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INTRODUÇÃO AOS BIOMATERIAISINTRODUÇÃO AOS BIOMATERIAIS

Profa. Ms. Helainne T. Girão

II Semana da Química da II Semana da Química da Faculdade de Educação de Faculdade de Educação de Crateús – FAEC - UECECrateús – FAEC - UECE

26 a 30 de Agosto de 2013

Universidade Estadual do Ceará

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Revisando...

O que é um biomaterial?

Por que surgiram?

Quais as áreas que os Biomateriais podem ser estudados nos Materiais? E na Biologia?

Quais as áreas de estudo, que interdisciplinadas, estudam os Biomateriais?

Quais as classes dos Biomateriais?

Lembram de um pouco da História dele?

E as falhas? Por que ocorrem?

Revisando...

Quais as principais características que os biomateriais precisam ter?

Para que eles podem servir? Qual a utilidade deles?

Como podemos fazer a classificação deles?

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Características dos Biomateriais

Os biomaterias precisam ser:

Biocompatíveis;

Bioinertes;

Bioativos;

Atóxicos.

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Utilidade dos Biomateriais

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Substituição de parte do corpo;

Anormalidades (lesão da medula espinhal);

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=wjs_XviYJ-gjFM&tbnid=vc5k_EsO0U1CcM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fsushicomlasanha.com.br%2Fuma-solucao-melhor-para-a-sua-velha-dor-nas-costas-de-um-novo-biomaterial%2F&ei=8CQaUqLoEYOa9QSogoGQDg&bvm=bv.51156542,d.eWU&psig=AFQjCNE1Ixi4h1DwIMLh7KLrvIy58OUF8g&ust=1377531329835816

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=cA4aI-l_z5JNwM&tbnid=NkTxJKQwp1bFBM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fsotstenio.blogspot.com%2F2009%2F04%2Fartroplastia-do-quadril.html&ei=yyUaUtHqNoLA8AS6yIDoCg&bvm=bv.51156542,d.eWU&psig=AFQjCNE1Ixi4h1DwIMLh7KLrvIy58OUF8g&ust=1377531329835816


Assitir a uma função (marca-passo, stent, catetér);

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Assistir à cura (estrutural, sutura, liberação controlada de fármacos);

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Técnica de Engenharia de tecidos


Fios de sutura

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Classificação dos Biomateriais

Segundo a natureza de fabricação;

Segundo resposta do tecido em que serão implantados ;

Segundo a performance mecânica;

Segundo a durabilidade mecânica;

Segundo as propriedades físicas.

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Técnicas de Caracterizações

Ópticas;

Térmicas; Mecanicas; Elétricas;

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Seleção de Materiais

Propriedades Físicas, Químicas e Mecânicas;

Resistência;

Módulo Elasticidade, Torsão ou Flexão (↓ Carga- Elastômeros);

Fadiga (suportar esforços sem provocar trincas - poliuretano, poliestér e metais em geral);

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Rugosidade (Integração Tecido - Implante como Implantes endoósseos ↑);

Taxa de Permeação;

Absorção de água - Certos materiais sofrem mudanças drásticas quando úmido em relação as propriedades vistas anteriormente;

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Bioestabilidade ;

Bioatividade;

Esterilização – Altera o estado energético da superfície de um implante, alterando resposta celular (Polímero – Raios Gama)

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Processamento dos materiais

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Classificação das Biocerâmicas

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Tipo de Biocerâmica Interações com tecidos

Exemplos

INERTENão há interações químicas nem biológicas

Alumina

POROSOSOcorre o crescimento interno dos tecidos através dos poros

Aluminatos e HAP porosas

BIOATIVOSOcorre uma forte ligação na interfase osso-implante

Biovidros, HAP e Vitro-Cerâmicas

REABSORVÍVEISSão degradadas e substituídas pelos tecidos

Fosfatos Tricálcio

Materiais Naturais

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Colágeno– Proteína animal fibrosa;– Função estrutural (presente em tendões, ossos,

vossos sangüíneo, intestino e cartilagem, etc);– Corresponde a 30% da massa protéica total dos

mamíferos;– Possui aproximadamente 3042 resíduos de

aminoácidos.

Materiais Naturais

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QUITOSANA– A quitosana é um polímero obtido a partir da N-

desacetilação da quitina. Esse biopolímero é o componente estrutural da casca de crustáceos, insetos, moluscos e é encontrado em células de alguns microrganismos.

– Aplicações• Agente de Preenchimento Biológico;• Sistemas de Liberação de Drogas;• A quitosana e seus derivados tem sido explorados como

membranas para hemodiálise;

Propriedades dos Materiais

Característica de um material expressa em termo de resposta medida por um estímulo específico na qual é imposto.

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1. Ópticas :

Usa como estimulo a radiação eletromagnética ou luminosa, ocasionando índice de refração e refletividade;

Tipos de meios:

Transparente;

Translúcidos;

Opacos.

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2. Elétricas:

O campo elétrico é estimulo para a condutividade elétrica e a constante dielétrica.

A taxa de aplicação e duração da aplicação do campo Elétrico depende da espessura e geometria da amostra.

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Cerâmicas 60 Hz 1 MHzCerâmicas a base de Titanatos - 15 – 10000

Mica - 5,4 - 8,7

Sílica Fundida 4,0 3,8

Porcelana 6,0 6,0

Polietileno 2,3 2,3

Nylon 6,0 6,0

Hidroxiapatite - 5,8 (filme)


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Outras Características Elétricas dos Materiais:

Ferroeletricidade– Definição: Materiais dielétricos

com polarização espontânea, isto é, polarização na ausência de campo.

– Ex. BaTiO3 (Perovskita)

– OBS: Acima de 127ºC, torna-se cúbica

Tc


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Piezeletricidade

Quando determinado material é induzido a polarização e um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação de forças externas.


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Magnetismo– Fenômeno, segundo a qual os materiais impõe uma

força ou influência atrativa ou repulsiva sobre outros materiais.

Dipolos Magnéticos– As forças magnéticas são geradas pelos

movimentos de partículas carregadas eletricamente.


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As propriedades magnéticas macroscópicas dos materiais são uma consequência dos momentos magnéticos que estão associados aos e- individuais.

Momento magnético líquido de um átomo é a soma dos momentos magnéticos de cada um dos seus elétrons constituintes.

OBS: Átomos que possuem camadas eletrônicas totalmente preenchidas não são capazes de serem magnetizados permanentemente . (Ex.: gases inertes como He, Ne, Ar, etc..

Propriedades dos Materiais: Tipos de Magnetismo

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Diamagnetismo:

Forma muito fraca de magnetismo que é não permanente e que persiste somente enquanto um campo externo está sendo aplicado.;

Paramagnetismo: Uma forma relativamente fraca de magnetismo que resulta do alinhamento independente dos dipolos atômicos.


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Ferromagnetismo:

Materiais metálicos possuem momento magnético permanente na ausência de campo externo, manifestando magnetizações muito grandes e permanentes.

H = 0

OBS: Materiais dia e paramagnéticos são considerados não-magnéticos, pois exibem magnetização só quando se encontram em presença de campo externo.


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Representa em termos de Capacidade Calorífica e condutividade Térmica;

Entende-se como a resposta de um material à aplicação de calor.

Calor

T α


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Capacidade Calorífica

Propriedade que serve como indicativo da habilidade de um determinado material tem para absorver na sua vizinhança.

dT

dQC = Energia exigida para produzir

uma variação de temperatura

Cal / mol.K ou J / mol.K

OBS: Por unidade de massa representa o calor específico (J / Kg.K)


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Material Resistência a Flexão (MPa)

Modulo de Elasticidade (GPa)

ZrO2 800 - 1500 205

Vitro Cerâmicos 247 120

Sílica Fundida 110 73

Vidro de Cal de Soda

69 69

Esmalte Dente 70 14

Osso 150 20

HAP 100 10

Tabela de Resistência a Flexão e Módulo de Elasticidade

Exemplos de caracterizações das amostras.

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Hidroxiapatita

Ca10(PO4)6(OH)2

Gráfico HAP eHAP Comercial


37 Micrografias de HAP


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Intensidade (u.a.)

Energia (Kev)


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Testes “in vitro” e “in vivo”

Testes “in vitro” Tipo de resposta da interface tecido-material; Imersão do material num meio acelular Composição idêntica à do plasma humano Imersão do material num meio celular

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Testes Biológicos OBS: Ambas com condições rigorosamente

controladas e apenas determinam se o material é ou não potencialmente bioativo.

Os pontos acima indicados são estudados através de técnicas como a microscopia eletrônica (SEM)

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Testes “In Vivo” São fundamentais, uma vez que a

bioatividade, isto é, capacidade que o material tem para induzir a precipitação de estruturas apatíticas à sua superfície, só é confirmada através deles.

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Testes em Coelhos da Raça New Zaeland Massa Corpórea: 2,5 Kg Perfuração do Fêmur: 1,6 mm de Ø por 3,3 mm

‡ Irrigação: Soro Fisiológico; Ao furo foi adicionado HA misturado ao sangue

do animal

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Testes “in vivo” e “in vitro”

Fechou-se o local com a pele do animal e suturou-se;

Tratamento Pós Operatório: O animal foi submetido a tratamento com

penicilina, subcutânea de Flunixin Meglumina durante 3 dias e Rifamicina para cicatrização;

Não houve restrições na mobilidade do animal no período pós-cirúrgico.

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Testes “in vivo” e “in vitro”

O dia de implantação da amostra foi considerado como dia zero ;

Após 30 dias, o fêmur foi extraído e colocado em solução de formol 10 % antes de iniciar sua preparação para a análise histológica.

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Micrografias dos Ensaios Histológicos

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Conclusões dos estudos “in vivo”

A análise de bioatividade mostra que todas as amostras implantadas nos coelhos podem ser consideradas biocompatíveis, já que são consideradas não tóxicas e não causam inflamação e rejeitos na parte do animal, durante o período de implantação;

As amostras implantadas nos coelhos apresentam nova formação do tecido ósseo com a presença de células osteocítas.

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Sites interessantes

http://www.materiais.ufc.br/ - Eng. de Materiais www.fisica.ufc.br/ http://www.ppgeti.ufc.br/ - Eng. De Teleinformática www.deq.ufc.br/deq/deq_ppgeq_programa.php - Eng. Química www.pgquim.ufc.br – Química www.ppgo.ufc.br – Odontologia www.bioquimica.ufc.br – Bioquímica www.ppgb.ufc.br – Boitecnologia www.labomar.ufc.br – Ciencias Marinhas Tropicais – Labomar www.fitotecnia.ufc.br – Agronomia: Fitotecnia www.solos.ufc.br – Agronomia: Solos e Nutrição de Plantas

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Bibliografia

http://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-051j-materials-for-biomedical-applications-spring-2006/lecture-notes/lecture1.pdf

http://www.uweb.engr.washington.edu/research/tutorials/introbiomat.html Ferreira Junior, L. D, Desenvolvimento e Aplicações de

biocerâmicas, Apresentação no Power Point, UFC, Fortaleza, 2007. Luiz Henrique Catalani, Introdução à ciência dos biomateriais, Apresentação em PDF, USP, São Paulo. Silva, C.C, Introdução aos Biomateriais, Apresentação no Power Point, UFC, Fortaleza, 2007. http://www.scielo.br/pdf/po/v15n1/24189.pdf A

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