Modelagem multiescala de tecidos mineralizados considerando a micromecânica da dinâmica celular

Abstract

Resumo: O estudo do comportamento auto-adaptativo dos ossos é um grande desafio que a comunidade científica internacional tem encontrado nas últimas décadas. O tecido ósseo é um órgão vivo capaz de se adaptar ao ambiente mecânico e é caracterizado como um material compósito por sua complexa composição e níveis hierárquicos de organização. Os fatores biológicos que inuenciam o equilíbrio de remoção e reposição óssea são diversos, entre eles estão células, citocinas, fatores de crescimento, hormônios, proteínas e lipídios que interagem neste complexo fenômeno local que sofre inuências sistêmicas e estímulos externos. A micromecânica do contínuo é o ferramental teórico escolhido de caracterizar o comportamento constitutivo anisotrópico, heterogêneo e multiescala do tecido ósseo. Para lidar com os processos biológicos foi adotado um modelo de interação celular que descreve as interações celulares e a inuência da sinalização parácrina em uma das escalas do osso. Através do procedimento de homogeneização baseado na micromecânica do contínuo podemos obter as propriedades mecânicas macroscópicas baseadas na composição da microestrutura do material. Um código computacional intitulado Remold 2D foi desenvolvido e programado em MATLAB. A discretização espacial das geometrias bidimensionais é realizada através do Método dos Elementos Finitos e a evolução temporal das variáveis biológicas e da densidade ossea é resolvida pelo método de Runge-Kutta de quarta ordem. Exemplos bidimensionais ilustram a teoria aplicada em três casos: formação da camada cortical no fêmur, reabsorção óssea peri-implantar (implantodontia) e movimentação ortodôntica. O estímulo mecânico utilizado para desencadear a atividade celular _e a densidade de energia de deformação na micro-escala. Os resultados mostram a evolução temporal da distribuição de densidade nos modelos bidimensionais. Essa distribuição mostrou-se apropriada comparada com outros modelos da literatura. O estudo desenvolvido é um primeiro passo no desenvolvimento de outras pesquisas relacionadas ao desequilíbrio da homeostase óssea e a utilização de fármacos no tratamento de doenças osseas.