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
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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
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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
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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
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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.
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Willians, 1987
Biofuncionalidade (desempenho)
Conjunto de propriedades fsicas e mecnicas que permitem ao biomaterial desempenhar a funo
planejada.
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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
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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.
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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.
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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
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Biomateriais Implantes
Prteses Endoprteses
Dispositivos diversos
Temporrios
Suturas Dispositivos de osteosntese
Scaffolds
Permanentes
Dispositivos implantveis Classificao de acordo com o tempo de implantao
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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
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Prtese
Um dispositivo que substitui um membro, rgo ou tecido do corpo.
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rtese
Dispositivo de uso externo com inteno de corrigir, alinhar ou melhorar a funo de uma parte mvel do corpo.
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Oftalmologia
APLICAES Ortopedia
Cardiologia Odontologia
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Implantes
Autgenos (enxerto sseo)
Cermicas
Sintticos
Compsitos
Metais
Biolgicos
Homgenos (transplantes)
Hetergenos (pericrdio bovino)
Polmeros
Biotolerveis
Bioinertes
Bioativos
Bioreabsorvveis
Classes de biomateriais
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Classificao quanto a natureza biolgica
materiais de origem biolgica
autgenos
prprio paciente
algenos/homlogos
doador
xengenos/heterlogos
animal
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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OSSO MATERIAL COMPSITO
No Homogneo
Anisotrpico
Viscoelstico
Remodelamento contnuo
Regenerao
Caractersticas variveis
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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.
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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.
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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)
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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
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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
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(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
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Materiais - classes Ligaes Qumicas
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Materiais principais diferenas
material Estrutura molecular
Metal ons circundados por eltrons livres
Cermica (vidro)
Molculas complexas
Polmeros
macromolculas
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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
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Ligao Qumica Metlica (Primria)
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Ligao Qumica Metlica (Primria)
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Ligao Qumica Inica (Primria)
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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.
Ligao Qumica Inica (Primria)
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Redes Cristalinas ou
Retculos cristalinos
Ligao Qumica Inica (Primria)
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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
Ligao Qumica Inica (Primria)
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C = 2,5
H = 2,1
DE = 0,4
Forte carter
covalente
Ligao Qumica Covalente (Primria)
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O = 3,5
Si = 1,8
DE = 1,7
Carter inico-
covalente
Representao esquemtica da
ligao covalente na slica ( SiO2 )
Ligao Qumica Covalente (Primria)
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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.
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Ligao Qumica
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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
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Estrutura Cristalina Estrutura Amorfa
Estrutura
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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
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Foras e energia de ligao
Propriedades e Curva de Energia
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Foras e energia de ligao
Propriedades e Curva de Energia
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Foras e energia de ligao
Propriedades e Curva de Energia
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Propriedades = (composio, processamento )
Composio qumica
Processamento
Microestrutura Propriedades finais
Propriedades intrnsicas
tipo de tomo tipo de ligao tipo de estrutura
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material Densidade (g/cm3)
Metal > 7,0 (aos)
> 2,0 (Al)
Cermica (vidro)
> 2,0
Polmeros
0,9 1,5
Materiais principais diferenas
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material Comp mecnico
Metal tenaz
Cermica (vidro) frgil
Polmeros Alta tenacidade
Materiais principais diferenas
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X Polymers
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material Prop. eltricas
Metal Elevada condutividade
Cermica (vidro) isolante
Polmeros isolante
Materiais principais diferenas
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material Transparncia
Metal opaco
Cermica (vidro) transparente
Polmeros Opacos e transparentes
Materiais principais diferenas
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material Prop. trmicas
Metal Conduz calor
Cermica (vidro) isolante
Polmeros isolante
Materiais principais diferenas
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Metais Material constitudo por tomos de elementos metlicos, unidos por ligaes metlicas e que, em geral obedecem a um arranjo ordenado
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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
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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)
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Vantagens dos metais como biomateriais
Apresentam elevado valores de resistncia
mecnica (capacidade para sustentao de
cargas)
Permitem a confeco de peas em diferentes
formatos
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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
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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-
_
_
_ _
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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
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Materiais cermicos, vidros e vitrocermicos
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Alumina (Al2O3) Slica (SiO2)
Zircnia (ZrO2) Dixido de titnio (TiO2)
Titanato de brio (BaTiO3 )
Exemplos
Fosfato de Clcio (HA e TCP)
Materiais cermicos, vidros e vitrocermicos
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Inrcia qumica
Apresentam fratura frgil
Resistncia temperatura
Apresentam elevada resistncia a desgaste
Apresentam elevada dureza,
Materiais cermicos, vidros e vitrocermicos
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Materiais Polimricos constitudo por cadeias longas
formadas por unidades repetitivas, os meros
apresentam elevados valores de massa molar
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Materiais orgnicos de alto peso molecular, da ordem de 103 a
106, composto pela repetio de unidades qumicas simples
denominadas monmeros.
Materiais Polimricos
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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).
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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
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Exemplo - Polietileno - PE
etileno
etileno polietileno
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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
Materiais Polimricos
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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;
Materiais Polimricos
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Propriedades
(estrutura da cadeia, composio, morfologia, condies de processamento)
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Combinao de dois ou mais materiais fisicamente distintos e mecanicamente separveis;
Propriedades superiores e nicas nunca obtidas com seus componentes separados;
Compsitos
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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
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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
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Leitura recomendada:
Introduo e Captulo 1
Orfice, R.L., Pereira, M.M., Mansur, H.S., Biomateriais:
Fundamentos & Aplicaes, 1 Ed. Cultura Medica. 2006.