SEMINARIO 2014

Biomateriais e Técnicas de Caracterização

Andréa Machado Costa

Prof. Marcelo H. Prado da Silva

Instituto Militar de Engenharia-IME

Fevereiro 2014

Conceito

� Material utilizado em um dispositivo, com intenção de

interagir com sistemas biológicos

� Otimização de propriedades físicas, químicas, bioquímicas e

estruturais dos arcabouços para implantação no organismo.

.

DESEMPENHO LOCAL:INTERFACE IMPLANTE-TECIDO

→ EVENTOS NA SUPERFÍCIE DO MATERIAL

Ref. Schwartz et al., Journal of Cellular Biochemistry 56:340-347, 1994

DESEMPENHO LOCALINTERFACE IMPLANTE-TECIDO

→ EVENTOS NO INTERIOR DO MATERIAL

TENDÊNCIA TECNOLÓGICA

� Implantes Modificados: Recobrimento com biomoléculas ou

fármacos para estimular a resposta tecidual e/ou inibir

infecções

� Implantes Inteligentes: reconheçam e reajam a estímulos do

organismo

� Implantes Absorvíveis: absorção pelo organismo após

determinado prazo

Ref. Landim, A., et al., 2013, BNDES Setorial 37, 173-226.

DESEMPENHO ESTRUTURAL

http://www.biommeda.ugent.be/researchpage.php?id=24

� Necessidade de sincronia na diminuição das propriedades mecânicas durante degradação dos implantes absorvíveis

Ref. Rezwan, K., et al, Biomaterials 27, 2006, 3413-3431.

DESEMPENHO ESTRUTURAL

DESEMPENHO BIOQUÍMICO

Ref. Molly M. Stevens, Materials Today, 5(11), 2008, 18-25.

� Variedade de estratégias de aprisionamento de biomoléculas no material

� Escolha da biomolécula a ser associada ao biomaterial

Ref. Lutolf, M.P., Hubbel, J.A., Nature Biothecnology, 23 (1), 47-55.

DESEMPENHO BIOQUÍMICO

RESPOSTA CELULAR

Ref. Kshitiz et al, Integr. Biol., 2012, 4, 1008–1018.

� Imagens por Microscopia de Fluorescência: efeito da nanotopografia naadesão e expressão de osteopontina por células tronco mesenquimais .

PRODUTOS NO MERCADO

Produto composição Ano Tecido Celulas Forma

Integra WoundMatrix

Colagenogranulado +condrotoína 6-sulfato

2007 Pele X Folha

HyalograftC autograft

Derivado ác.Hialurônico + Condrócitos

2008 Cartilagem Condrócitosautólogo

Disco 3D

HV Válvula cardíaca Humana

2008 Cardiovas-cular

X Válvula

FortOss HA+ Matriz colágeno/dextran

2008 Osso x Pasta

Ref. Place et al., Nature Materials, 2009, 8, 457-469

Dados 2009

Mercado de Engenharia Tecidual: Área Ortopédica

Biomaterial

Material utilizado em um dispositivo

médico, com intenção de interagir com

sistemas biológicos.

Biomateriais Osteocondutores

Ref.. Barradas, A. M.C.,Eurpean Cells and Materials, 21, 2011, 407-429

POLÍMEROS

Estrutura Polimérica

Linear

Estrutura Cruzada

AmorfaSemicristalina

Esferulita Ref. Carraher, C.E., Introduction to polymer Chemistry

� Cadeias lineares com poucas interações laterais

Função Química

Ref. Göpferich, A. Biomaterials, 17, 1996, 103-114

PREPARO E CONFORMAÇÃO

Ref.. Shastri, et al., PNAS, 97 (5), 2000, 1970-1975

POLIMEROS BIOADEGRADÁVEIS APLICADOS A ÁREA DE SAÚDE

� Permitem a substituição gradativa do implante por tecido regenerado

� Seus produtos de degradação são metabolizados pelo organismo

� Apresentam versatilidade de processamento

Ref. A. C. MottaI, E. A. R. Duek, Polímeros, 16 (1), 2006, 26-32

DESEMPENHO ESTRUTURAL

Poli(α-esters)

Polianidridos,

Poli(orto)esters,

poli(anidrido-co-imida),

� linearidade na liberação

de fármacos,

Ref. Göpferich, A., Biomaterials 17, 1996, 103-114.

DESEMPENHO BIOQUÍMICO

Ref.. Shastri, et al., PNAS, 97 (5), 2000, 1970-1975

�Liberação de fosfatase alcalina associada a grânulos de PEG contidos em matriz de PLLA

RESPOSTA CELULAR

Ref.. Shastri, et al., PNAS, 97 (5), 2000, 1970-1975

100% poli-ácido-lático (PLA)

80% poli-L-ácido-lático (PLLA) + 20% poli-etileno-glicol

60% poli-L-ácido-lático (PLLA) + 40% poli-etileno-glicol

� Secção transversal de substratos poliméricos após 4 semanas de cultivo de células de condrócitos bovinos

Metais

� Apresenta polimorfismo α (HCP)→ β (BCC, 865ºC)

� Estrutura altamente organizada

� Formado por ligação metálica (todos os átomos distribuídos

uniformemente)

Zircônio

TORÇÃO SOB ALTA PRESSÃO - (HPT)

→ Método de produção de Materiais com grãos Nanocristalinos por DEFORMAÇÃO PLÁSTICA SEVERA de materiais grãos micrométricos

Ref. Tese Doutorado IME, Michelle Viana, 2012

Ref. Tese Doutorado IME, Michelle Viana, 2012

Produção de Grãos Ultrafinos ou Nanométricos

Desempenho Biológico

Micrografia de MEV da célula MC3T3-E1 aderida à superfície de Zr-2,5Nb HPT com 5 GPa e 5 voltas a frio após 7 dias (barra – 1 μm).

CERÂMICAS

� Arranjo espacial com ânions ocupando espaços intersticiais

� Constituídos por ligações iônicas, e covalentes com alta

direcionalidade e “rigidez”

Zr O

1170ºC2370ºC

Tenacificação por Transformação induzida por tensão

→ A linha pontilhada indica a interface de transformação monoclínica que está ocorrendo em direção ao interior do grão

HIDROXIAPATITA (HA)

Ref. D.L. Masica, et al, Structure, 18, 2010.

� Principais planos da superfície de um cristal de hidroxiapatita

PREPARO E CONFORMAÇÃO

Robocasting

Dispersão: HA /TCP + Darvan1 C

Aumento viscosidade: hydroxypropyl methylcellulose (Methocel F4M)

Gel: dispersão + polyethylenimine (PEI) floculante

Ref. P. Miranda et al, J Biomed Mater Res 85A,218–227,2008.

DESEMPENHO ESTRUTURAL

Ref. L. R. Rodrigues, Tese Doutorado, Eng. Mecânica, UNICAMP, 2012.

�Mudanças da morfologia da superfície em uma solução tampão.

(a) Típica estrutura sinterizada antes do teste de degradação,

(b) Estrutura modificada após o teste de degradação.

DESEMPENHO BIOQUÍMICO

Ref. Paul et al, J. Pharm Sci, 97, 2008, 875-882.

� Liberação de Insulina a partir de microesferas de TCP

Produção de Microesferas de HA

HA

ZnCl2 or CaCl2

solution

Ref. Dissertação IME, Renan Cuzco, 2012.

RESPOSTA CELULAR

� Microscopia Confocal de

microesferas da HA/Colágeno

contendo osteoblastos após 4

dias, (HAp: hidroxiapatita,OB:

osteoblastos.)

Ref. Wu et al, Biomaterials, 25 (4), 2004, 651–658.

Mercado Biomateriais

TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO

�FTIR

�UV-Vis

�DRX

� MEV

� MICRO CT

Espectroscopia

� Interação da amostra com feixe de radiação com absorção de energia a nível molecular e atômico

Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)

Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)

� modos vibracionais do grupo químico silicato

Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)

Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)

� IDENTIFICAÇÃO DE MATÉRIA-

PRIMA E PRODUTOS ACABADOS

�CONTROLE DE PROCESSOS DE

PRODUÇÃO

�APROVAÇÃO DE PRODUTOS EM

PROCESSO

Ref. Gao et al, Polymer Journal, 34 (11), 2002, 786—793.

Espectroscopia no Ultravioleta-Visível (UV-Vis)

→ Absorção de energia pela amostra em determinados valores do espectro na região de Visível e Ultravioleta

Espectroscopia no Ultravioleta-Visível (UV-Vis)

→ Transições Eletrônicas envolvendo ligações duplas com absorção na região de Ultravioleta

Espectroscopia no Ultravioleta-Visível (UV-Vis)

→ A_vidade Ó_ca envolvendo energia de orbitais d de elementos de transição que se ligam a grupos contendo pares de elétrons

ʎ = 800 nm

ʎ = 590 nm

Espectrometria no UV-Vis

→ Espectro identificando região doespectro de UV-Vis ativa dofármaco a ser associado aoBiomaterial

→ Curva de Calibração utilizandoconcentrações variadas do fármaco

Ref. Dissertação IME, Renan Cuzco, 2012.

Difração de Raios X (DRX)

�Usado para análise cristalográfica de materiais, tendo como radiaçãoincidente uma fonte de raios-X que possui comprimento de onda daordem 1 angstron (Ǻ) coincidindo com as distâncias interplanaresexistentes nas redes cristalinas.

→ Quando a distância entre duas ou mais fendas é da mesma ordem de grandeza que o comprimento de onda irradiado, tem-se a ocorrência do fenômeno de difração

Difração de Raios X (DRX)

Refs. Gao et al, Polymer Journal, 34 (11), 2002, 786—793, Assolan, et al, Journal of the European Ceramic Society 23 (2003) 229–241.

� Quanto maior o número de planos alinhados em uma mesma direção maior a cristalinidade do material, causando um feixe difratado mais intenso e estreito em termos de comprimento de onda

Difração de Raios X (DRX)

Ref. Dissertação IME, Renan Cuzco, 2012.

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

O feixe obtido irá interagir com a superficie condutora da amostra emitindoelétrons retroespalhados e secundários, que serão detectados e processados,obtendo-se uma imagem da superfície do material.

Um feixe de elétrons éacelerado pela aplicaçãode uma ddp, sendoalinhado e focado porum arranjo de lenteseletromagnéticas, eaberturas.

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

Volume de interação: a) localização dos sinais emitidos pela amostra; b) relação da voltagem para elementos leves e pesados. Figura adaptada de KESTENBACH, 1994.

Análise Textural - EBSD

Micrografia de Zr deformado por HPT com 5 GPa e 5 voltas completas afrio por ACOM/MET (a) Mapa de orientação do Zr deformado por HPT

Ref. Tese Doutorado IME, Michelle Viana, 2012

Microtomografia de Raios X (Micro CT)

�Permite a visualização de seções transversais (cortes internos) deum objeto de forma não destrutiva.

�Densidade e a porosidade são mapeados pelo equipamento atravésda análise das fatias geradas em forma de figura bidimensionais, equando juntas se obtém objetos 3D através de algoritmos decomputador.

→ Raios X varrem uma amostra em rotação, sendo o sinal produzido captado por um detector

Microtomografia de Raios X (Micro CT)

�Utilizada para verificar a interconectividade dos poros, distribuição,diâmetro e porcentagem total da porosidade em relação o volumeda estrutura

�Baseia-se na propriedade dos materiais em absorver a radiação deforma diferenciada dependendo de sua composição química edensidade.

→ Secção de pas_lha porosa

HA+TCP

Ref. L. R. Rodrigues, Tese Doutorado, Eng. Mecânica, UNICAMP, 2012.

Obrigado!