02. Conceitos e Definições - Noções de Ciências Do Biomateriais

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Cincia dos Materiais Biocompatveis (2Quadri 2014)

Centro de Engenharia, Modelagem e Cincias

Sociais Aplicadas

CECS

Conceitos e Definies Noes de Cincias dos Biomateriais

Biomaterial

Material no vivel, usado em dispositivo mdico, que interage com sistemas biolgicos.

Willians, 1987

Sociedade Europia de Biomateriais Conferncia de Consenso, Chester, Inglaterra, maro / 86

Biocompatibilidade

Inicialmente, biocompatvel era considerado aquele material

totalmente inerte ao corpo humano. Esse conceito de

inerticidade de um biomaterial foi deixado de lado a

partir do momento que se percebeu que qualquer tipo de

material sempre elucida uma resposta do tecido vizinho.

A capacidade de um material induzir uma resposta apropriada do hospedeiro em uma aplicao especfica. Willians, 1987

Caractersticas de um material biocompatvel

O material no deve ser txico, antignico, carcinognico e nem mutagnico, no deve

interferir na cicatrizao dos tecidos lesados durante o ato cirrgico e os tecidos do

hospedeiro devem tolerar bem as propriedades biomecnicas dos materiais.

Deve ser fabricvel,

esterilizvel e estvel durante a implantao.

Food and Drugs Administration (FDA), atual

A biocompatibilidade um dos principais requisitos dos biomateriais

O termo envolve dois fenmenos associados na mesma

situao:

o implante no pode ser afetado pelo meio fisiolgico: - corroso de implantes metlicos e cermicos; - degradao de implantes polimricos

os tecidos locais e remotos no podem sofrer danos pela presena do implante:

- necrose ou reabsoro do tecido - reaes celulares e aes de bactrias infeces - reaes sistmicas: hipersensibilidade, toxicidade e carcinogenicidade.

Willians, 1987

Biofuncionalidade (desempenho)

Conjunto de propriedades fsicas e mecnicas que permitem ao biomaterial desempenhar a funo

planejada.

So os materiais e artigos de uso mdico ou odontolgico, destinados a serem introduzidos total ou parcialmente no organismo humano ou em orifcio do corpo, ou destinados a substituir uma superfcie epitelial ou superfcie do olho, atravs de interveno mdica, permanecendo no corpo aps o procedimento por longo prazo, e podendo ser removidos unicamente por interveno cirrgica.

Materiais e artigos implantveis

ANVISA port. 2043/94, 686/98

rgo artificial

Um dispositivo mdico que substitui, em parte ou no todo, a funo de um dos rgos do corpo.

uma estrutura completa, como um rgo, que transferida de um doador para um receptor.

Transplante (definio provisria)

Enxerto (definio provisria)

Pedao de tecido vivo ou conjunto de clulas vivas transferidas de um stio doador para um stio receptor com o propsito de reconstruo deste ltimo local.

Dispositivo mdico

Um instrumento, aparelho, implemento, mquina, dispositivo, reagente in vitro, ou outro artigo similar ou relacionado, incluindo qualquer componente, parte ou acessrio, que planejado para uso no diagnstico de doena ou outras condies, ou na cura, alvio, tratamento ou preveno de doena humana.

Implante Um dispositivo mdico feito de um ou mais biomateriais que intencionalmente inserido dentro do corpo, seja total ou parcialmente, sepultado abaixo da superfcie epitelial.

ANVISA port. 2043/94, 686/98

Biomateriais Implantes

Prteses Endoprteses

Dispositivos diversos

Temporrios

Suturas Dispositivos de osteosntese

Scaffolds

Permanentes

Dispositivos implantveis Classificao de acordo com o tempo de implantao

Temporrio: Auxiliar no tratamento de reparao ssea: pregos intramedulares, parafusos, placas, fios, hastes, garras, pinos, etc.

Permanentes: prteses articulares, pinos, implantes dentrios, etc.

Dispositivos implantveis Classificao de acordo com o tempo de implantao

Prtese

Um dispositivo que substitui um membro, rgo ou tecido do corpo.

rtese

Dispositivo de uso externo com inteno de corrigir, alinhar ou melhorar a funo de uma parte mvel do corpo.

Oftalmologia

APLICAES Ortopedia

Cardiologia Odontologia

Implantes

Autgenos (enxerto sseo)

Cermicas

Sintticos

Compsitos

Metais

Biolgicos

Homgenos (transplantes)

Hetergenos (pericrdio bovino)

Polmeros

Biotolerveis

Bioinertes

Bioativos

Bioreabsorvveis

Classes de biomateriais

Classificao quanto a natureza biolgica

materiais de origem biolgica

autgenos

prprio paciente

algenos/homlogos

doador

xengenos/heterlogos

animal

no necessita de outra interveno

cirrgica

quantidade razovel

ALGENOS /

HOMLOGOS

DESVANTAGENS VANTAGENS

risco de rejeio

contaminao ( vaca louca)

alto custo

no necessita de outra interveno

cirrgica

grande quantidade

XENGENOS /

HETERLOGOS

risco de rejeio

contaminao (HIV, Hepatite B e C)

alto custo

duas intervenes cirrgicas

pouca quantidade menor rejeio

maior eficcia

AUTGENOS

Caractersticas principais

CLASSIFICAO DOS ENXERTOS BIOLGICOS

Viveis: implantados em estado fresco ou nos quais a viabilidade preservada em gelo, mantendo as camadas mais internas e clulas endoteliais mais ou menos intactas.

Biolizados: enxertos produzidos de tecido processado quimicamente. Freqentemente originados de vasos sangneos, artrias ou tecidos que podem ser de natureza autgena, homgena ou xengena.

Biomdicos (Sintticos)

Biolgicos

Origem Reposta ao organismo

Txicos

No txicos e biologicamente ativos

No txicos e biologicamente inativos

No txicos e biologicamente reabsorvveis

Biomateriais - Classificao Classes de biomateriais

Metal Cermica Polmero

Colgeno cido Hialurnico

Causam danos a tecidos adjacentes

Interao tecido / implante; Interao qumica

Bioativos

Liberao lenta de ons; Formao de cpsula fibrosa

Bioinertes/ Biotolerveis

No h interao tecido/implante;

Absoro pelo organismo

Bioreabsorvveis

Txico No txico e Biologicamente inativo

No txico e Biologicamente ativo

No txico e Biologicamente reabsorvvel

Classes de biomateriais PMMA

Ti, Ti6Al4V, Cr-Co

Al2O3, ZrO2

poliltico, poliglicol

fosfatos de clcio

hidroxiapatita

biovidro

vitrocermicas

EXISTE DIFERENA ENTRE BIOINERTE E BIOTOLERVEL?

A diferena est relacionada a reao de interface: espessura da camada de tecido fibroso

Fina quase imperceptvel: bioinerte

Camada + espessa (ordem de poucos nm): biotolervel

articulao

para maxilar

marcapasso

articulao

de cotovelo

pinos

de material

polimrico

articulao

de quadril

articulao de joelho

parafusos

para fixao de

fraturas

dispositivo

intra-uterino

mamas

Exemplos de Implantes Sintticos

lentes

intra-oculares

implantes

dentrios corao temporrio

vlvulas cardacas

tubo para dilise

pnis e testculos

ligamentos de joelho

articulao e dedos

Hidroxiapatita, Biovidro, Alumina, Zircnia

Ao Inoxidvel, Titnio, Ligas de Ti, Ligas de Co, Tntalo

PMMA, Dacron, Silicone

Associao de materiais

Biomateriais

cermicos metais

Polmeros

compsitos

Macromolculas

naturais modificadas

Bioadeso

Adeso de clulas e/ou tecidos superfcie de um material, normalmente mediada por protenas.

Fixao de clulas e/ou tecidos superfcie de um material, incluindo fixao mecnica

Biofixao

Resposta do hospedeiro

Reao de sistemas vivos presena de um material.

Material bioativo

Material que induz uma atividade biolgica especfica.

Biodegradao

Decomposio gradual de um material mediada por atividade celular especfica.

Processo de remoo por atividade celular e/ou dissoluo de um material em ambiente biolgico.

Biorreabsoro

OSSO MATERIAL COMPSITO

No Homogneo

Anisotrpico

Viscoelstico

Remodelamento contnuo

Regenerao

Caractersticas variveis

Fornece a estrutura tridimensional (suporte) necessrio para invaso vascular, aposio de celulas mesenquimais e

proliferao celular.

OSTEOCONDUO:

habilidade do implante dar suporte para o crescimento perifrico de tecido sseo (a nvel extracelular) sobre a superfcie.

OSTEOINTEGRAO:

Histologicamente: uma conexo direta estrutural e funcional entre o osso vivo organizado e a superfcie que carrega a carga do implante sem a interveno de tecido mole. Clinicamente: a estabilidade assintomtica de um material aloPolmero, conseguida e mantida no organismo sob carga funcional por longo perodo de tempo.

OSTEOINDUO:

Capacidade do material estimular ( por ex. fatores de crescimento derivados de plaquetas - PDGF) a diferenciao de clulas mesenquimais indiferenciadas em clulas osteognicas.

OSTEOGNESE:

Formao de novo tecido sseo a partir de elementos celulares como condroblastos ou osteoblastos. (cels. tronco ou progenitoras)

importante conhecer bem os materiais, pois se algo sair errado...

Prtese joelho cimentada pontos escuros no PMMA possveis focos de infeco por

onde iniciou o colapso

ocorrncias de fratura em implantes metlicos

Falha de prtese de mama

Materiais - classes

Cincia dos Materiais investiga a relao entre a estrutura e as propriedades dos materiais.

Engenharia de Materiais

projeta a estrutura adequada para se obter uma propriedade especfica do material.

desempenho

propriedade

Processamento/sntese

estrutura

(B)

Microestrutura

2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

Desempenho/

custo

(A)

Propriedades

(C)

Sntese e

Processamento

Aplicao do tetraedro da cincia e engenharia dos materiais para cabeas femorais de cermica

Materiais - classes Ligaes Qumicas

Materiais principais diferenas

material Estrutura molecular

Metal ons circundados por eltrons livres

Cermica (vidro)

Molculas complexas

Polmeros

macromolculas

Ligaes Primrias: transferncia ou compartilhamento de e-

- Ligao Inica + Ligao Covalente +Ligao Metlica = INTRAmoleculares

Envolvem os eltrons de valncia e dependem das estruturas eletrnicas dos tomos constituintes.

Origem: tendncia dos tomos em adquirir estruturas eletrnicas estveis pelo preenchimento completo da camada eletrnica mais externa.

Ligaes Secundrias: entre tomos nos quais NO h transferncia ou

compartilhamento de e-. INTERmoleculares : + fracas e influenciam as propriedades fsicas dos

materiais.

Ligao Qumica

Ligao Qumica Metlica (Primria)

Ligao Qumica Inica (Primria)

Exemplo: NaCl

Configurao eletrnica do Na: 1s2 2s2 2p6 3s1

Configurao eletrnica do Cl: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Ligao no direcional. Cargas positivas estaro prximas a

cargas negativas, porm sem preferncia de posio;

posio ser dada pelo arranjo cristalino mais estvel.

Exigncia: neutralidade total de cargas.


Redes Cristalinas ou

Retculos cristalinos


Isolantes eltricos e de calor, quebradios, muito pouco deformveis,

alguns so tranparentes, alta resistncia ao calor.

Energias de ligao altas: faixa entre 630 e 1550 kJ/mol (Tfuso elevadas)

Ex.: SiC, Si3N4, Al2O3


C = 2,5

H = 2,1

DE = 0,4

Forte carter

covalente

Ligao Qumica Covalente (Primria)

O = 3,5

Si = 1,8

DE = 1,7

Carter inico-

covalente

Representao esquemtica da

ligao covalente na slica ( SiO2 )

Ligao Qumica Covalente (Primria)

Principais propriedades: isolantes eltricos e de calor, flexveis, deformveis,

algumas vezes transparentes, boa resistncia ao ataque qumico, baixa

resistncia ao calor, baixa densidade.

Energias de ligao altas: faixa entre 150 e 713 (diamante) kJ/mol.

Ex.: termoPolmeros, borrachas, resinas, madeira.

Ligao Qumica

Cristalinos:os tomos no material so arranjados de forma peridica.

monocristais consistem inteiramente de um nico cristal, como o de

silcio, vastamente usado na indstria eletrnica. Policristalinos so formados por muitos cristais ou gros, com tamanho, forma e composio especficas. Os gros so separados uns dos outros

por contornos de gros.

Amorfos ou Vtreos: tomos nestes materiais no apresentam

um ordenamento de longa distncia.

Os mais novos materiais amorfos que esto sendo desenvolvidos so os metais amorfos, que apresentam elevadssimo Mdulo Elstico, possibilitando valores extremamente elevados de rigidez e elasticidade.

Estrutura

Estrutura Cristalina Estrutura Amorfa

Estrutura

Foras de atrao e de repulso em funo

da distncia interatmica (r) para dois tomos isolados

Energia Potencial em funo da distncia interatmica (r) para

dois tomos isolados

Foras e energia de ligao

Propriedades e Curva de Energia

Propriedades = (composio, processamento )

Composio qumica

Processamento

Microestrutura Propriedades finais

Propriedades intrnsicas

tipo de tomo tipo de ligao tipo de estrutura

material Densidade (g/cm3)

Metal > 7,0 (aos)

> 2,0 (Al)

Cermica (vidro)

> 2,0

Polmeros

0,9 1,5


material Comp mecnico

Metal tenaz

Cermica (vidro) frgil

Polmeros Alta tenacidade


X Polymers

material Prop. eltricas

Metal Elevada condutividade

Cermica (vidro) isolante

Polmeros isolante


material Transparncia

Metal opaco

Cermica (vidro) transparente

Polmeros Opacos e transparentes


material Prop. trmicas

Metal Conduz calor

Cermica (vidro) isolante

Polmeros isolante


Metais Material constitudo por tomos de elementos metlicos, unidos por ligaes metlicas e que, em geral obedecem a um arranjo ordenado

Metais

Materiais rgidos - apresentam elevados valores de mdulo elstico (E)

Materiais de comportamento dctil

So resistentes a fadiga

Sofrem corroso

Podem ser processados por diferentes mtodos, permitindo grande variabilidade de formatos para peas

Ligas metlicas

Material constitudo por tomos de diferentes elementos metlicos mistura de um elemento base e pequenas concentraes de elementos que melhoram as propriedades do metal base

Ao inoxidvel : Fe + C + ( Cr, Ni, Mn, Mo, V)

Ligas de Co : Co + ( Cr, Mn, W, Mo, Ni, Nb, )

Ligas de Ti : Ti + ( Al, V, Fe, Nb, Zr)

Ligas de Pt : Pt + (Ir, Pd)

Vantagens dos metais como biomateriais

Apresentam elevado valores de resistncia

mecnica (capacidade para sustentao de

cargas)

Permitem a confeco de peas em diferentes

formatos

Desvantagens dos metais como biomateriais

Os valores de E so muito superiores aos do

osso, no permitindo as vezes que o osso fixado

receba estmulo mecnico

Sofrem corroso

Corroso metlica

Deteriorao e perda de material devido a

ataque qumico

Processo eletroqumico

Envolve a oxidao de um metal, isto , perda de

eltrons e consequente liberao de ons

metlicos

Me0

_ Me0 Mex+ + x e-

_

_

_ _

xidos metlicos que apresentam uma combinao de mltiplas fases: amorfa, monocristalina ou policristalina (elementos unidos por ligaes covalentes necessitam nmero de coordenao 4, enquanto que as ligaes inicas requerem a eletroneutralidade).

Incluem larga faixa de compostos inorgnicos no metlicos, constitudos por elementos metlicos e no metlicos, unidos por ligaes inicas e covalentes.

Nas reas mdica e odontolgica so muito utilizados para reparar / substituir tecidos duros.

Materiais cermicos, vidros e vitrocermicos

Alumina (Al2O3) Slica (SiO2)

Zircnia (ZrO2) Dixido de titnio (TiO2)

Titanato de brio (BaTiO3 )

Exemplos

Fosfato de Clcio (HA e TCP)


Inrcia qumica

Apresentam fratura frgil

Resistncia temperatura

Apresentam elevada resistncia a desgaste

Apresentam elevada dureza,


Materiais Polimricos constitudo por cadeias longas

formadas por unidades repetitivas, os meros

apresentam elevados valores de massa molar

Materiais orgnicos de alto peso molecular, da ordem de 103 a

106, composto pela repetio de unidades qumicas simples

denominadas monmeros.

Materiais Polimricos

Ligaes Qumicas do Carbono - Cadeias

Cadeias Carbnicas: Abertas ou Acclicas; Fechadas ou Cclicas; Mistas

Abertas (Aliftica): Quanto Natureza do elementos: Homognea, Heterognea Quanto Disposio dos tomos de C: Normal, Ramificada Quanto Saturao: Saturada, Insaturada

Fechadas: Quanto Natureza do elementos: Homocclica, Heterocclica Quanto Saturao: Saturada, Insaturada

Radicais Orgnicos: agrupamento de tomos que mantm-se inaltervel numa reao qumica. Podem ser mono, bi e trivalentes (capazes de fazerem 1, 2 ou 3 ligaes, respectivamente).

Tipo de ligacao Kcal / mol

Van der Waals en CH4 2,4

Dipolos permanentes 3 a 5

Pontes de Hidrogenio 5 a 12

Ionicos maiores que 100

Polietileno Cristalinidade

%

Densidade

gramos/cm3

Ponto de fusao C

Alta densidade 80 a 95 0,94 a 0,97 135

Baixa 50 a 75 0,91 a 0,93 105 a 110

Linear de baixa

densidade

70 a 90 0,92 a 0,95 110 a 125

Exemplo - Polietileno - PE

etileno

etileno polietileno

Apresentam comportamento viscoelstico

Apresentam valores de mdulo elstico prximos aos dos tecidos moles

Podem ser facilmente moldados em diversos formatos (termoPolmeros)

Baixa resistncia a temperatura

So leves (baixos valores de densidade)

Resistentes corroso

Podem ser polimerizados in situ


Facilidades para fabricao em diferentes formatos, com bom acabamento;

Elevada eficincia dos processos de fabricao, elevada produtividade;

Baixo consumo energtico para processamento;

Diversidade de propriedades;


Propriedades

(estrutura da cadeia, composio, morfologia, condies de processamento)

Combinao de dois ou mais materiais fisicamente distintos e mecanicamente separveis;

Propriedades superiores e nicas nunca obtidas com seus componentes separados;

Compsitos

Fonte: Orfice e cols, 2006

Materiais:

liga de Co-Cr (ASTM F 75) + revestimento de Ti puro ou HA

liga de Co-Cr (ISO 5832/4 + PEUAPM (ASTM 648)

PEUAPM

Liga Co-Cr

PEUAPM

Compsito PE- Fosfato de Ca - Implante facial

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160070425

http://www.ortosolutions.com.br/p_inferior.htm

PEUAPM + metal

Implante de Ti recoberto com HAp

Leitura recomendada:

Introduo e Captulo 1

Orfice, R.L., Pereira, M.M., Mansur, H.S., Biomateriais:

Fundamentos & Aplicaes, 1 Ed. Cultura Medica. 2006.

Documents

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