O osso trabecular vertebral tem uma estrutura tridimensional complexa que consiste na interconexão de lâminas e barras. A estrutura resultante tem uma alta porosidade, mas permite uma deformação expressiva quando submetida a esforços mecânicos. Também provê rigidez e resistência, enquanto mantém um peso relativamente baixo [33]. Mecanismos de falha local são fortemente influenciados pela natureza da estrutura, ou seja, dependendo se ela é mais do tipo laminar ou de barra. Para estruturas do tipo barra, uma falha devida a esforços de flexão sobre os elementos estruturais, seguida pelo colapso da trabécula sobrecarregada, tem sido observada em testes de microcompressão do osso trabecular [33]. O osso vertebral humano
tem uma densidade e uma arquitetura não homogêneas nas direções vertical e ântero-posterior transversal. Todavia, há geralmente uma simetria esquerda-direita para vértebras lombares. A arquitetura próxima às lâminas situadas na extremidade do corpo vertebral difere daquela da região central, ou seja, próximo das lâminas da extremidade, o número trabecular é maior, o espaçamento é menor e as trabéculas têm uma espessura menor. Em indivíduos jovens, há duas vezes mais trabéculas verticais por unidade de comprimento comparativamente às trabéculas horizontais, e essa relação aumenta à medida que o indivíduo envelhece. O aumento da anisotropia da estrutura trabecular com o envelhecimento pode estar associado ao aumento do risco de fratura [33].
O osso trabecular é altamente poroso. A fração volumétrica de material sólido pode variar de 5% a 70%, sendo os interstícios preenchidos com material medular. Dentro de um certo grau de aproximação, tanto o osso compacto como o trabecular podem ser vistos mecanicamente como um material simples de densidade variável. Densidade não é, entretanto, o único determinante das propriedades do osso trabecular. Por exemplo, numa vértebra observa-se uma orientação arquitetural altamente marcada por barras verticais. Este tipo de osso é bastante anisotrópico, ou seja, o Módulo de Young na direção longitudinal pode exceder o da direção transversal por um fator maior que 10. Tal característica confere à vértebra uma resistência à compressão duas vezes maior do que a de tração [4].
No caso da avaliação mecânica das vértebras, não adianta considerar somente a contribuição das trabéculas verticais. A perda de trabéculas horizontais também é importante, pois, à imagem de uma ponte, a falta de amarras horizontais na sua construção representa um enorme risco de desabamento. Em outras palavras, a perda da estrutura óssea horizontal aumenta dramaticamente o risco de fratura [16].
A densidade mineral é uma variável arquitetural óssea, a qual tem sido intensamente estudada nos últimos anos. Para determinadas regiões anatômicas e orientações trabeculares mais simples, a maioria das propriedades elásticas e a resistência mecânica são bem estimadas pela densidade. Se diferentes espécies, indivíduos, regiões anatômicas, ou orientações forem comparadas, uma equação sozinha não pode descrever completamente a relação entre densidade e mecânica. Com o objetivo de estabelecer princípios para os estudos sobre a micromecânica do osso esponjoso, evitando estruturas reais complexas, muitos modelos ideais foram sugeridos. Uma aproximação foi tentada mediante o emprego da relação dos modelos matemáticos com as propriedades mecânicas de espumas industriais, todavia o resultado não pode ser aplicado ao osso esponjoso [66]. A razão parece ser devida a grande variação da arquitetura trabecular, a qual torna difícil o uso de modelos idealizados. Todavia,
dois aspectos parecem ser preponderantes no estudo das características mecânicas do osso esponjoso: a conectividade e a anisotropia (orientações preferenciais das trabéculas). Comparados a essas características, outros parâmetros arquiteturais, como volume trabecular médio, curvatura trabecular e fragilidade individual trabecular, parecem não ter tanta influência [66].
Conforme discutido por Seeman [38], o osso deve ser leve para permitir a aceleração dos movimentos e, ao mesmo tempo, forte para suportar cargas mecânicas. Deve ser rígido, capaz de resistir à deformação e a ação da gravidade, mas também flexível para absorver a energia liberada por um impacto. Como a fratura não é uma alternativa desejável, a natureza encontra um compromisso entre rigidez e flexibilidade, leveza e volume, mediante a seleção da composição dos materiais e características estruturais mais adequadas para as funções usuais do osso. Conteúdo mineral maior aumenta a rigidez, mas as custas da perda da flexibilidade. Se o conteúdo mineral é excessivo em relação às cargas usualmente impostas, tem-se um osso de maior dureza, que pode levar a fraturas, mesmo sob pequenas deformações. Assim, o material ósseo é desenhado segundo uma distribuição geométrica e arquitetural tridimensional, de acordo com o critério básico de engenharia biomecânica, a saber: mínima massa, otimização em tamanho e forma, adequação a função principal requerida.
Corpos vertebrais, semelhantes a amortecedores, nos quais rigidez e pico de carga mecânica são sacrificados em função da flexibilidade, mostram uma estrutura medular porosa, capaz de se deformar e retornar a forma e tamanho originais, sem romper-se. Dessa maneira, a natureza seleciona o material e a estrutura mais adequada para as suas funções usuais, variando o conteúdo mineral do material e o grau de porosidade, que é mínimo no osso cortical e máximo no osso trabecular.
A flexibilidade é necessária para absorver a energia de uma carga resultante de um impacto. As propriedades elásticas do osso permitem absorção de energia mediante mudança de forma, sem produzir falha estrutural. Uma deformação cuja amplitude fica limitada a zona elástica do material, não produz dano estrutural. Se a energia fornecida é capaz de produzir um deslocamento que exceda o limite da zona elástica, a deformação plástica ocorre, causando um dano e a consequente alteração morfológica. Se o deslocamento provocado pelo impacto excede as zonas de deformação elástica e plástica, a energia fornecida acaba sendo dissipada na forma de fratura.
No artigo “Bone Microarchitecture Evaluated by Histomorphometry”, Carbonare et al. [45] concluem que os fatores determinantes estruturais da resistência mecânica óssea incluem
largura e porosidade no osso cortical; forma, largura, conectividade e anisotropia do osso trabecular. Em particular, o número das trabéculas horizontais diminui com o passar da idade, enquanto que as trabéculas verticais são reabsorvidas mais lentamente e tendem a aumentar a largura com a idade (Atkinson, 1967 citado por Carbonare et al. [45]). Isso se deve, provavelmente, ao fato de que a carga sobre o osso vertebral esponjoso é apoiada principalmente sobre os elementos verticais, assim a hipertrofia compensatória ou o efeito de espessamento é esperado somente nas trabéculas verticais.
O estudo da microarquitetura trabecular é baseado nas medições da largura, número e separação das trabéculas, bem como na sua organização espacial. O arranjo trabecular, definido como conectividade, é uma propriedade tridimensional que descreve a tipologia das várias conexões entre os chamados nós (unidades estruturais que representam a confluência de três ou mais trabéculas) e os segmentos de conexão (também denominados de “struts” e “termini”) [45].
A figura geométrica de uma árvore, no sentido topológico, é uma rede de nós e ramos, nos quais somente um caminho existe entre dois nós. Se um ramo adicional é somado entre dois nós, então mais de um caminho existirá entre um número de pares de nós e a rede nó-e- ramo é então multiplamente conectada. Se um ramo é cortado numa árvore, então a rede ficará separada em duas partes, mas um número de ramos pode ser cortado numa rede multiplamente conectada sem separar a rede. Conectividade pode ser definida como o número máximo de ramos que podem ser cortados sem separar a estrutura [66].
Nesse aspecto, destaca-se a importância do conceito da Característica de Euler- Poincaré, CEP, que é a chave para todas as determinações de conectividade, aplicada ao estudo da estrutura trabecular. Numa imagem histomorfométrica, ou radiológica, de uma determinada estrutura trabecular, a Característica de Euler-Poincaré pode ser calculada a partir de um conjunto de dados que constituem os “voxels” dessa imagem [66].
Concluindo, pode-se afirmar que o comportamento biomecânico do osso trabecular é influenciado por fatores como forma, arquitetura, qualidade do tecido (material) e tamanho do osso propriamente dito [57], onde as características da arquitetura do osso esponjoso determinam suas propriedades mecânicas (Lei de Wolff). Daí, a importância do estudo da conectividade, que pode ser caracterizada pela Característica de Euler-Poincaré, que é uma propriedade tridimensional que descreve a tipologia das diversas conexões existentes entre os nós e ramos da estrutura do osso esponjoso, constituindo-se em um dos indicadores arquiteturais mais importantes do arranjo trabecular.