso composto de tecido ósseo trabeculado. Ele pode ser encontrado nas extremidades de ossos longos, como o fêmur, onde o osso não é realmente sólido, mas está cheio de orifícios conectados por finas hastes e placas de tecido ósseo. A medula óssea vermelha, onde todas as células sanguíneas são feitas, preenche o espaço entre os poros trabeculares. Embora o osso trabecular contenha muitos orifícios, sua complexidade espacial contribui para a força máxima com massa mínima. Observa-se que a forma e a estrutura do osso trabecular são organizadas para resistir de forma ideal às cargas impostas pelas atividades funcionais, como pular, correr e agachar. E de acordo com a famosa Lei de Wolff , proposta em 1892, a forma externa e a arquitetura interna do osso são determinadas pelas tensões externas que atuam sobre ele. A estrutura interna do osso trabecular passa primeiro por mudanças adaptativas ao longo da direção do estresse e, em seguida, a forma externa do osso cortical sofre mudanças secundárias. Finalmente, a estrutura óssea torna-se mais espessa e densa para resistir ao carregamento externo.
Por causa da quantidade crescente de substituição total da articulação e seu impacto na remodelação óssea, compreender o processo adaptativo e relacionado ao estresse do osso trabecular tornou-se uma preocupação central para os fisiologistas ósseos. Para entender o papel do osso trabecular na estrutura óssea relacionada à idade e no design de sistemas osso-implante, é importante estudar as propriedades mecânicas do osso trabecular em função de variáveis, como localização anatômica, densidade e idade. Para fazer isso, fatores mecânicos, incluindo módulo, resistência uniaxial e propriedades de fadiga são necessários para estudar.
Normalmente, a porcentagem de porosidade do osso trabecular está na faixa de 75-95% e a densidade varia de 0,2 a 0,8 g / cm 3 . Note-se que a porosidade pode reduzir a resistência do osso, mas também reduzir o seu peso. A porosidade e a maneira como a porosidade é estruturada afetam a resistência do material. Assim, a microestrutura do osso trabecular é tipicamente orientada e o "grão" da porosidade é alinhado em uma direção em que a rigidez mecânica e a resistência são maiores. Por causa da direcionalidade microestrutural, as propriedades mecânicas do osso trabecular são altamente anisotrópicas. A faixa do módulo de young para osso trabecular é de 800 a 14.000 MPa e a força de falha é de 1 a 100 MPa.
Como mencionado acima, as propriedades mecânicas do osso trabecular são muito sensíveis à densidade aparente. A relação entre o módulo do osso trabecular e sua densidade aparente foi demonstrada por Carter e Hayes em 1976. A equação resultante afirma:
onde representa o módulo do osso trabecular em qualquer direção de carregamento, representa a densidade aparente e e são constantes dependendo da arquitetura do tecido.
Além disso, a partir da microscopia eletrônica de varredura, verificou-se que a variação da arquitetura trabecular com diferentes sítios anatômicos leva a diferentes módulos. Para entender as relações estrutura-anisotropia e propriedades do material, deve-se correlacionar as propriedades mecânicas medidas de espécimes trabeculares anisotrópicos com as descrições estereológicas de sua arquitetura.
A resistência à compressão do osso trabecular também é muito importante porque acredita-se que a falha interna do osso trabecular surja do estresse compressivo. Nas curvas de tensão-deformação para osso trabecular e osso cortical com densidade aparente diferente, há três estágios na curva de tensão-deformação. A primeira é a região linear onde as trabéculas individuais se dobram e se comprimem à medida que o tecido em massa é comprimido. O segundo estágio é após ceder, as ligações trabeculares começam a se fraturar e o terceiro estágio é o estágio de enrijecimento. Normalmente, as áreas trabeculares de densidade mais baixa têm um estágio mais deformado antes de enrijecer do que as amostras de densidade mais alta.
Em resumo, o osso trabecular é muito flexível e heterogêneo. O caráter heterogêneo torna difícil resumir as propriedades mecânicas gerais do osso trabecular. A alta porosidade torna o osso trabecular compatível e grandes variações na arquitetura levam a uma alta heterogeneidade. O módulo e a resistência variam inversamente com a porosidade e dependem muito da estrutura da porosidade. Além disso, os efeitos do envelhecimento e das pequenas rachaduras dos ossos trabeculares em suas propriedades mecânicas serão analisados mais nos esboços finais.
Significado clínico
.jpg)
Estudos demonstraram que, uma vez que um humano atinge a idade adulta, a densidade óssea diminui continuamente com a idade, para a qual a perda de massa óssea trabecular contribui parcialmente. A perda de massa óssea é definida pela Organização Mundial da Saúde como osteopenia se a densidade mineral óssea (DMO) estiver um desvio padrão abaixo da DMO média em adultos jovens, e é definida como osteoporose se for mais de 2,5 desvios padrão abaixo da média. Uma baixa densidade óssea aumenta muito o risco de fratura por estresse , que pode ocorrer sem aviso nas pessoas em risco. As fraturas de baixo impacto resultantes da osteoporose ocorrem mais comumente no fêmur superior , que consiste em 25-50% do osso trabecular, dependendo da região, nas vértebras, que são cerca de 90% trabeculares, ou no punho .
Quando o volume do osso trabecular diminui, sua estrutura original de placa e haste é perturbada; estruturas semelhantes a placas são convertidas em estruturas semelhantes a hastes, e as estruturas semelhantes a hastes pré-existentes são finas até que se desconectem e sejam reabsorvidas no corpo. As alterações no osso trabecular são tipicamente específicas ao gênero, com as diferenças mais notáveis na massa óssea e na microestrutura trabecular ocorrendo dentro da faixa etária para a menopausa. A degradação das trabéculas ao longo do tempo causa uma diminuição na resistência óssea que é desproporcionalmente grande em comparação com o volume da perda óssea trabecular, deixando o osso remanescente vulnerável à fratura.
Com a osteoporose, muitas vezes também há sintomas de osteoartrite , que ocorre quando a cartilagem nas articulações está sob estresse excessivo e se degrada com o tempo, causando rigidez, dor e perda de movimento. Na osteoartrite, o osso subjacente desempenha um papel significativo na degradação da cartilagem; portanto, qualquer degradação trabecular pode afetar significativamente a distribuição do estresse e afetar adversamente a cartilagem em questão.
Devido ao seu forte efeito na resistência óssea geral, atualmente há fortes especulações de que a análise dos padrões de degradação das trabéculas pode ser útil em um futuro próximo no rastreamento da progressão da osteoporose.
Pássaros
O desenho oco dos ossos das aves é multifuncional, estabelecendo alta resistência específica e complementando as vias aéreas abertas para acomodar a pneumaticidade esquelética comum a muitas aves. A força e resistência específicas à flambagem são otimizadas por meio de seu design ósseo, que combina uma casca fina e dura que envolve um núcleo esponjoso de trabéculas. A alometria de suas trabéculas permite que o esqueleto tolere cargas sem aumentar significativamente a massa óssea. O Red-Tailed Hawk otimiza seu peso com um padrão repetitivo de suportes em forma de V que dão aos ossos as características de peso e rigidez necessárias. A rede interna de trabéculas afasta a massa do eixo neutro , o que acaba aumentando a resistência à flambagem .
Assim como nos humanos, a distribuição das trabéculas nas espécies de aves é irregular, dependendo das condições de carregamento. A ave com maior densidade de trabéculas é o kiwi , uma ave que não voa. Também há distribuição desigual de trabéculas dentro de espécies semelhantes, como o grande pica-pau-malhado ou o pica -pau-de-cabeça-cinzenta . Depois de examinar uma micro tomografia computadorizada da testa, do temporomandíbulo e do occipício do pica-pau, foi determinado que há significativamente mais trabéculas na testa e no occipital. Além da diferença na distribuição, a proporção de aspecto das hastes individuais era maior nos pica-paus do que em outras aves de tamanho semelhante, como a poupa euro - asiática ou a cotovia . As trabéculas dos pica-paus são mais parecidas com placas, enquanto o falcão e a cotovia têm estruturas semelhantes a hastes em rede através de seus ossos. A diminuição da tensão no cérebro do pica-pau foi atribuída à maior quantidade de escoras mais grossas em forma de placa compactadas mais juntas do que o falcão, a poupa ou a cotovia. Por outro lado, as estruturas em forma de haste mais finas levariam a uma deformação maior. Um teste mecânico destrutivo com 12 amostras mostrou que o desenho das trabéculas do pica-pau tem uma resistência média final de 6,38 MPa, em comparação com os 0,55 MPa da cotovia.
Além do crânio, o bico dos pica-paus tem pequenos suportes que sustentam a concha do bico, mas em menor grau em comparação com o crânio. Como resultado de menos trabéculas no bico, tem uma rigidez maior de 1,0 GPa em comparação com o crânio, 0,31 GPa. Enquanto o bico absorve parte do impacto da bicada, a maior parte do impacto é transferida para o crânio, onde mais trabéculas estão ativamente disponíveis para absorver os choques. A força final do bico do pica-pau e da cotovia são semelhantes, podendo-se então inferir que o bico tem um papel menor na absorção de impacto. Mas uma vantagem medida do bico do pica-pau é a leve sobremordida (o bico superior é 1,6 mm mais longo do que o inferior) que causa uma distribuição bimodal de força devido ao bico superior entrar em contato com a superfície momentos antes da metade inferior do bico. Esse tempo escalonado de impacto induziu uma tensão menor nas trabéculas na testa, no occipital e no bico, do que se o bico superior e o inferior tivessem comprimentos iguais.
Pesquisar
Tecnologia de capacete
Uma causa importante de ferimentos e morte é o ferimento na cabeça. Os cientistas foram inspirados pelos pica-paus para avançar a tecnologia de capacete depois de aprender sobre sua capacidade de desacelerar 1.000 vezes a força da gravidade continuamente por uma média de 15 bicadas. Estima-se que o pica-pau bata seu bico cerca de 12.000 vezes por dia. Supõe-se que os pica-paus não sofram nenhum dano cerebral por essas forças que excedem em muito a capacidade humana. Uma empresa chamada Riddell , fabricante de capacetes para o Exército dos Estados Unidos e o futebol americano , está desenvolvendo capacetes para atenuar o estresse na parte frontal do cérebro em um design semelhante ao de alguns pássaros.
Caixa preta
Melhorias na resistência ao impacto das caixas pretas estão sendo projetadas com base na cabeça de um pica-pau. Eles consistem em camadas duras de aço e alumínio para imitar seu bico e crânio, um componente elastomérico para dispersar uniformemente as vibrações para longe do crânio como o osso hióide , e uma estrutura porosa feita de microesferas de vidro para amortecer as vibrações como o osso trabecular. Esta estrutura sobreviveu a um teste de até 60.000 Gs.
Material trabecular de metal
Criado pela Zimmer Biomet , o material Trabecular Metal tem sido usado clinicamente por 19 anos para aplicações ortopédicas, como implantes para quadril, joelho ou ombro, bem como preenchimentos de cavidades ósseas, hastes de osteonecrose e implantes dentários. É uma espuma metálica de célula aberta com até 80% de porosidade , cada tamanho de poro é em média 440 micrômetros. Possui baixa rigidez e alto coeficiente de atrito de 0,98 para que os implantes permaneçam seguros sem deslizamento. É feito de tântalo puro porque é quimicamente inerte , resistente à corrosão e biocompatível. Esta estrutura trabecular tem um alto módulo de compressão e alta resistência à fadiga para suportar tensões fisiológicas normais por longos períodos de tempo.
Trabécula em outros organismos
Quanto maior for o animal, maior será a carga que seus ossos devem suportar. O osso trabecular é conhecido anteriormente por aumentar a rigidez, aumentando a quantidade de osso por unidade de volume ou alterando a geometria e a disposição das trabéculas individuais à medida que o tamanho do corpo e a carga óssea aumentam. O osso trabecular é dimensionado alometricamente , reorganizando a estrutura interna dos ossos para aumentar a capacidade do esqueleto de sustentar as cargas experimentadas pelas trabéculas. Além disso, o dimensionamento da geometria trabecular pode moderar a deformação trabecular. A carga atua como um estímulo ao trabecular, alterando sua geometria de forma a sustentar ou atenuar as cargas de deformação. Usando a modelagem de elementos finitos, um estudo testou quatro espécies diferentes sob um estresse aparente igual (σapp) para mostrar que a escala trabecular em animais altera a cepa dentro do trabecular. Foi observado que a deformação dentro das trabéculas de cada espécie variou com a geometria das trabéculas. Em uma escala de dezenas de micrômetros, que é aproximadamente do tamanho de osteócitos , a figura abaixo mostra que as trabéculas mais espessas exibiram menos tensão. As distribuições de frequência relativa da deformação do elemento experimentadas por cada espécie mostram um módulo de elasticidade mais alto das trabéculas à medida que o tamanho da espécie aumenta.
Além disso, as trabéculas em animais maiores são mais espessas, mais separadas e menos densamente conectadas do que aquelas em animais menores. Intra-trabecular ósteon pode geralmente ser encontrada em trabéculas espessura de animais maiores, bem como diluente trabéculas de animais mais pequenos, tais como chitas e lêmures . Os ósteons desempenham um papel na difusão de nutrientes e produtos residuais para dentro e para fora dos osteócitos, regulando a distância entre os osteócitos e a superfície óssea para aproximadamente 230 μm.
Devido a uma redução aumentada da saturação de oxigênio no sangue, animais com altas demandas metabólicas tendem a ter uma espessura trabecular menor (Tb.Th) porque requerem aumento da perfusão vascular das trabéculas. A vascularização por tunelamento de ósteons muda a geometria trabecular de sólida para semelhante a tubo, aumentando a rigidez de flexão para trabéculas individuais e sustentando o suprimento de sangue para osteócitos que estão inseridos profundamente no tecido.
A fração de volume ósseo (BV / TV) foi considerada relativamente constante para a variedade de tamanhos de animais testados. Animais maiores não mostraram uma massa significativamente maior por unidade de volume de osso trabecular. Isso pode ser devido a uma adaptação que reduz o custo fisiológico de produção, manutenção e movimentação do tecido. No entanto, BV / TV mostrou escamação positiva significativa nos côndilos femorais aviários . Aves maiores apresentam hábitos de vôo diminuídos devido à alometria BV / TV aviária . O kiwi que não voa, pesando apenas 1–2 kg, teve o maior BV / TV das aves testadas no estudo. Isso mostra que a geometria do osso trabecular está relacionada às 'condições mecânicas prevalecentes', portanto, as diferenças na geometria trabecular na cabeça e côndilo femoral podem potencialmente apresentar os diferentes ambientes de carga das articulações coxofemoral e femorotibial .
A capacidade do pica-pau de resistir ao impacto repetitivo da cabeça está correlacionada com suas estruturas compostas micro / nanohierárquicas exclusivas . Microestrutura e nanoestrutura do pica ‘s crânio consiste de uma distribuição desigual de osso esponjoso , a forma organizacional de trabéculas indivíduo. Isso afeta as propriedades mecânicas do pica - pau , permitindo que o osso craniano suporte uma alta resistência final (σu). Comparado com o osso craniano da cotovia , o osso craniano do pica - pau é mais denso e menos esponjoso, tendo uma estrutura mais semelhante a uma placa e uma estrutura mais semelhante a uma haste que é observada nas cotovias . Além disso, o osso craniano do pica - pau apresenta maior espessura e quantidade de trabéculas individuais. Em relação às trabéculas da cotovia , a trabecular do pica - pau é mais espaçada e mais semelhante a uma placa. [19] Essas propriedades resultam em uma maior resistência final no osso craniano do pica - pau do que na cotovia .
História
Forma diminuta de trabeculectomias latinas , o que significa uma viga ou barra. No século 19, o neologismo trabeculum (com um plural assumido de trabécula ) tornou-se popular, mas é menos etimologicamente correto. O trabéculo persiste em alguns países como sinônimo de malha trabecular do olho , mas pode ser considerado um uso inadequado com base na etimologia e na precisão descritiva.
Outros usos
Para o componente de desenvolvimento do crânio, consulte a cartilagem trabecular .