UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO – UFESCENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOSCURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA DE

ALIMENTOS

BIOMATERIAIS

ANDRÉ DE SOUSA FREITAS – 2012 100 846

ALEGRE2014

ANDRÉ DE SOUSA FREITAS – 2012 100 846

BIOMATERIAIS

Trabalho apresentado à disciplina de Resistência dos Materiais da Universidade Federal do Espírito Santo - UFES, como parte das exigências do curso de Engenharia de Alimentos, para a obtenção de nota em tal disciplina.

Professora: Ana Paula Almeida Bertossi

ALEGRE2014

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO...................................................................................................................................1

2 CLASSIFICAÇÃO..............................................................................................................................22.1 Bioinertes............................................................................................................................................22.2 Biotolerados........................................................................................................................................22.3 Bioativos.............................................................................................................................................32.4 Reabsorvíveis......................................................................................................................................3

3 TIPOS DE BIOMATERIAIS.............................................................................................................33.1 Metal...................................................................................................................................................43.2 Polimérico...........................................................................................................................................43.3 Cerâmico.............................................................................................................................................43.4 Compósito...........................................................................................................................................4

4 CORROSÃO E DEGRADAÇÃO......................................................................................................4

5 SETORES DE APLICAÇÃO.............................................................................................................5

6 BIOMATERIAIS E ALIMENTOS FUNCIONAIS.........................................................................5

7 BIOMATERIAIS X ECOMATERIAIS............................................................................................6

8 TIPOS DE ECOMATERIAIS............................................................................................................7

9 CENÁRIO ATUAL DA RECICLAGEM..........................................................................................8

10 CONCLUSÃO....................................................................................................................................8

11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................9

BIOMATERIAIS

1. INTRODUÇÃO

Há mais de um século muitos pesquisadores vêm dedicando esforços para encontrar

materiais com características adequadas para restauração e substituição dos tecidos ósseos no

corpo humano. Em uma fase inicial, a procura de tais compostos se deu através da utilização

de materiais de origem biológica, como no caso dos enxertos e dos transplantes, os quais são

classificados como autógenos (onde o doador é o próprio receptor), alógenos (onde o doador e

o receptor são da mesma espécie) e xenógenos (onde o doador é de origem animal). Devido às

desvantagens desses materiais e também do grande desenvolvimento científico e tecnológico,

muitos trabalhos foram realizados com o objetivo de dispor de materiais de origem sintética

com características adequadas que permitam diminuir e em alguns casos eliminar o uso de

materiais de origem biológica (GUASTALDI, 2003).

A utilização de materiais sintéticos, para a substituição ou aumento dos tecidos

biológicos, sempre foi uma grande preocupação nas áreas médica e odontológica. Para este

fim, são confeccionados diversos dispositivos a partir de metais, cerâmicas, polímeros e mais

recentemente compósitos. Na realidade, nem sempre são novos materiais no sentido estrito da

palavra, são materiais dos quais se utilizam novas propriedades obtidas mediante diferentes

composições químicas ou processos de fabricação.

Estes materiais, utilizados como biomateriais, devem apresentar certos requisitos

essenciais como: biocompatibilidade, biofuncionalidade, bioadesão, propriedades mecânicas

semelhantes às do osso, tais como: módulo de elasticidade, resistência à tração e à fadiga,

processabilidade, resistência à corrosão e preços condizentes com a realidade brasileira.

Biomaterial é definido como qualquer substância ou combinação destas que não sejam

fármacos, de origem natural ou sintética, que pode ser usada por qualquer que seja o período

de tempo, aumentando ou substituindo parcial ou totalmente qualquer tecido, órgão ou função

do corpo, com a finalidade de manter e ou alterar a qualidade de vida do paciente.

(WILLIANS,1987).

Um material que é usado em aplicações específicas, desenvolve respostas teciduais

adequadas no sistema hospedeiro, caracteriza-se como biocompatível, ele não

necessariamente tem de ser absolutamente inerte ou inócuo como se acreditava anteriormente,

já a biofuncionabilidade caracterizam-se por desempenhar funções desejadas, dadas as suas

propriedades mecânicas, químicas, ópticas, elétricas, etc. (SILVA, 1999).

O desempenho do biomaterial sempre foi de grande interesse e preocupação nas

disciplinas biológicas. A reabilitação dentária realizada por meio de implantes

osseointegrados possui características especiais, pois o mesmo encontra-se na cavidade oral,

na presença de fluidos orais, é inserido passando pela mucosa e fixado no tecido ósseo osso

subjacente. A dissipação das forças oclusais no conector protético, tecido mole e osso inclui o

aspecto funcional, porém com acentuada complexidade das condições ambientais químicas e

mecânicas. (MISCH, 2000).

Nos materiais que são usados em implantes osseointegrados a biocompatibilidade é

avaliada principalmente pela reação do osso ao material, sendo o ideal quando não se encontra

reações do tipo corpo estranho.

Além da biocompatibilidade, os biomateriais devem possuir biofuncionalidade, ou

seja, a capacidade de desempenhar apropriadamente a função desejada, dada as suas

propriedades mecânicas, físicas, e químicas.

Testes padrão de biocompatibilidade representam além de critérios de aprovação e

reprovação para controle de material inserido no mercado, parâmetros de estudos das

interações do organismo e o material em contato com o mesmo, objetivando estabelecer

padrões de testes a fim de descrever e graduar respostas tanto do hospedeiro quanto do

material, eliminando a toxicidade ou estabelecendo um critério de tolerância para nível de

risco do material.

A International Organization for Standartization (ISO) por cerca de dez anos reuniu

trabalhos que desenvolveu um documento conhecido como ISO 10993 - Biological

Evaluation of Medical Devices, um conjunto de normas para avaliação de dispositivos e

materiais de uso médico, dentre as quais algumas se aplicam nesse projeto.

2. CLASSIFICAÇÃO

Os biomateriais podem ser classificados de acordo com o seu comportamento

biológico (bioinertes, biotolerados, bioativos e reabsorvíveis) e composição química

(metálicos, poliméricos, compósitos e naturais). Os biomateriais podem ser classificados

segundo sua resposta biológica e quanto a sua composição química. Levando-se em

consideração a resposta biológica causada pelo biomaterial, podemos classificá-los em:

2.1. Bioinertes

Não provocam reações estranhas no mecanismo e estão em contacto direto com o

material receptor. Exemplos: titânio, hidróxido de alumínio.

2.2. Biotolerados

Geralmente envolvem o material receptor, moderando a sua coesão, e com

características fibrosas. Exemplos: aço inoxidável, ligas Cr-Co e polimetilmetacrilato

(PMMA).

2.3. Bioativos

O termo bioatividade é definido como sendo a propriedade de formar tecido sobre a

superfície de um biomaterial e estabelecer uma interface capaz de suportar cargas funcionais

(DUCHEYNE E KOHN, 1992).

Material que induz crecimento tecidular (osteoindução e osteocondução). Exemplos:

metais inoxidáveis.

2.4. Reabsorvíveis

Lentamente degradáveis e gradualmente substituídos. Materiais reabsorvíveis podem

ser de origem animal ou sintética. Exemplos: tintas e vernizes.

3. TIPOS DE BIOMATERIAIS

Os biomateriais podem ser metálicos, cerâmicos, poliméricos e compósitos.

Biomaterial Exemplos Vantagens Desvantagens

Metal

Aço inoxidável e Liga de Titânio

Alta resistência ao desgaste, energia de

deformação alta e alta força de tensão

Baixa biocompatibilidade, alta

densidade, perda de propriedades mecânicas

Cerâmico

Hidróxido de Alumínio e Dióxido

de Zircónio do Carbono

Boa biocompatibilidade, inércia, alta força de tensão e resistência à

compressão

Baixa força de tensão, baixa elasticidade e alta

densidade

Polimérico

Silicone, Poliuretano, Poliéster e Polietileno

Fácil fabricação, baixa densidade e elasticidade

Baixa resistência mecânica, degradação ao

longo do tempo

Compósito

Colágeno e Fosfato de Cálcio

Boa biocompatibilidade, inércia, alta força de tensão e resistência à

tensão

Incompatibilidade com as matérias de fabricação

3.1. MetaisNeste caso, os biomateriais costumam sempre vir em forma de ligas, a combinação de

dois ou mais elementos, dos quais pelo menos um é metal. Os biomaterias metálicos possuem

alta condutividade térmica e elétrica, resistência à tração, à fratura, à fadiga, à abrasão, alta

tenacidade, dureza, resistência, elasticidade e ductilidade.

3.2. Polímeros

São compostos químicos orgânicos que resultam da ligação de diversos elementos

químicos. Tem por característica serem degradáveis ao longo do tempo, que varia conforme

cada combinação dos diversos elementos químicos. Os polímeros podem ser sintéticos ou

naturais. Os sintéticos são obtidos através de adição, reação e condensação dos diversos

elementos. Os naturais são obtidos na natureza, como é o caso da nitro celulose e do látex.

3.3. Cerâmicos

Os biomateriais cerâmicos são compostos de materiais inorgânicos, compostos por

elementos metálicos e não metálicos. De baixa condutividade térmica, de considerável dureza

e de boa estabilidade química.

3.3. Compósitos

São materiais sólidos, de dois ou mais componentes que diferem na sua composição e

estrutura do material. Esta combinação de propriedades apresenta um grande leque de

possibilidades a cada junção de cada proporção dos vários componentes.

4. CORROSÃO E DEGRADAÇÃO

A resistência à corrosão e degradação está intimamente relacionada com a boa

qualidade e comportamento do mecanismo implantado, tornando-se necessário um bom

conhecimento das suas características e consequências do uso ao longo prazo, assim como

resposta do material ao mesmo, que depende da avaliação do desempenho desse material

destas duas vertentes. A avaliação do material é determinante, uma vez que estes estudos são

realizados em condições que simulam ambientes fisiológicos a partir das quais é possível

avaliar o seu desempenho, nomeadamente face à corrosão.

5. SETORES DE APLICAÇÃO

Segundo dados estatísticos obtidos pela ANVISA encontram-se neste momento em

circulação cerca de 300.000 produtos na área da saúde de origem biomaterial. Os setores mais

privilegiados nesta área são:

1. Cardiologia, com cerca de 56 a 80% dos gastos, em equipamentos e utensílios como

cardioversores, cardiodesfibrilhadores, marcapasso, cateteres, próteses endovasculares e

válvulas cardíacas;

2. Ortopedia, com gastos a volta dos 20 a 36% em próteses de quadril, joelho e ombro,

implantes de coluna, parafusos bioabsorvíveis, cimentos ortopédicos e implantes

neurológicos; a terapia renal com equipamentos de hemodiálise;

3. Oftalmologia em lentes intraoculares; otorrinolaringologia com próteses auditivas;

Nos últimos anos tem se dado um crescimento considerável nas aplicações músculo

esqueletal, isto é no estudo de materiais bioativos que favorecem e facilitam o crescimento de

osso e/ou cartilagens em áreas lesadas.

6. BIOMATERIAIS E ALIMENTOS FUNCIONAIS

Investigações têm sido realizadas no sentido de descobrir possíveis propriedades

funcionais de alimentos associadas na prevenção e tratamento de várias doenças, como

aterosclerose, diabetes, doenças cerebrais e câncer. Destacam-se os lipídios da classe dos

terpenos e o ácido ascórbico (vitamina C) em frutas cítricas; os isoflavonóides da soja; os

tocotrienóis (vitamina E) de grãos de cereais e vegetais; os polifenólicos do gengibre e dos

chás (verde e preto); o licopeno do tomate, da melancia e da goiaba; as antocianinas do feijão,

da cereja, da amora, da uva e do morango; a quercetina na cebola, no brócolis, na uva

vermelha (vinho), na cereja, na maçã e em certos cereais; o resveratrol das cascas das uvas,

além da atividade antioxidante do alecrim, da sálvia, do tomilho e do orégano (CRAIG &

BECK, 1999; WEISBURGER, 1999; FERRARI, 2005).

Embora os alimentos funcionais tenham sido relacionados com estimulação da

resposta imunológica e a um potencial benefício para o organismo, deve se considerar que o

sistema imunológico, especificamente o de mucosa intestinal, possui uma anatomia e

fisiologia única que visa proporcionar respostas imunes tolerantes aos antígenos alimentares

(BARRY et al, 2008).

O trato gastrointestinal humano é diariamente apresentado a uma enorme carga

antigênica em potencial, sob a forma de bactérias comensais e antígenos dietéticos, entre eles

os provenientes de alimentos. A mucosa intestinal compreende um dos maiores tecidos do

sistema imune e apresenta-se no intestino com uma arquitetura altamente elaborada.

Além da sua distinta arquitetura, as células imunes especializadas do trato

gastrointestinal ajudam na promoção da resposta tolerogênica a antígenos introduzidos por via

oral.

A IgA secretória (SIgA), que é produzida em quantidades apreciáveis nas mucosas,

também promove um ambiente anti-inflamatório por neutralização de antígenos. Este tecido é

constantemente desafiado por antígenos provenientes de vários nutrientes, íons e líquidos que

atravessam a mucosa intestinal (SCHENK and MUELLER, 2008).

O sistema deve ser capaz de discriminar entre antígenos que exigem uma resposta

imune protetora e antígenos, como os de alimentos, que necessitam desenvolver um estado de

não resposta imunológica.

Esta característica da resposta imune de mucosa, conhecida como tolerância oral, não

só é um importante processo homeostático, mas também pode ser utilizada como um

potencial terapêutico (KAPPLER, 1987, KISIELOW 1988, PALMER, 2003 STARR, 2003,

BARRY et al., 2008).

7. BIOMATERIAIS X ECOMATERIAIS

Os materiais sempre estiveram e sempre estarão a serviço da humanidade e, desde a

construção da primeira ferramenta, arma ou ornamentação, os recursos naturais passaram a

sofrer os efeitos da intervenção humana.

Sabe-se que a Terra possui uma capacidade finita tanto para a disponibilidade de

recursos como para o descarte dos resíduos, fato que acentua a importância da minimização

de perdas ambientais, bem como do uso mais eficiente de recursos e de energia para um

desenvolvimento sustentável das nações. Neste contexto, é evidente a necessidade de novas

tecnologias para a produção de materiais ambientalmente adequados. Como resposta a tal

necessidade, o conceito de ecomaterial passou a ser disseminado, a partir do início dos anos

90. Nas primeiras discussões em torno do conceito de ecomaterial, sugeriram-se três

paradigmas a serem seguidos: a performance do material, no sentido de expandir as fronteiras

humanas; o ambiente, no sentido da coexistência harmônica com a ecosfera e a qualidade de

vida, no sentido de proporcionar uma vida prática e confortável, em simbiose com a natureza.

Em linhas gerais, além de serem benignos ao meio ambiente, os ecomateriais devem

trazer benefícios em termos de conforto e qualidade de vida, devem ser compatíveis com o

avanço tecnológico, mostrando que a expansão das fronteiras da humanidade pode e deve ser

feita de forma tão segura quanto eficiente. Isto equivale a dizer que o desenvolvimento

sustentável não é sinônimo de retrocesso e não impõe um modo de vida desconfortável e

rústico, baseado no uso de materiais de qualidade inferior. Os ecomateriais são programados

especificamente para minimizarem efeitos adversos ao meio ambiente, mantendo sua

performance e preço competitivo. A questão-chave no caso dos ecomateriais é ser seguro ao

meio ambiente e/ou trazer benefícios claros à ecosfera. Alguns exemplos: materiais

naturalmente atóxicos; materiais fabricados a partir de fontes renováveis de matéria-prima e

energia, não representando ameaça ao desenvolvimento sustentável ou fabricado a partir do

reaproveitamento de resíduos cumulativos no ambiente; materiais cuja manufatura segue rotas

com alto rendimento, baixo consumo de energia e de água, bem como isentas de emissões

tóxicas; materiais que substituam outros de impacto ambiental negativo ou com aplicações

voltadas para despoluição, tratamento de resíduos e estabilização dos mesmos através de

incorporação em fases sólidas, por ex., materiais produzidos dentro de uma estratégia

programada de seu fim de ciclo: que possam ser reciclados ou reaproveitados, de forma

harmônica com a natureza e com a vida.

8. TIPOS DE ECOMATERIAIS

Em um sentido mais amplo, há dois outros tipos de ecomateriais úteis para a solução

de problemas ambientais. De um lado, estão os materiais para sistemas avançados de energia,

tais como células solares, células a combustível e sistemas para conversão termoelétrica. De

outro, estão os materiais funcionais para a proteção ambiental, que removem poluentes já

liberados no ambiente. Neste último caso, encontram-se principalmente os diversos tipos de

materiais porosos.

Um aspecto de fundamental relevância diz respeito ao planejamento racional que deve

ser observado na preparação dos materiais, dentro da perspectiva das funções e aplicações em

proteção ambiental. Neste caso específico, podemos destacar a preparação de catalisadores,

sensores e materiais para remediação de efluentes. Tais aplicações, por sua vez, são aderentes

ao contexto da Química Verde, caracterizado por uma série de paradigmas. Dentre estes,

podemos destacar a necessidade da substituição de processos incompatíveis com o

desenvolvimento sustentável: geradores de resíduos volumosos e/ou tóxicos e que levam ao

esgotamento de recursos naturais não-renováveis de matérias-primas e energia. Isto pode ser

concretizado pela preparação de novos catalisadores que permitam a proposição de rotas

alternativas, com a consequente redução do impacto ambiental. Os catalisadores também

podem trazer vantagens adicionais: propiciar a redução da escala das plantas industriais;

permitir a geração do mesmo produto através de um número menor de etapas de produção.

9. CENÁRIO ATUAL DA RECICLAGEM

De uma maneira geral pode-se dizer que a reciclagem é uma atividade tão antiga

quanto à própria metalurgia. Na idade média, por exemplo, as armaduras e armas dos

vencidos eram recicladas pelos vencedores por razões econômicas. Mas a noção de

economizar os recursos naturais do Planeta só surgiu no último quartel do século XX. E, em

menos de 20 anos, passou a ser uma atividade industrial com vantagens econômicas,

ambientais e sociais.

Atualmente a reciclagem é importante para economizar o planeta, gerar empregos e

renda e melhorar a qualidade dos processos industriais. Ela é uma atividade moderna em

franca expansão em todo o mundo e, como tal, vem sendo bastante supervisionada, em termos

técnicos, e regulamentada, em termos ambientais, até mais do que as empresas de ramos

tradicionais da produção de matérias-primas, como a siderurgia, a metalurgia e a

petroquímica.

O mercado de reciclados, ou matérias-primas secundárias, sofre a pressão da

concorrência dos preços das matérias-primas primárias. Esse mercado precisa então se

organizar para garantir um material competitivo em qualidade e preço.

10. CONCLUSÃO

É possível concluir que há uma previsão para as próximas décadas e séculos para o

ramo dos biomateriais, que viverá a sua época de maior expansão em todas as áreas. No ramo

das construções, é latente que a procura de novas soluções construtivas tem evoluído em

sentido positivo na busca por melhores soluções construtivas e/ou energéticas. Uma das

particularidades do estudo deste ramo dos materiais são o grande número de ciências

envolvidas e as diversas e possíveis aplicações de usabilidade dos biomateriais, portanto, a

interconexão de diversos ramos, proporciona variadas soluções aos diversos interessados na

utilização do biomaterial.

O constante desafio de evitar danos ao meio ambiente, particularmente aqueles

produzidos pela atividade industrial, tem funcionado como uma força-dirigente no

desenvolvimento da emergente área de ecomateriais. Isto tem ressaltado, de maneira

inequívoca, que a atividade em química deve trabalhar com a ideia não só de reduzir, ao

máximo possível, o impacto ambiental, via monitoramento, como também minimizar os

efeitos negativos em situações já claramente identificadas, via desenvolvimento de processos

de remediação.

11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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1999.

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