BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICABIOMATERIAIS E BIOMECÂNICATQ-064TQ-064

Universidade Federal do Universidade Federal do ParanáParaná

Setor de TecnologiaSetor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José DallavalliProf. Dr. Mário José Dallavalli

7 Materiais Naturais7 Materiais Naturais

• • Similares ou idênticos aos materiais do corpo humanoSimilares ou idênticos aos materiais do corpo humano• • Toxicidade e inflamação reduzidas Toxicidade e inflamação reduzidas • • Atuação a nível funcional e molecularAtuação a nível funcional e molecular• • Podem ser fortemente Podem ser fortemente imunogênicosimunogênicos

– – Proteínas>Polissacarídeos>ColágenoProteínas>Polissacarídeos>Colágeno

• • Complexidade pode tornar difícil a manipulaçãoComplexidade pode tornar difícil a manipulação• • Podem ser degradados naturalmentePodem ser degradados naturalmente• • Fabricação difícil uma vez que são danificados ou Fabricação difícil uma vez que são danificados ou

destruídos a temperaturas relativamente baixas (não destruídos a temperaturas relativamente baixas (não fundem)fundem)

• • Variabilidade entre lotes, tecidos e espéciesVariabilidade entre lotes, tecidos e espécies• • Extração frequentemente modifica ou danifica o materialExtração frequentemente modifica ou danifica o material

8 Materiais Naturais8 Materiais Naturais

• • Obtenção usual de Matrizes Extra Celulares de Obtenção usual de Matrizes Extra Celulares de tecido conectivotecido conectivo– – Ossos, tendões, pele, vasos sanguíneos Ossos, tendões, pele, vasos sanguíneos

(compósitos)(compósitos)

• • Polímeros naturais em usoPolímeros naturais em uso– – ProteínasProteínas

• • Seda, Queratina, Colágeno, Gelatina, Fibrinogênio, Elastina, Seda, Queratina, Colágeno, Gelatina, Fibrinogênio, Elastina, Actina, Miosina.Actina, Miosina.

– – PolissacarídeosPolissacarídeos• • Celulose, amilose, dextrina, Quitina, Celulose, amilose, dextrina, Quitina, Glicosaminoglicanos Glicosaminoglicanos

– – DNA, RNADNA, RNA

9 Materiais Naturais9 Materiais Naturais

• • Colágenos são os mais comunsColágenos são os mais comuns– – Dois níveis de cristalinidadeDois níveis de cristalinidade– – Podem ser quimicamente modificados para degradação rápida ou lenta Podem ser quimicamente modificados para degradação rápida ou lenta

ou para Imunogenicidade reduzida ou para Imunogenicidade reduzida – – AplicaçõesAplicações

• • SuturasSuturas• • Agentes hemostáticos (esponjas p/sangue)Agentes hemostáticos (esponjas p/sangue)• • Vasos sanguíneosVasos sanguíneos• • Válvulas cardíacasVálvulas cardíacas• • Tendões e ligamentosTendões e ligamentos• • Pele artificialPele artificial• • Regeneração de nervos e cartilagensRegeneração de nervos e cartilagens• • Sistemas para liberação de medicamentosSistemas para liberação de medicamentos

• • Glicosaminoglicanos GAG’s Glicosaminoglicanos GAG’s – – Mais comum é o Mais comum é o ácido hialurônicoácido hialurônico– – Forma longa cadeias poliméricas que formas geles viscosos Forma longa cadeias poliméricas que formas geles viscosos – – Frequentemente condensado com colágeno Frequentemente condensado com colágeno – – Usado como lentes e molde para regeneração, Usado como lentes e molde para regeneração, tecido conjuntivotecido conjuntivo, ,

líquido sinovial, vasos sanguíneos e tecido cartilaginosolíquido sinovial, vasos sanguíneos e tecido cartilaginoso

10 Compósitos10 Compósitos

• • Consistem na Consistem na associação de dois ou mais materiaisassociação de dois ou mais materiais distintos distintos– – Geralmente em escala macroGeralmente em escala macro

• • Existe uma Existe uma interface distintainterface distinta entre os materiais entre os materiais • • Normalmente consistem de uma Normalmente consistem de uma matriz e um “reforçomatriz e um “reforço””• • EspecificaçõesEspecificações

– – MateriaisMateriais– – Propriedades dos materiaisPropriedades dos materiais– – Geometria do reforçoGeometria do reforço– – ConcentraçãoConcentração– – DistribuiçãoDistribuição– – OrientaçãoOrientação

• • ClassificaçãoClassificação– – Fibras, particulados, camadas, etc.Fibras, particulados, camadas, etc.

• • Tópicos relacionadosTópicos relacionados– – Biocompatibilidade de múltiplos materiaisBiocompatibilidade de múltiplos materiais– – Partículas pequenasPartículas pequenas– – Reabsorção de compósitosReabsorção de compósitos

10 Compósitos10 Compósitos

– Combinação de metais, cerâmicas e polímerosCombinação de metais, cerâmicas e polímeros

– Preservam as propriedades “boas” dos componentes e possuem Preservam as propriedades “boas” dos componentes e possuem

propriedades superiores às de cada componente separadopropriedades superiores às de cada componente separado..

Fibras de vidro Madeira Concreto

10 Compósitos10 Compósitos

São materiais que buscam conjugar as propriedades de dois tipos de materiais São materiais que buscam conjugar as propriedades de dois tipos de materiais distintos, para obter um material superior.distintos, para obter um material superior.

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Resistência específica:

Resistência/densidade

Parâmetro crítico em aplicações que exigem materiais fortes e de

baixa densidade.

Ex: indústria aeroespacial. O custo

alto do material é compensado pela

economia de combustível obtida na

redução de peso.

11Compósitos - Biocompatíveis11Compósitos - Biocompatíveis

• • Fibras de carbonoFibras de carbono– – BiocompatíveisBiocompatíveis– – Reforçam sistemas poliméricos e cerâmicosReforçam sistemas poliméricos e cerâmicos– – Revestimento superficial de implantes ortopédicosRevestimento superficial de implantes ortopédicos– – Substituição de tendões e ligamentosSubstituição de tendões e ligamentos

• • Fibra poliméricaFibra polimérica– – Geralmente são de baixa resistênciaGeralmente são de baixa resistência

• • Exceções: Kevlar e UAPMPEExceções: Kevlar e UAPMPE– – Aplicação similar ao carbono Aplicação similar ao carbono – – PLA, PGA, e PGLA reforçam polímeros degradáveisPLA, PGA, e PGLA reforçam polímeros degradáveis

• • CerâmicosCerâmicos– – Não são resistentes a tração ou cisalhamento, frágeisNão são resistentes a tração ou cisalhamento, frágeis– – Usados normalmente como particulados em outros materiaisUsados normalmente como particulados em outros materiais

• • VidrosVidros– – Fibras de vidro reforçam polímerosFibras de vidro reforçam polímeros– – Boas propriedades mecânicas e elétricas Boas propriedades mecânicas e elétricas – – Vidros reabsorvíveis em polímeros reabsorvíveisVidros reabsorvíveis em polímeros reabsorvíveis

12 Modificações de Superfície12 Modificações de Superfície

• • Biocompatibilidade e resposta fisiológica geralmente Biocompatibilidade e resposta fisiológica geralmente sãosão baseadas nas baseadas nas interações de superfícieinterações de superfície

• • Modificações superficiais retêm as propriedades do Modificações superficiais retêm as propriedades do material enquanto a superfície é formadamaterial enquanto a superfície é formada

• • Razões:Razões:– – Modificação da compatibilidade com o sangueModificação da compatibilidade com o sangue– – Influência na adesão e crescimento celularInfluência na adesão e crescimento celular– – Controle da adsorção das proteínasControle da adsorção das proteínas– – Incremento da lubricidadeIncremento da lubricidade– – Incremento na resistência ao desgaste e a corrosãoIncremento na resistência ao desgaste e a corrosão– – Modificação das características elétricasModificação das características elétricas– – Alteração nas propriedades de transporteAlteração nas propriedades de transporte

• • CategoriasCategorias– – Química ou Fisicamente alteram as moléculas na superfícieQuímica ou Fisicamente alteram as moléculas na superfície– – Formam revestimento adicionalFormam revestimento adicional

13 Modificações de Superfície13 Modificações de Superfície

• • Termos relacionadosTermos relacionados– – Finas modificações superficiaisFinas modificações superficiais

• • Camadas mais finas possíveisCamadas mais finas possíveis• • Normalmente camadas mínimas para garantir o recobrimentoNormalmente camadas mínimas para garantir o recobrimento• • Erosão mecânicaErosão mecânica

– – Resistência a delaminaçãoResistência a delaminação– – Rearranjo da superfícieRearranjo da superfície

• • Difusão ou translaçãoDifusão ou translação

• • MétodosMétodos– – Reação químicaReação química

• • Modificação química da superfícieModificação química da superfície– – Adesão por radiação - foto adesãoAdesão por radiação - foto adesão

• • Ligações quebram e expõem os monômerosLigações quebram e expõem os monômeros– – Deposição por plasmaDeposição por plasma

• • Reação em fase gasosaReação em fase gasosa• • Deposição em camadasDeposição em camadas• • Livre de porosidadeLivre de porosidade• • Revestindo qquer superfície – excelente adesãoRevestindo qquer superfície – excelente adesão

14 Modificações de Superfície14 Modificações de Superfície

• • Métodos (cont.)Métodos (cont.)– – SilanizaçãoSilanização

• • Substituição de grupos funcionaisSubstituição de grupos funcionais– – Implantação por feixe iônicoImplantação por feixe iônico

• • Modificação das propriedades mecânicas da superfícieModificação das propriedades mecânicas da superfície– – Deposição Langmuir Blodgett Deposição Langmuir Blodgett

• • Camadas altamente ordenadas – podem ser entrecruzadasCamadas altamente ordenadas – podem ser entrecruzadas– – Monocamadas auto constituídasMonocamadas auto constituídas

• • Formação espontâneaFormação espontânea– – Aditivos de modificação superficialAditivos de modificação superficial

• “• “Materiais” que se movem para a superfícieMateriais” que se movem para a superfície– – Revestimentos de conversãoRevestimentos de conversão

• • Metais para resistência a corrosãoMetais para resistência a corrosão– – Revestimento com ParyleneRevestimento com Parylene

• • Polímero evaporadoPolímero evaporado– – Métodos a LaserMétodos a Laser

• • Rápidos e com controle elevadoRápidos e com controle elevado

Parylene coatings that are completely Parylene coatings that are completely conformal of uniform thickness and conformal of uniform thickness and pinhole free. This is achieved by a pinhole free. This is achieved by a unique vapor deposition unique vapor deposition polymerization process. The polymerization process. The advantage of this process is that the advantage of this process is that the coating forms from a gaseous coating forms from a gaseous monomer without and intermediate monomer without and intermediate liquid stage.  As a result, component liquid stage.  As a result, component configurations with sharp edges, configurations with sharp edges, points, flat surfaces, crevices or points, flat surfaces, crevices or exposed internal surfaces are coated exposed internal surfaces are coated uniformly without voidsuniformly without voids