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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.23.2015.tde-18032015-164615
Documento
Autor
Nome completo
Lucas Vinicius Sansana Pabis
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2015
Orientador
Banca examinadora
Lima, Raul Gonzalez (Presidente)
Borges, Alexandre Luiz Souto
Chavez, Victor Elias Arana
Trigo, Flavio Celso
Xavier, Tathy Aparecida
Título em português
Comportamento bimodular em osso cortical e novo método para calcular o módulo de elasticidade (E) em resinas compostas
Palavras-chave em português
Bimodular
Dureza Knoop
Módulo de Elasticidade
Osso cortical
Resina Composta
Resumo em português
O objetivo principal foi investigar se o osso cortical apresenta comportamento bimodular, ou seja, se os valores de módulo de elasticidade (E) dependem do tipo de carregamento que o método utiliza. Para alcançá-lo foi preciso: (1) "calibrar" os diferentes métodos em um material conhecidamente unimodular, para afastar a possibilidade de erros ligados à execução de um método. (2) Depurar os métodos já calibrados para torná-los exequíveis em osso cortical. O que foi feito em espécimes de resina composta, que é um material unimodular e com E parecido com o do osso cortical. Foi investigado se o método de medida interfere no valor do E obtido neste material (pois, pelas informações da literatura, existia uma dúvida consistente). Finalmente, (3) foi avaliado se o método de medida, a região anatômica e o indivíduo interferem nos valores de E em espécimes de osso cortical. Adicionalmente, (4) verificou-se a possibilidade de se encontrar e validar uma correlação entre E e dureza Knoop (KH), para medir o E de resinas compostas indiretamente. Espécimes de latão (n = 5) tiveram o seu E calculado por quatro métodos estáticos diferentes (flexão em três pontos; tração; compressão e método de Marshall), que foram calibrados até que todos medissem o valor esperado; os valores de cada método foram comparados por análise de variância de medidas repetidas (o método foi o fator vinculado e o nível de significância foi de 5%). Espécimes (n = 4) de cinco marcas diferentes de resina composta, também foram submetidos aos quatro métodos, fazendo as adaptações pertinentes (depuração), e tiveram o seu E calculado. Estes valores foram submetidos à análise de variância de medidas repetidas (o método foi o fator vinculado e o nível de significância foi de 5 %). Espécimes (n = 48) obtidos em diferentes regiões (periósteo, endósteo e "transversal") de fêmures de quatro bois diferentes tiveram seu E calculado através dos métodos devidamente depurados (flexão em três pontos, tração indireta e compressão). Os valores de E foram submetidos a análises de variâncias (nível de significância de 5 %) para avaliar a influência do método, da região e do indivíduo (bois diferentes) sobre os valores de E. O método experimental de tração não foi utilizado para analisar o comportamento bimodular, porque durantes os ensaios com osso cortical, ele apresentou valores com viés. Por isso, os valores de tração foram calculados de forma indireta (Eti) através de uma equação e dos valores experimentais de flexão em três pontos (Eb) e compressão (Ec). Para validar o uso de valores de Eti, eles foram comparados com os respectivos valores de tração experimental (Et) calculados previamente nos espécimes de resinas compostas por análise de variância de medidas repetidas, e não foram achadas diferenças significantes (p > 0,05). Para encontrar e validar a correlação entre E e KH, os valores médios de E em cada espécime de resina (média do E obtido nos 4 métodos em cada espécime) foram submetidos ao teste de correlação de Pearson (nível de significância de 5%) com os respectivos valores experimentais de dureza Knoop (KH) e foi obtida uma equação de regressão linear. Para validar a equação foi confeccionado um segundo grupo de espécimes de resina (de marcas diferentes das utilizadas anteriormente) que teve seu E calculado pelo ensaio de flexão (Eb) e pela equação de regressão proposta previamente (Er); verificou-se então se a correlação entre estes valores (Eb x Er) era significante (nível de significância de 5 %), e se a nova reta de regressão apresentava coeficiente angular não diferente de 1, e coeficiente constante não diferente de zero (critérios de validação). A análise de variância não apontou diferença significante (p > 0,05) entre os valores de E calculados para o metal pelos 4 métodos, e os valores obtidos não diferiram do E conhecido do latão (ao redor de 100 GPa). As depurações necessárias foram realizadas e com elas os diferentes métodos calcularam o E dos espécimes de resina composta de modo consistente: a análise de variância encontrou diferenças significantes (p < 0,05) entre marcas (cujos E médios cobriram a faixa entre 3 e 20 GPa) e não significantes entre os 4 métodos (p > 0,05). Nos espécimes de osso cortical o valor de E foi significantemente dependente (p < 0,05) do método de obtenção (Eti > Eb > Ec). O E dos espécimes obtidos na região "transversal" foi menor que o E dos espécimes obtidos na região do endósteo (p < 0,05); no entanto, não houve diferença significante (p > 0,05) entre o E dos espécimes obtidos nas regiões do endósteo e periósteo e entre o E dos espécimes obtidos nas regiões do periósteo e "transversal". Ao considerar somente os valores obtidos no ensaio de compressão (Ec), um dos indivíduos apresentou valores de E maiores que os demais (p < 0,05). As médias de E (dos quatro métodos) em cada espécime de resina apresentaram correlação significante com os respectivos valores de KH (p < 0,05) e a equação de regressão linear: E = 0,1602 KH. Também foi significante (p < 0,05) a correlação dos valores de Eb com os respectivos valores de Er (calculados pela regressão E = 0,1602 KH); além disso, a reta de regressão linear desta nova correlação (Eb = 1,0088Er + 0,0475) apresentou coeficiente angular não diferente de 1 e coeficiente constante não diferente de zero. Pode-se concluir que: (1) Quatro métodos de medir o E apresentaram resultados semelhantes em um material metálico. (2) Estes mesmos métodos foram depurados com sucesso para sua utilização em espécimes de osso cortical ao constatar que também não interferiram no valor do E obtido em espécimes semelhantes aos de osso, confeccionados com resinas compostas. (3) Os valores de E de osso cortical dependem do método de medida, o que demonstra seu comportamento bimodular. A região anatômica e o indivíduo também afetam os valores de E dos espécimes de osso cortical (o indivíduo só foi um fator significante ao considerar somente os valores obtidos no ensaio de compressão). (4) Foi encontrada e validada uma correlação entre E e KH em resinas compostas, que permite calcular o E deste material através da regressão E = 0,1602 KH.
Título em inglês
Bimodular behavior in cortical bone and a novel method for measuring elastic modulus (E) of composite resins
Palavras-chave em inglês
Bimodular
Composite resin
Cortical bone
Elastic modulus
Knoop hardness
Resumo em inglês
The main objective was to investigate whether the cortical bone has a bimodular behavior, that is, if the values of elastic modulus (E) depend on the load type used by the method. To achieve this, it was necessary: (1) "calibrate" the different methods in a material with well-known unimodular behavior, for excluding the possibility of systematic errors in the execution of the methods. (2) Depurate the calibrated methods to make them executable in cortical bone. This was made on specimens of composite resin, which is a unimodular material and has an E similar to that of cortical bone. It was also investigated if the method of measuring the E influences the obtained value in this material (because there was a consistent doubt in the literature). Finally (3), we assessed whether the E values in cortical bone are influenced by the measurement method, by the anatomical region and by the individual. Additionally, (4) it was verified if it would be possible suggesting and validating a correlation between E and Knoop hardness (KH), to indirectly measure the E of composite resins. Brass specimens (n = 5) had their E calculated by four different static methods (three point bending, tensile, compression and Marshall's method), which were calibrated until all the methods were capable of measuring the expected value; the E values of each method were compared by analysis of variance of repeated measures (the method was the linked factor and the significance level was 5%). Specimens (n = 4) of five different composite resins were also subjected to the four methods, making the relevant adjustments (depuration), and had their E calculated. These values were subjected to analysis of variance of repeated measures (the method was the linked factor and the significance level was 5%); Specimens (n = 48) obtained in different regions (periosteum, endosteum and "transverse") of bovine femurs from four different individual had their E calculated using the depurated methods (three point bending, indirect tensile and compression). The E values were subjected to analyzes of variance (significance level of 5%) to evaluate the influence of the method, of the region and of the individual (different cattle) in the E values. The experimental tensile method was not used to analyze the bimodular behavior because during tests on cortical bone, this method showed values with bias. Therefore, the tensile values were indirectly calculated (Eti) by a formula and by the experimental values of E calculated by three point bending (Eb) and compression (Ec). To validate the use of Eti values, they were compared with the corresponding tensile experimental values (Et) previously measured in the composite resins specimens by analysis of variance (repeated measures), and no significant difference was found (p > 0.05). For suggesting and validating the correlation between E and KH, the average values of E of each composite specimen (mean of E obtained considering the values of the four methods in each specimen) were submitted to the Pearson's correlation test (significance level of 5 %) with the corresponding experimental KH values and it was obtained the linear regression equation. To validate this equation, it was made a second group of composite resins specimens (with different brands of the previously used) in which the E was calculated by three point bending test (Eb) and by regression equation previously proposed (Er); then it was checked whether the correlation between these values (Eb x Er) was significant (significance level of 5 %), and if the new regression line showed angular coefficient no different from one, and constant coefficient no different from zero (validation criteria). The analysis of variance showed no significant difference (p > 0.05) among the E values calculated for the metal specimens by the four methods; the obtained values did not differ from the known E of the brass (about 100 GPa). The necessary adjustments (depuration) were made and then the different methods calculated the E of the composite resin specimens consistently: the analysis of variance found significant difference (p < 0.05) between composite brands (whose E mean covered the range between 3 and 20 GPa) and no significant difference among the four methods (p> 0.05). In the specimens of cortical bone, the E values were significantly dependent (p < 0.05) of the obtainment method (Eti > Eb> Ec). The E values of the "transversal" specimens were lower than the endosteum specimens (p < 0.05); but there was no significant difference (p > 0.05) between the E of endosteum specimens and periosteum specimens and between the E of periosteum specimens and "transversal" specimens. When considering just E values of the compression method, one cattle showed higher E values than the others (p < 0.05). The mean of the four methods for each specimen composite resin exhibited a significant correlation with the respective KH values (p < 0.05) and the linear regression equation: E = 0.1602 KH. It was also significant (p < 0.05) the correlation between Eb and the respective Er values (calculated by the regression E = 0.1602 KH); furthermore, the linear regression of this new correlation (Eb = 1.0088Er + 0.0475) presented angular coefficient no different from 1, and constant coefficient no different from zero. It can be concluded that: (1) Four methods of E measuring showed similar results in a metallic material. (2) The same methods were successfully depurated for their execution in cortical bone specimens, since the measurement method did not affect the obtained E value in resin composites (that is a material with E value similar to cortical bone); (3) The E values of cortical bone depend on the measurement method, which demonstrates its bimodular behavior. The anatomical region and the individual also affect the E values of the cortical bone specimens (the individual was a significant factor only when considering just the E values obtained in the compression test). A correlation between E and KH that allows the E estimation by the regression E = 0.1602 KH was suggested and validated in composite resins.
 
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Data de Publicação
2015-04-16
 
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