CapÃtulo 1 : Biomecânica

O estudo da estrutura, função e movimento dos elementos mecânicos de sistemas biológicos, em qualquer nível, de organismos inteiros a órgãos, células e organelas celulares, usando as ferramentas da mecânica é referido como biomecânica. A biomecânica pode ser aplicada a qualquer nível de sistemas biológicos. Existe um subcampo da biofísica conhecido como biomecânica.

Hoje, a mecânica computacional engloba uma ampla variedade de fenômenos físicos, incluindo química, transferência de calor e massa, interações elétricas e magnéticas e muito mais. Vai muito além da mecânica tradicional que foi usada no passado.

Tanto o termo "biomecânica" (1899) quanto o termo relacionado "biomecânico" (1856) têm origem nas palavras gregas antigas ß??? bios, que significa "vida", e µ??av???, mechanike, que significa "mecânica". Estas palavras são usadas para falar sobre o estudo dos princípios mecânicos que regem os seres vivos, incluindo o seu movimento e estrutura.

O estudo do fluxo de fluidos gasosos e líquidos dentro ou ao redor de organismos vivos é comumente referido como mecânica dos biofluidos, que também é conhecida como mecânica biológica dos fluidos. O tema do fluxo sanguíneo no sistema circulatório humano é frequentemente investigado no campo dos biofluidos líquidos. É possível usar as equações de Navier-Stokes para descrever o fluxo sanguíneo se certas condições matemáticas forem atendidas. Pensa-se que o sangue total é um fluido newtoniano incompressível quando está presente em organismos vivos. Por outro lado, esta suposição é inválida quando o fluxo para frente dentro das arteríolas é levado em consideração. Quando observados a nível microscópico, os impactos dos glóbulos vermelhos individuais tornam-se substanciais, e já não é possível descrever o sangue total como um contínuo. Quando o diâmetro do vaso sanguíneo é apenas marginalmente maior do que o diâmetro do glóbulo vermelho, o efeito Fahraeus-Lindquist ocorre, e há uma redução na quantidade de tensão de cisalhamento da parede que é experimentada. Por outro lado, quando a largura do vaso sanguíneo continua a diminuir, os glóbulos vermelhos são forçados a apertar através do vaso, e eles frequentemente só têm a capacidade de passar em um único arquivo. Dentro deste cenário particular, o efeito inverso Fahraeus-Lindquist ocorre, resultando em um aumento na tensão de cisalhamento da parede.

Um exemplo de um problema envolvendo biofluidos gasosos é o processo respiratório de um ser humano. Nos últimos anos, os pesquisadores começaram a olhar para o sistema respiratório de insetos como uma fonte de bioinspiração para o desenvolvimento de dispositivos microfluídicos aprimorados.

O estudo do atrito, desgaste e lubrificação em sistemas biológicos, particularmente em conjunto com articulações humanas como quadris e joelhos, é referido como biotribologia. Os campos da mecânica do contacto e da tribologia são frequentemente os que são utilizados para investigar estes fenómenos.

A análise dos danos subsuperficiais que ocorrem como resultado de duas superfícies entrarem em contato uma com a outra durante o movimento, também conhecido como fricção uma contra a outra, é uma parte adicional da biotribologia. Este tipo de dano manifesta-se na avaliação da cartilagem tecidular, por exemplo.

A biomecânica de comparação é a aplicação da biomecânica a organismos não humanos. Isso pode ser feito com o propósito de obter uma compreensão mais profunda dos seres humanos (como na antropologia física) ou com o propósito de obter uma melhor compreensão das funções, ecologia e adaptações dos próprios organismos. O movimento e a alimentação dos animais são áreas comuns de investigação por parte dos cientistas, porque ambos os processos têm fortes ligações com a aptidão do organismo e colocam exigências mecânicas consideráveis sobre o organismo. Caminhar, correr, saltar e voar são apenas exemplos das muitas maneiras diferentes como os animais se movimentam. Para resistir às forças de atrito, arrasto, inércia e gravidade, a locomoção requer energia; No entanto, a natureza do ambiente determina qual destas forças é mais dominante.

No tema da biomecânica comparada, há uma quantidade significativa de sobreposição com uma ampla variedade de outros campos, incluindo ecologia, neurociência, biologia do desenvolvimento, etologia e paleontologia. Essa sobreposição é tão significativa que estudos são frequentemente publicados em revistas dessas outras diferentes áreas. A biomecânica comparativa é frequentemente utilizada no campo da medicina, especificamente em relação a organismos-modelo comuns como ratos e camundongos. Além disso, é utilizado no campo da biomimética, que procura encontrar soluções para os desafios da engenharia, procurando inspiração na natureza.

A aplicação de métodos computacionais de engenharia, como o método dos elementos finitos, ao estudo da mecânica dos sistemas biológicos é o que é conhecido como biomecânica computacional. Para prever a ligação entre parâmetros que, de outra forma, seriam difíceis de testar experimentalmente, são utilizados modelos computacionais e simulações. Além disso, essas ferramentas são utilizadas para projetar testes que são mais relevantes, reduzindo assim a quantidade de tempo e dinheiro necessários para os estudos. Observações experimentais de proliferação celular vegetal têm sido interpretadas através do uso de modelagem mecânica e análise de elementos finitos. Isso foi feito para obter uma compreensão de como as células vegetais se diferenciam, por exemplo. Ao longo dos últimos dez anos, o método dos elementos finitos emergiu como uma alternativa bem estabelecida à avaliação cirúrgica in vivo na indústria farmacêutica. A capacidade da biomecânica computacional de avaliar a reação endo-anatômica de uma anatomia sem ser constrangida por considerações éticas é uma das vantagens mais significativas deste campo de estudo. Por causa disso, a modelagem de elementos finitos (ou outras abordagens de discretização) chegou ao ponto em que agora é amplamente utilizada em várias áreas diferentes da biomecânica. Além disso, vários projetos adotaram uma mentalidade de código aberto (por exemplo, BioSpine) e SOniCS, além dos frameworks SOFA, FEnics e FEBio.

No campo da simulação cirúrgica, que é utilizada para fins de planejamento, suporte e treinamento cirúrgico, a biomecânica computacional é um componente indispensável. Neste cenário, métodos numéricos, também conhecidos como discretização, são utilizados para calcular, no menor tempo possível, a resposta de um sistema às condições limite, que podem incluir forças, calor e movimento de massa, bem como estimulação elétrica e magnética.

Na maioria dos casos, as idéias da mecânica do contínuo são utilizadas para realizar o estudo mecânico de biomateriais e biofluidos. A validade deste pressuposto é posta em causa quando as escalas de comprimento de interesse se aproximam da ordem das características microestruturais do material. A estrutura hierárquica dos biomateriais é um dos aspetos marcantes que os distinguem dos outros materiais. Por outras palavras, as propriedades mecânicas destes materiais dependem da ocorrência de fenómenos físicos a vários níveis, desde o nível molecular até ao nível dos órgãos e tecidos.

Tecidos duros e tecidos moles são as duas categorias que são usadas para categorizar biomateriais. De acordo com a teoria da elasticidade linear, é possível realizar uma análise da deformação mecânica de tecidos duros, como madeira, casca e osso. O exame dos tecidos moles, por outro lado, depende da teoria da tensão finita e das simulações computacionais porque os tecidos moles, como pele, tendão, músculo e cartilagem, normalmente experimentam deformações significativas depois de serem submetidos a elas. A exigência de aumentar o nível de realismo no processo de desenvolvimento da simulação médica é o que despertou o interesse pela biomecânica contínua.

Utilizando uma perspetiva biomecânica, a neuromecânica procura obter uma compreensão mais profunda das maneiras pelas quais o cérebro e o sistema nervoso colaboram para exercer controle sobre o corpo. Durante as atividades motoras, as unidades motoras são responsáveis por ativar um grupo de músculos para realizar um determinado movimento. Este movimento pode ser alterado através do processo de adaptação motora e aprendizagem. Nos últimos anos, a combinação de técnicas de captura de movimento e gravações neurais tornou possível a realização de observações e estudos neuromecânicos.

Nos últimos anos, o subcampo da biomecânica vegetal surgiu como resultado da aplicação de princípios biomecânicos a plantas, órgãos vegetais e várias células vegetais. O uso da biomecânica para plantas engloba uma ampla gama de atividades, incluindo a investigação da resistência das culturas ao estresse ambiental, a pesquisa de desenvolvimento e morfogênese em escala celular e tecidular, e a utilização da mecanobiologia.

O estudo da biomecânica desportiva envolve a aplicação dos princípios da mecânica ao movimento humano, a fim de alcançar os objetivos de obter uma compreensão mais profunda do desempenho atlético e reduzir o número de lesões que ocorrem durante o esporte. Centra-se na utilização dos princípios científicos da física mecânica para explicar os movimentos de ação dos corpos humanos e ferramentas desportivas como o dardo, o taco de hóquei e o taco de críquete, entre outras coisas. Técnicas das áreas de engenharia mecânica...