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marcio-luiz-dos-santos
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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.