Segundo Felsenberg e Boonen [1], para se analisar a resposta do osso as cargas mecânicas, pode-se resumir as principais propriedades materiais e estruturais que afetam a resistência da seguinte forma.
Geometria: de maneira geral, o tamanho do osso parece ter efeito sobre a fragilidade. O tamanho do osso vertebral é reduzido nas mulheres que apresentam fraturas de coluna, sendo que 50% da deficiência em conteúdo mineral ósseo deve-se a redução do tamanho físico do osso. A geometria do osso afeta a distribuição da massa óssea; alterando a distribuição da massa, pode-se modificar a habilidade do osso em resistir a torção e ao encurvamento. Essa mudança, todavia, não se reflete nas medições de densidade mineral. Para um mesmo valor de densidade mineral, quanto mais isotrópica for a distribuição da massa no osso, maior será sua habilidade em resistir a esforços axiais e de encurvamento.
Microarquitetura: no contexto deste trabalho, este termo aplica-se primariamente a estrutura trabecular (a qual engloba características como orientação, espessura e espaçamento das trabéculas, bem como a extensão na qual a trabécula está interconectada) e, também, a espessura e a integridade cortical. Do ponto de vista mecânico, o colapso da estrutura trabecular vertebral pode ocorrer quando existe uma redução do número dos elementos perpendiculares à direção da carga. Em se tratando da arquitetura do osso esponjoso, observa- se a presença significativa de espaços vazios, sendo que trabéculas grossas, porém desconectadas, são menos competentes do que uma quantidade equivalente de trabéculas finas, mas em maior número e melhor conectadas. A arquitetura trabecular do osso é particularmente importante para a resistência óssea. Um estudo que examinou a arquitetura trabecular em mulheres osteopênicas e em homens de massa óssea similar, com e sem fratura vertebral, concluiu que pacientes com fratura tinham 4 vezes mais trabéculas desconectadas do que as mulheres sem fratura. Felsenberg e Boonen, no seu artigo “The Bone Quality Framework: Determinants of Bone Strenght and Their Interrelationships, and Implications for Osteoporosis Mangement”, relatam estudo que modelou a perda de osso trabecular, pelo qual
foi possível predizer que a perda de trabéculas individuais tem maior impacto sobre a resistência óssea do que a mesma quantidade de perda óssea atribuída ao estreitamento (afinamento) trabecular. Um arranjo trabecular intacto parece ser vital para manter a máxima resistência óssea. A função do osso trabecular é transferir cargas através das articulações e resistir à compressão. A maior parte do osso que é perdida pela mulher na fase da menopausa provém da deterioração do osso trabecular. Isso provavelmente se deve a ocorrência de uma maior taxa de remodelação óssea na região trabecular se comparada com a cortical. Os pacientes com fratura têm uma anisotropia aumentada (mais trabéculas alinhadas com o eixo da carga primária e menos orientadas na direção transversal). Esta alteração relativa à orientação trabecular (notadamente independente do volume ósseo) pode colocar esses indivíduos em risco de fratura maior durante esforços não fisiológicos, tal como ocorre durante uma queda [50].
Mineral: Felsenberg e Boonen [1] mostraram que um maior grau de mineralização do osso esponjoso leva a uma maior resistência à compressão e a uma maior rigidez. O grau de mineralização depende da taxa de remodelação, sendo que o aumento da densidade mineral melhora a resistência óssea, na medida em que o volume da matriz óssea e a microarquitetura permaneçam inalterados. A distribuição da densidade mineral depende da atividade de remodelação das células ósseas e o tempo consumido no desenvolvimento desse processo. O estudo de Felsenberg e Boonen concluiu que as áreas superficiais ósseas recêm formadas em mulheres com alta taxa de remodelação eram significativamente menos mineralizadas. A população de pacientes com fratura vertebral tem o mesmo valor médio de mineralização, mas uma distribuição da mineralização completamente diferente quando comparada a ossos normais. Esses achados suportam a idéia de que a patogênese da fratura vertebral é multifatorial e inclui processos que levam a áreas de alta densidade mineral e áreas de baixa densidade mineral, ambas podendo ter um efeito detrimental sobre a competência mecânica do osso.
Colágeno: conforme discutido por Viguet-Carrin et. al [52], no tecido ósseo, as fibrilas de colágeno são enrijecidas mediante a integração da fase mineral. Esse fato resulta na produção de buracos dentro da fibra para nucleação de cristais de apatita de cálcio e esses cristais então crescem em paralelo às fibrilas de colágeno. A estrutura e a organização das fibrilas de colágeno limitam o tamanho dos cristais e controlam sua orientação. A presença da fase orgânica no tecido aumenta a resistência mecânica à tração das fibrilas em torno de duas vezes e o Módulo de Young, em torno de 10 vezes. Diversos estudos demonstram que a resistência mecânica do osso é determinada principalmente pela massa e a rigidez do tecido,
que dependem da fase mineral, enquanto a matriz de colágeno contribui principalmente para a elasticidade do osso. A rigidez do osso é explicada não somente pela interação entre a fase mineral e o colágeno, mas também pela orientação das fibras de colágeno de acordo com a direção da carga. Por exemplo, o fêmur é capaz de resistir de maneira significativa a uma carga de compressão vertical sem dano significativo. Em contraste, a mesma carga aplicada transversalmente pode causar fratura. As propriedades do colágeno interagem com muitos outros fatores determinantes da rigidez do osso, as quais todas contribuem para as propriedades mecânicas. As interações entre esses diferentes parâmetros, de certa maneira, dificultam a análise da contribuição isolada do colágeno ósseo para a rigidez e especialmente o reflexo de suas modificações biomecânicas. Essas interrelações complexas criam um desafio na investigação do papel independente das propriedades do colágeno como um determinante da resistência mecânica do osso.
Concluindo, pode-se dizer que o estudo da microarquitetura trabecular, dentre as diversas propriedades materiais do osso, contribui para a avaliação da resistência mecânica, especialmente no caso das vértebras, onde o percentual do osso esponjoso pode representar até 90% do volume ósseo total [53].