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BiomateriaisEN 3830
Aula 7
Biomateriais Cermicos
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OutlineBiomateriais cermicos
Definio, Estrutura Cristalina
Propriedades
Classificao funcional, Aplicaes
Processamento
Microestrutura, Propriedades mecnicas
Tipos de biocermicas: Usos, aplicaes, classificao
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Cermica = material queimado
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O que so materiais cermicos ???
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Materiais cermicos
Materiais inorgnicos, no metlicos,
constitudos por tomos metlicos e no
metlicos atravs de ligaes inicas e/ou
covalentes, formando uma estrutura cristalina,
vtrea ou mista
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METLICAS
INICASCOVALENTES
SECUNDRIAS
METAIS
CERMICAS
POLMEROS
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CLASSIFICAO DOS MATERIAIS
isolantes trmicos
isolantes eltricos
resistentes a abraso
duros
frgeis
METAIS
POLMEROS
CERMICOS
COMPSITOS
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Estrutura cristalina
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Ctions: interstcios do arranjo formado pelos nions
NC de ons intersticiais
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PROPRIEDADES
dureza
resistncia a abraso
refratariedade
isolamento trmico
isolamento eltrico
no magntico
resistncia a oxidao
quimicamente estvel
frgil
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Classificao funcional
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Classificao funcional
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Aplicaes de materiais cermicos
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Aplicaes de materiais cermicos
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Cermicas tradicionais x avanadas
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LINHAS INDUSTRIAIS
INDSTRIA PRODUTO MATRIAS PRIMAS
Estrutural tijolos, telhas, vasos, argilas, quartzo, calcrio, gesso,
manilhas, pisos, cimento feldspato, etc...
Refratrios slico-aluminosos argilas refratrias
aluminosos argilas refratrias, bauxita, alumina
(Bayer e eletrofundida)
silicosos quartzitos
de magnesita, dolomita MgCO3, CaMg(CO3)2
de carbeto de silcio obtido de carvo e areia
tijolos isolantes argilas ou outras matrias refratrias
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INDSTRIA PRODUTO MATRIAS PRIMAS
Cermica azulejos, sanitrios, louas argilas, vidrados, filito, pirofilita,
branca de mesa e de laboratrio talco, caulim, feldspato, quartzo
Vidros vidros planos, garrafas, l de quartzito, areia, calcrio, caulim,
vidro, cristais de mesa, pirex NaCO3 (barrilha), etc...
Outros slica fundida quartzo de alta pureza
refratrios especiais xidos puros (Al,Mg,Zr), SiC
cermicas eltricas argila, quartzo, talco, xidos(Al,Ti,
Zr, Zn, Be), BaTiO3, ferrita
abrasivos SiC, Al2O3
biocermicas fosfatos de clcio, Al2O3, ZrO2
LINHAS INDUSTRIAIS
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Processamento
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PROCESSAMENTO
MATRIA PRIMA
CONFORMAO
SINTERIZAO
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Obteno da matria prima
natural: no conformidade
natural beneficiada ou industrializada: sofreremoo de impurezas e concentrao dos
componentes minerais de interesse
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Processamento qumico de ps
vaporizao do solvente (direta do solvente, spraydrying, secagem de emulso, freeze drying)
precipitao (qumica em soluo homognea,hidrotrmica, em um sal fundido)
sol-gelsecagem por lquidosntese fase de vapordecomposio trmica de sais
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Importncia das caractersticas do p no processamento cermico
tamanho de partcula
distribuio de tamanho de partcula
forma de partcula
estado de aglomerao
pureza qumica
homo/heterogeneidade
dos dopantes
homogeneidade partcula/partcula
espcies absorvidas/adsorvidas
Fatores fsicos
Fatores qumicos
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Prensagem uniaxial
Prensagem a quente
Prensagem isosttica
Tcnicas de conformao a seco
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Conformao a seco
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Extruso
Colagem de barbotina (slip casting)
Colagem de fita (tape casting)
Injeo
Gel casting
Tcnicas de conformao a mido
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Tcnicas de conformao a mido
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Secagem das peas conformadas
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Sinterizao
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Sinterizao densificao a altas temperaturas
(70 - 75% da temperatura de fuso)
Conformao: corpo a verde (25 e 60% de porosidade)
em funo do material usado e do mtodo de conformao
sinterizao = processo que utiliza somente o calor para
converter ps cermicos em slidos policristalinos densos
Para algumas propriedades necessrio eliminar-se a porosidade
tanto quanto possvel
Resistencia, translucidez, etc
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Sinterizao
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Sinterizao
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Microestruturas
Tijolo refratrio Alumina 98%
(Isolante eltrico)
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Microestruturas
Alumina 99,7% WC-Co
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Material frgil: tem maior limite de escoamento
e maior limite de resistncia, no entanto, menortenacidade, devido a falta de ductilidade
Comportamento mecnico dos materiais
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Caracterizao / Controle
Variveis
Anlise qumica
Caracterizao fsica
(rea superficial, distrib.
granulomtrica)
Aditivos de sinterizao
(dopantes xidos e mistos)
Proporo / -SiC
Densidade a verde
Presso de compactao
Geometria do molde
Homogeneidade
microestrutural
Tempo / Temperatura /
Atmosfera
Perda de massa
Densidade
Caracter. microestrutural
Caracterizao mecnica
Tempo / Temperatura /
Atmosfera
Caracterizao mecnica
Caracter. microestrutural
Tempo / Temperatura /
Atmosfera
Figura 2 Fluxograma geral do processamento dos materiais base de carbeto de silcio
Matrias Primas
(SiC, aditivos xidos e
no xidos)
Homogeneizao
(Atritor)
Tratamento trmico
pr-sinterizao
Estudos de densificao
(fornos, dilatmetro,
prensa a quente)
Tratamentos trmicos
ps-sinterizao
(fornos, prensa isosttica a
quente
Secagem
Roto-evaporadora, spray drier
Ligantes,
lubrificantes
Conformao (prensagem
uniaxial, isosttica a frio)
Fluxograma geral de processamento dos
materiais a base de carbeto de silcio
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Biomateriais cermicos Definio, Estrutura Cristalina
Propriedades
Classificao funcional, Aplicaes
Processamento
Microestrutura, Propriedades mecnicas
Tipos de biocermicas: Usos, aplicaes, classificao
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Tipos de biocermicas
xidos simples
Covalentes
Fosfatos de clcio
Silicatos
Vitro-cermicas
Compsitos
Tipo de resposta material/tecido
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Produtos
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BIOCERMICAS
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USO CLNICO DAS BIOCERMICAS
Reparo craniano vidros bioativos
Reconstruo maxilofacial Al2O3, HA, HA-PLA, biovidro
Implantes dentrios Al2O3, biovidro, HA, recobrimto HA,
Aumento do rebordo alveolar Al2O3, HA, -TCP, HA+osso autgeno,HA-PLA, biovidro
Dispositivos percutneos vitro-cermica bioativa, biovidro, HA,recobrimento de carbono
piroltico
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USO CLNICO DAS BIOCERMICAS
Vlvulas cardacas recobrimento de carbono piroltico
Cirurgia da coluna vitro-cermica bioativa, HA
Reparo da crista ilaca vitro-cermica bioativa
Preenchimentos sseos -TCP, sais de fosfatos de clcio,grnulos de biovidro
Ortopedia Al2O3, zircnia, PE-HA, recobrimento deHA e de vitro-cermica
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Biocermicas
Densas
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BiocermicasPorosas
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BiocermicasRecobrimentos
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FORMA, FASE E FUNO DAS BIOCERMICAS
FORMA FASE FUNO
p policristalina preenchimento, tratamento teraputico,
vtrea regenerao de tecidos
recobrimento policristalina ligao tecidual, tromboresistncia, pro
vtrea teo contra corroso
vitro-cermica
slido cristalina substituio e aumento de tecido, substi
policristalina tuio de partes de tecidos
vtrea
vitro-cermica
compsito
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Composies de Biocermicas
Categoria Exemplo
xidos simples Alumina, zircnia
Covalentes Carbono LTI, TiN, SiC, Si3N4
fosfatos de clcio Hidroxiapatita, tri-fosfato de clcio
Silicatos Biovidros
Vitro-cermicas Apatita/Wollastonita (A/W)
Compsitos A/W vitro-cermica com adio de zircnia tetragonal
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CLASSIFICAO DE ACORDO COM
A RESPOSTA DO ORGANISMO
bioinerte biorreabsorvvel bioativo
Al2O3, ZrO2 fosfatos de clcio
fosfato triclcico
hidroxiapatita
biovidro
vitrocermicas
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BIOCERMICAS BIOINERTES
pouca ou nenhuma variao qumica durante longos perodos deexposio ao meio fisiolgico
a concentrao dos produtos de degradao facilmentecontrolada
a formao do tecido fibroso (encapsulamento) em geral muitofino (< 5m)
a unio entre o tecido e o implante em decorrncia deacoplamento mecnico ou em alguns casos, crescimento de tecido
sobre superfcies onduladas.
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Tipos de biocermicas
xidos simples
Covalentes
Fosfatos de clcio
Silicatos
Vitro-cermicas
Compsitos
Tipo de resposta material/tecido
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ALUMINA
Composio - Al2O3 Processamento: prensagem e sinterizao
(1600- 1800C)
Aditivo de sinterizao: MgO (< 0,5%), para aumentar a densidade e obter uma microestrutura com gros mais finos
Estrutura: policristalina, hexagonal Formas de aplicao: densa, como material estrutural
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ALUMINA (Al2O3)
excelente resistncia a corrosoalta resistncia mecnica
alta resistncia ao desgasteboa resistncia a flexo, a compresso e a fadiga
resiste ao impacto
Propriedades
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cabea e copo de prtese de fmurprtese de joelho com parte tibial de polmero (UHMWPE)em articulaes: tornozelo, cotovelo, ombro, pulsos, dedos
implantes dentriossubstituio parcial ou total do ossculo do ouvido mdio
anis de suporte para traquia liberao controlada de frmacos
parafusosreconstruo alveolar
reconstruo maxilofacial
ALUMINA (Al2O3)
Usos (forma densa, como material estrutural)
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ALUMINA
Durabilidade
previso - menos de 1 em 100 componentessubmetidos a mxima tenso de trao ( 100 mil cabeas de fmur implantadas/ano- o primeiro registro de implante de 1971 (Boutin)
vantagem - cabea e copo de alumina produzemmenos abraso do que cermica e polmero
desvantagens - maior causa de falha est na perda deaderncia do copo acetabular
- problemas para fixao
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ZIRCNIA
Composio - ZrO2
Origem - a partir de terras raras, por processos sol-gel
Estabilizao da fase - CaO, MgO, Y2O3
Estrutura - policristalina
Fases - tetragonal, monoclnica, cbica
Formas de Aplicao - densa, como material estrutural
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ZIRCNIA (ZrO2)
boa tenacidade a fraturaboa resistncia a flexomenor mdulo elstico
excelente resistncia a compresso, corroso e a fadiga
Propriedades
Usos (forma densa, como material estrutural)
Os mesmos da alumina
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Fase
Monoclnica
Tetragonal
Cbica
Temperatura de
transformao (C)
1000-2000
2000-2280
> 2280
Densidade (g/cm3)
5.56
6.10 (calc); 5.72 (exp)
6.09
Transformao tetragonal-monoclnica no resfriamento(1000800C) gera tenses aumento de 5% vol,
mudana de forma e quebra ao longo dos gros
Estabilizao CaO, MgO, Y2O3 estabiliza a fase cbica(total) ou cbica-tetragonal (parcial) a T ambiente
ZIRCNIA (ZrO2)
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ZIRCNIA (ZrO2)
baixa resistncia ao desgaste cermica - cermica
taxa de desgaste 5.000 vezes maior do que da alumina
problemas para fixao
desvantagens
alternativa : par zircnia/polmero
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Tipos de biocermicas
xidos simples
Covalentes
Fosfatos de clcio
Silicatos
Vitro-cermicas
Compsitos
Tipo de resposta material/tecido
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vidros que desencadeiam respostas biolgicasespecficas na interface com o implante resultandona formao de uma ligao do tecido com o material
vidros bioativos promovem reparao tecidual, noso txicos, no induzem respostas alrgicas oucarcinognicas, como confirmado por meio de testesin vitro e in vivo.
Vidros Bioativos(Larry L. Hench 1968)
bioatividade = habilidade de ligao com os tecidos moles e duros
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Diagrama dos Vidros Bioativos
SiO2
CaO
45S5 Bioglass
Ceravital
A-W Glass Ceramic
Na2O
Resorbable
Inert
Soft tissue bonding
Bioactive
~6wt% P2O5
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Reticulado dos Vidros Slica forma um reticulado molecular de baixa
solubilidade liberando ons (Na+, Ca2+, P5+, K+, etc) que estimulam a bioqumica do meio
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BIOVIDRO
Composio - SiO2, Na2O, CaO, P2O5, CaF2
Processamento - vidros fundidos
- vidros por sol-gel
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Aplicaes
raiz dentria, para minimizar absoro alveolar
espaadores da vrtebra
reconstruo maxilofacial
reconstruo do ouvido mdio
preenchimento de defeitos sseos
recobrimento
BIOVIDRO
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Formas de aplicao
densa de tamanho reduzido (fuso), como material de baixa solicitao mecnica
partculas ou grnulos (20-700m)
compsito polmero-vidro
sistemas injetveis com veculo solvel
recobrimentos
vidros por sol-gel dopados com Ag (bactericida), protenas e fatores de crescimento
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Composies Tpicas
SiO2 Na2O CaO P2O5 CaF2
45S5.4F 46.1 24.4 16.2 2.6 10.8
45S5 46.1 24.4 26.9 2.6 0
58S 60.0 0 36.0 4.0 0
77S 80.0 0 16.0 4.0 0
Vidros fundidos: bioativos at 60% slica
Vidros por sol-gel: bioativos at 85% slica
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Tipos de biocermicas
xidos simples
Covalentes
Fosfatos de clcio
Silicatos
Vitro-cermicas
Compsitos
Tipo de resposta material/tecido
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Vitro-Cermicas
micro-cristais precipitam-se sobre a matrizvtrea durante tratamento trmico, de formaespontnea ou germinada (adies de Pt, ZrO2)
resistncia mecnica aumenta de 34.5 MPapara 60-100 MPa ou mais
vitro-cermicas (Ceravital, A/W) apresentamsolubilidade mais baixa devido ao menor teorde lcali, favorecendo a formao de tecidocartilaginoso.
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Vitro-Cermicas - Composies
Cerabona A/W: (Ca10(PO4)6(O,F2) + wolastonita3CaO-P2O5-CaO.SiO2-MgO-CaO.2SiO2 tratados a 1050C (5C/min) formando oxiapatita granulada e -wolastonita fibrosa
Ceravital: SiO2-CaO-P2O5
Bioverit: Tipo I SiO2-Al2O3-MgO-Na2O-K2O-F-CaO-P2O5; Tipo II SiO2-Al2O3-MgO-Na2O-K2O-F; Tipo III CaO-Al2O3-P2O5-Na2O (ZrO2-FeO/Fe2O3)
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Tipos de biocermicas
xidos simples
Covalentes
Fosfatos de clcio
Silicatos
Vitro-cermicas
Compsitos
Tipo de resposta material/tecido
INTERFACE
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Ligao Bioativa
em gua destilada, solues tris-buffer,solues fisiolgicas simuladas, e em contatocom tecidos vivos, ocorre a troca inica entre asuperfcie dos vidros bioativos e o meio (Na+ eCa+ por H3O
+ )
o processo de dissoluo estimula a deposiode uma camada de Ca e P (HA-CO3
2-) sobre asuperfcie dos vidros, similar fase mineral deapatita biolgica do osso
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Ensaios de Bioatividade In Vitro
Imersos em soluo fisiolgica simulada (SimulatedBody Fluid - SBF) ou em meio de cultura a 37C porvrios perodos.
o pH estabilizado por adio de um tampo (tris-aminometano) 7.2-7.4
anlise qumica da soluo determina a concentraoe taxa de liberao dos elementos
anlise da superfcie do vidro por FTIR indica otempo para a formao de HA-CO32-
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Mecanismo de Formaoda Interface
(1) troca inica Na+, Ca2+ com H+ , H3O+
(2) perda da slica solvel quebra das ligaes Si-O-Si formao de Si-OH
(3) camada rica em SiO2 sobre condensao dos silanoisa superfcie
(4) filme amorfo rico em CaO-P2O5 precipitao de Ca2+ e PO43-
solveis
(5) cristalizao da HA-CO32- incorporao de OH-, CO32-
incorporao de fibras de colgeno sobre a camada de HA-CO32-
prolifera a produo de clulas sseas
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Formao de HA-CO32- em SBF
Na+
Ca2+OH- K+
HCO3-
PO42-
SO42-
Mg2+
Cl-
Si
Na+
Si
OH
Si
O
OH
O
Si
O
Si
OH
Si
O
OH OHOH
Si
Si
O
OH
Si
Si
O
OHOH
Ca2+ ONa+O
grupos SiOH
Na+
H3O+
SBF
Ca2+
Si
OH
Si
O
OH
O
Na+
Ca2+
OH- K+
HCO3-
PO42-
SO42-
Mg2+
Cl-
Si
Si
O
Si
OH
Si
O
OH OHOH
Si
Si
O
OH
Si
Si
O
OHOH
Na+
Ca2+ ONa+O
Apatita
Ca2+
PO42-
SBF
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Osteoconduo e osteoinduo
junto (in vivo) ou sobre a (in vitro) camada de Ca-P ocorre o crescimento perifrico de tecido sseo,
formando uma ligao contnua sem ndulos fibrosos:
a camada Ca-P atrai colnias de clulas parareconstruo do tecido, favorecida pela elevao do pH
este mecanismo verificado tanto em tecidos durosonde existem osteoblastos (osteoconduo) quanto emtecidos moles (osteoinduo), dependendo dacomposio do vidro
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Camada HA-CO32- sobre Silica Gel
A formao da camada de slica gel sobre os vidros em meio aquoso, pela condensao de grupos
SiOH na superfcie, estimula a nucleao de apatita
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Taxa da Resposta Biolgica
a resposta biolgica no deve ser muito rpida
ocorre formao catica de tecido, calosidades, cavidades, estrutura pouco conectada
infeces, enfraquecimento da estruturareduzindo a capacidade de regenerao
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Controle da Bioatividade
Composio qumica: teor de SiO2, CaO, CaF2, P2O5Na2O, K2O, MgO
Fase: cristalina, mista ou amorfa
Concentrao de lcalis (Ca, Na) solubilidade
Porosidade da estrutura
rea superficial especfica
Tamanho de partcula
Relao rea de superfcie/volume de soluo
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Relembrando...
Regenerao tecidual ssea
Osteognese: presena de clulas capazes de formar novo tecido sseo
Osteoconduo: as clulas devem ser capazes de aderir, crescer e atravessar todo o material
Osteoinduo: diferenciao fenotpica em osteoblastos a partir da presena de fatores que o estimulem
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Processos Biomimticos materiais bioinertes e/ou biotolerveis podem ter
camadas de HA-CO32- depositadas em suassuperfcies por meios in vitro
a deposio se faz pela imerso dos materiais emSBF na presena de vidros bioativos
dissoluo dos vidros causa supersaturao dasoluo, estimulando a nucleao de apatita sobre osmateriais inertes
crescimento dos cristais ocorre espontaneamenteat o consumo Ca e P da soluo
a interface possui boa aderncia e resiste a flexo
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Culture Implant
Harvest cells
Engenharia de Tecidos
tecidos crescem in vitro a partir de clulas do paciente, usando uma estrutura porosa
(scaffolds) como suporte alm da adio de fatores de crescimento e protenas.
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Requisitos dos Substratos
biocompatibilidade
mesoporosidade para adeso celular
macroporosidade para crescimento e direcionamentode tecido no interior
osteocondutividade e osteoindutividade
propriedades mecnicas adequadas
fcil conformao
degradao controlada
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3 cm
Espumas Bioativas
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500 m
1 m
estrutura macroporosa
textura mesoporosa
Espumas Bioativas