OS BIOMATERIAIS. O que são? São substâncias ou misturas de substâncias, de origem sintética ou...

OS BIOMATERIAIS

O que são?São substâncias ou misturas de

substâncias, de origem sintética ou natural que estão em contacto com tecidos e/ou fluidos biológicos.

Por isso devem ser/são:Biocompatíveis, isto é:1) Não tóxicos;2) Não promovem reacções imunológicas nem alérgicas;3) Não causam cancros.

Porque surgiram?

• Melhorar a qualidade de vida

• Aumentar a longevidade e o conforto

BIOMATERIAIS

Química Física Biologia

Eng. Materiais Eng. Química

Biomateriais como resultado da interacção de várias ciências

Para que servem?Os biomateriais têm actualmente funcões:

Prostéticas (substituir partes do corpo ou orgãos)

Diagnósticas (ajudar na determinação de anomalias, experiências)

Terapêuticas (ajudar na cicatrização, tratamento)

Armazenamento (guardar substâncias)

Estudo dos biomateriais

Materiais

Propriedades mecânicas

Propriedades térmicas

Propriedades da superfície

Propriedades eléctricas

Classificação dos biomateriaisOs biomateriais podem ser

classificados segundo:

Natureza

Metais

Cerâmicos

Polímeros

Compósitos

Classificação dos biomateriais

Resposta do tecido

Bioinertes

Bioactivos

Bioabsorvíveis

Classificação dos biomateriais• Bioinertes: não interagem ou interagem

minimamente com o tecido circundante. Formação de uma cápsula fibrosa à volta do implante.

• Bioactivos: interagem com o tecido circundante.

• Bioabsorvíveis: incorporam-se nos tecidos e dissolvem-se completamente passado algum tempo.

Biomateriais metálicos• Os metais são materiais formados por

apenas um elemento e apresentam uma estrutura geométrica bem definida.

• Na ligação metálica , os electrões de valência movem-se entre os iões formando ligações não direccionais bastante fortes.

Biomateriais metálicos -propriedadesDevido ao tipo de ligação química, estes biomateriais

apresentam:

Pontos de fusão altos;

Dureza elevada;

Elevada condutividade eléctrica e térmica;

Deformação plástica;

Reactividade química

Corrosão • Alguns metais podem sofrer corrosão

electroquímica num ambiente in vivo.

• Corrosão é a deteriorização dos materiais pela acção química ou electroquímica do meio.

• O meio corrosivo são os fluidos corporais porque contêm água, oxigénio dissolvido, proteínas e alguns iões.

Exemplos de biomateriais metálicosAço inoxidável: • Actualmente o mais utilizado no fabrico de

implantes. • Uma liga de Fe-Cr-Ni. Pode conter outros

metais• Não sofre corrosão em contacto com o O2

porque se forma uma película aderente de Cr2O3.

• Em zonas de grande tensão e na ausência de O2 pode sofrer corrosão. Recorre-se à anodização e passivação.

Exemplos de biomateriais metálicosLigas de Titânio-Níquel (TiNi):• Possuem grande resistência à corrosão;• Comportamento termoelástico: podem

voltar a apresentar a forma original se, após terem sido deformadas forem submetidos a aumentos de temperatura (shape memory effect);

• Superelasticidade:

Superelasticidade

TiNi

Aço Inoxidável

Tensão

EsforçoPosição contínua

Biomateriais Cerâmicos• Compostos, maioritariamente inorgânicos,

policristalinos e refractários.• Resultam da ligação entre um metal e um

não metal. • Podem estabelecer ligações iónicas:

Forças electrostáticas bastante fortes;Estabelecem-se entre um ião positivo (proveniente de um átomo metálico) e um ião negativo (proveniente de um átomo não metálico);Nos sólidos iónicos, os iões positivos estão rodeados de iões negativos, e vice versa, para reduzir a repulsão entre iões do mesmo sinal

Exemplos de alguns cristais iónicos

NaCl CsCl CaF2

Biomateriais cerâmicosDevido ao tipo de ligação química, estes biomateriais

apresentam:

• Pontos de fusão altos;

• Pontos de ebulição altos;

• Dureza elevada;

• Facilidade em quebrar;

• Baixa condutividade eléctrica e térmica;

• Baixa reactividade química.

Deformação plástica

Traduz a capacidade que os cristais têm em rearranjar-se quando submetidos a forças que provocam o deslizamento dos planos de átomos

Exemplos de biomateriais cerâmicosHidroxiapatite (Ca10(PO4)6(OH)2):• Sintetizado e usado no fabrico de implantes e

superfícies para outros implantes;• Componente principal da fase mineral do osso;• Bioactivo – induz uma actividade biológica

específica;• Porosa – o crescimento dos tecidos efectua-se

por entre os poros;• Degradação bastante lenta;

Biomateriais compósitos• Sólidos heterogéneos constituídos por

dois ou mais constituintes ou fases.

• Como as propriedades dos materiais dependem da sua estrutura, é possível, em compósitos, controlar a sua estrutura para que tenham as propriedades desejadas;

Biomateriais compósitosPara a maioria das suas aplicações, estes materiais

apresentam:

• Elevada resistência e rigidez;

• Grande capacidade de amortecimento;

• Baixo coeficiente de expansão térmica;

• Resistência a temperaturas extremas, corrosão e desgaste.

Tipos de biocompósitos

Biocompósitos

Fibrosos(fibras incorporadas

numa matriz polimérica)

Porosos(uma das fases são os

espaços vazios)

Exemplos de biomateriais compósitos

Compósitos fibrosos

Compósitosporosos

Fibras de carbono em polietileno de alta densidade (substituição do joelho)Fibras de carbono numa matriz de polisulfona e PEEK (substiuição dos metais)

Hidroxiapatite (implantes ósseos)Poliuretano (aplicações em tecidos moles)Polipropileno (ligamentos artificiais)

Biomateriais poliméricos• Cadeias muito longas de moléculas

(monómeros) que se ligam entre si por ligações covalentes.

-Ligações primárias (intramoleculares)

Ligação covalente: Estabelece-se quando há partilha de

electrões de valência entre os átomos;

Geralmente ocorre entre não metais.

Biomateriais poliméricos• As reacções de polimerização podem ser:

–Adição: monómeros insaturados que reagem entre si passando por várias etapas: iniciação, propagação e terminação.

R• + M → RM•

RM• + M → RMM•

RMnM• + R• (RM•) → RMn+1R

Iniciação

Propagação

Terminação

Biomateriais poliméricos- Condensação: remoção de uma molécula

de água, ácido clorídrico, metanol ou dióxido de carbono.

R-NH2 + R’COOH → R’CONHR + H2O

Nota: o método de polimerização afecta o tipo de polímero obtido

• As cadeias poliméricas podem ser:– Lineares– Ramificadas– Ligações cruzadasDependendo do número de ligações activas nos

monómeros

Biomateriais poliméricos

-Polímeros obtidos por adição

-Polímeros obtidos por condensação: copolímeros

• Polímeros

Homopolímeros

Copolímeros

AleatóriosAlternado

sblocos

CristalinosAmorfos

Biomateriais poliméricos- Ligações secundárias

(intermoleculares)

Forças de van der Waals

Forças por pontes de hidrogénio

Forças ião-dipolo

Dipolo-dipoloDipolo-dipolo induzidoForças de dispersão de London

Propriedades dos polímeros•As propriedades dos polímeros dependem:–Peso molecular do polímero;–Distribuição do peso molecular na cadeia;–Tipo de monómeros.

Vantagens do uso de polímeros em relação aos outros biomateriais

– Facilmente processados; - Propriedades físicas e mecânicas desejadas;– Formas variadas;– Economicamente acessíveis.

Exemplos de biomateriais poliméricos

PMMA (polimetilmetacrilato)• Linear, amorfo e hidrofóbico• Vítreo à temperatura ambiente• Duro;• Estável;• Resistente a soluções inorgânicas• Transmite bem a luz;• Pode ser facilmente trabalhado, moldado• Utilizado em lentes intraoculares, lentes

rígidas, dentaduras, prótese maxilofaciais, cola para unir as próteses ao osso.

Exemplos de biomateriais poliméricosPP (polipropileno)• Elevada rigidez;• Boa resistência química;• Pode suportar forças elevadas de tracção;• Alguns antioxidantes, estabilizadores de luz,

agentes nucleadores podem ser usados para melhorar as propriedades físicas do polímero;

• Utilizadas para seringas hipodérmicas descartáveis, membranas oxigenadoras, embalagens de materiais, soluções e drogas, enxertos vasculares ...

Polímeros biodegradáveis• Materiais poliméricos que quando em contacto com

organismos vivos, começam a degradar-se devido a mecanismos electrolíticos ou enzimáticos.

Vantagens dos polímeros biodegradáveis em biomateriais

• São absorvidos pelo corpo humano;• Não deixam vestígios de resíduos nos sitios onde

foram implantados;• Não é necessário fazer uma segunda cirurgia para o

remover;• São capazes de regenerar tecidos através das suas

interacções com as células imunológicas (macrófagos)

Polímeros biodegradáveis

1) Polímeros naturais: são produzidos por plantas, animais e microorganismos através de reacções químicas.São exemplos:Proteínas, Hidratos de carbono, Poliésteres (bactérias).

São biodegradáveis e a sua estrutura química difere da dos polímeros sintéticos: quase sempre têm oxigénio e azoto na cadeia polimérica enquanto que muitos dos polímeros sintéticos contêm carbono o que os torna dificeis de degradar

Polímeros biodegradáveis2) Polímeros sintéticos: provêm de monómeros

que existem na natureza mas que não são produzidos pelos seres vivos. Têm, no entanto propriedades de biopolímeros e são biodegradáveis.

Aplicações dos polímeros biodegradáveis

• Implantes em que há regeneração dos tecidos;• Cicatrização (suturas e agrafos);• Artigos de fixação ortopédicos (parafusos...);

Exemplos de polímeros biodegradáveis PGA (Ácido poliglicólico)• Poliéster alifático linear;• Monómero sintetizado a partir da dimerização do

ácido glicólico;• Altamente cristalino;• Elevado peso molecular;• Não é solúvel em solventes orgânicos• Suas fibras têm forças e resistências elevadas;• São completamente absorvidas entre 4-6 meses;• Pode ser copolimerizado com outros monómeros

para reduzir a rigidez.

Plásticos: matérias primas não renováveis vs matérias primas renováveis

Polímeros

Os plásticos são utilizados em todas as áreas na sociedade porque são versáteis, baixo custo e desempenham boas performances

Plásticos

Termoplásticos

• Nos últimos anos o uso de plásticos aumentou bastante e tornou-se inevitável estudar o impacto ambiental:Preocupações:

1) Uma vez que as fontes de matérias primas utilizadas para produzir plásticos estão a escassear, como resolver o problema?

2) O que fazer aos plásticos quando deixam de ser úteis?

• A solução é recorrer a fontes de energia e de matérias primas renováveis: energia solar, eólica, geotérmica, hidroeléctrica e biomassa.

• Os plásticos produzidos a partir da biomassa (matéria gerada devido ao crescimento de organismos vivos- plantas, animais e microorganismos) poderiam ser decompostos por uma processo que controla a decomposição microbiana do material biodegradável e a formação de dióxido de carbono, água, minerais e humus.