Introdução à ciência dos biomateriais

Luiz Henrique Catalani

Laboratório de Biomateriais Poliméricos

http://www2.iq.usp.br/docente/lhc/

Bibliografia

Biomaterials Science, B. D. Ratner, A. S. Hoffman, F. J. Schoene J.E. Lemons, Elsevier, 2nd Ed. 2004.

Biomateriais, Fundamentos e Aplicações, R.L. Oréfice, M.M. Pereira, H.S. Mansur, 1a Ed. Cultura Médica, 2006.

Polymer Chemistry, C.E. Carraher Jr., Marcel Dekker, 6th Ed. Polymer Chemistry, C.E. Carraher Jr., Marcel Dekker, 6th Ed. 2003.

Textbook of Polymer Science, F.W. Billmeyer Jr., Wiley, 3rd

Ed., 1984.

O que é um “Biomaterial”?

Quais áreas devem ser incluidas no Quais áreas devem ser incluidas no estudo de “Biomaterials”?

Seis definições de um “Biomaterial”

1. non-viable material used in a medical device, intended to interact with biological systems.

ESB Consensus Conference I

2. material intended to interface with biological systems to evaluate, treat, augment or replace any tissue, organ or function of the body

ESB Consensus Conference II - Note – Esta é uma versãorefinada que exclue materiais não-viáveis

3. synthetic, natural or modified natural material intended to be in contact and interact with the biological system

ISO – não recomendada pois implica que “tecidos” são biomateriaise devido a ambiguidade da frase “em contato”

4. any substance (other than a drug), synthetic or natural, that can be used as a system or part of a system that treats, augments, or replaces any tissue, organ, or treats, augments, or replaces any tissue, organ, or function of the body.

Dorland Medical – não recomendada pois não faz referências à interfaces

5. solid materials which occur in and are made by living organisms, such as chitin, fibrin or bone.

Larousse Science – não recomendada pois limita a origen biológica

6. a systemically and pharmacologically inert substance designed for implantation within or in corporation with designed for implantation within or in corporation with living systems

The Clemson University Advisory Board for Biomaterials –quando biomateriais era visto como algo inerte para atingirbiocompatibilidade, o que não é mais o caso.

“Biomateriais” são substâncias das quaispodem ser fabricados dispositivos queinteragem com sistemas biológicos

1. Dispositivo é algo conceitualizado e fabricado parauma função particular.

2. A substância tem propriedades ideais para o correto2. A substância tem propriedades ideais para o corretofuncionamento do dispositivo.

3. A substância não deve (idealmente) degradar o sistema biológico.

4. O estudo de biomateriais é a descrição e prediçãodo comportamento de tais substâncias no contextodo funcionamento do dispositivo e o ambientebiológico a que se insere.

Duas áreas genéricas que abrangem“Biomateriais”

Materials DisciplinesChemistryPhysicsThermodynamicsSurface scienceMetallurgy

Biological DisciplinesAnatomySurgeryOrthopedicsDentistryPhysiologyMetallurgy

CeramicsPolymer ScienceCompositesHydrogelsPhysical testingMechanical eng.Design eng.----

PhysiologyToxicologyMolecular biologyCellular biologyBiochemistryImmunology----

“Biomateriais” – necessário em vista da inabilidadede tratar condições a não ser através de substituição, inserção ou regeneração

1. Substituição de parte do corpo que perdeu suafunção (quadril/fêmur, joelho, coração)função (quadril/fêmur, joelho, coração)

2. Corrigir anormalidades (lesão da mesula espinhal)

3. Assitir a uma função (marca-passo, stent)

4. Assistir a cura (estrutural, sutura, liberaçãocontrolada de fármacos)

5. Materiais para engenharia de tecidos

O comportamento do biomaterial dependerádo ambiente no qual o dispositivo devefuncionar

MEDICAL DEVICE EXAMPLES ANNUAL #(U.S.) Sutures (temporary or bioresorbable) 250 M** Catheters (fluid transport tubes) 200 M Blood Bags 40 M Contact Lenses 30 M Contact Lenses 30 M Intraocular Lenses 2.5 M Knee and Hip Prostheses 0.5 M Breast Prostheses (cancer or cosmetic) 0.25 M Dental Implants 0.9 M Renal Dialyzers (patients) 0.3 M Oxygenators/CPB’s (cardiopulmonary bypass 0.3 M

system - facilitates open heart surgery) Vascular Grafts 0.3 M Pacemakers (pulse generators) 0.4 M

Mercado global em 2003 ( bUS$)

Biomateriais é uma ideiaantiga…antiga…

On this 3000 year old mummy, there is evidence that an ancient Egyptian physician crafted this prostheses to help an ailing prostheses to help an ailing patient--in this case, a 50–60 year old woman whose toe had been amputated or lost in an accident. The “biomaterial” that he used was wood.

Historicamente, biomateriais eram comunspara médicos e sacerdotes

1. Ouro foi usado como reparo dental por chineses, astecas e romanos a até 2000 atrás.

2. Já em 1775, ferro e latão foram eram usados parareparo de fêmur fraturado.reparo de fêmur fraturado.

3. O primeiro olho de vidro foi produzido em 1832 pelovidreiroLudwig Müller-Uri em Lauscha, Alemanha.

4. Indígenas da America central e Africa utulizavampinças de formigas para costura de ferimentos.

5. George Washington (1732-1799) tinha dentes de marfim.

Portrait of George Washington by American artist Gilbert Stuart

George Washington’s false teeth on view in New York have teeth set in jointed metal frames, operated with a spring loaded opening mechanism. (Treasures from Mount Vernon: George Mount Vernon: George Washington Revealed, NY 1999). One of the teeth is Washington's own. The others were carved from “biomaterials”, cow's tooth and hippopotamus ivory, by his dentist Doctor John Greenwood in 1793

It is said that George Washington appears uncomfortable on the US dollar because of the pain caused by his false teeth. It is currently speculated that the spring mechanism required GW to forcibly hold his mouth closed, which accounts for the expression on his face.

Biomateriais Projetados

A falha dos primeiros materiais ocorreuporque não foi dada atenção à adequabilidade biológica dos materiais

A abordagem contemporânea é o A abordagem contemporânea é o desenvolvimento racional de materiais parafabricação de dispositivos médicos baseadosem um melhor entendimento da sua função e da interface entre o material e o ambiente no qual o dispositivo deve funcionar.

Dados sobre o ambiente biológico

Value Location pH 6.8 Intracellular 7.0 Interstitial 7.15-7.35 Blood pO2 2-40 Interstitial (mm Hg) 40 Venous 100 Arterial Temperature 37 Normal Core Temperature 37 Normal Core 28 Normal Skin Mechanical Stress 4x107 N m-2 Muscle (peak stress) 4x108 N m-2 Tendon (peak stress) Stress Cycles (per year) 3x105 Peristalsis 5x106 - 4x107 Heart muscle contraction

Nm-2 unidade de tensão mecânica

O ambiente “in vivo” não é estático

A vida não é uma condição estável. É um processo dinâmico metaestávelconstantemente trocando energia e material com o mundo externo para produzir trabalho.

Um dispositivo efetivo deve ser fabricado de um material que não desordene o processometaestável nem a performande do dispositivo.

Biocompatibilidade

É a habilidade do material de atuar com umaresposta apropriada do hospedeiro em umaaplicação específica.

A interação de contato do biomaterial com o ambiente biológico ocorre na interface do material. A biocompatibilidade serádeterminada pelas interações que ocorremdeterminada pelas interações que ocorremnesta interface.

Onde a célula faz a ligação(ancoragem) dependerá das propriedades específicas da área.

Um exemplo histórico

Artroplastia total de quadril(total hip replacement: THP)

Ao longo dos séculos, o tratamento de disfunção das juntas do quadril desenvolveu-disfunção das juntas do quadril desenvolveu-se como uma das intervenções cirurgicasmais bem sucedidas da história.

•O objetivo é restaurar a função, alinhamento da junta e reduzir a dor.

•Existem dois tipos de intervenção:

•Seção da junta com remoção de parte do ossoenrijecido, criando um vazio preenchido por tecido

Artroplastia

http://www.healthline.com/galecontent/arthroplasty?utm_term=arthroplasty%20&utm_medium=mw&utm_campaign=article

cicatrizante (junta é menos estável)

•Reconstrução interposicional: cirurgia parareformatação da junta e uso de prótese de recobertura (plástico, metal, tecido biológico etc).

•Em caso de falha, há necessidade de substituição da junta por prótese total (artroplastia).

1. Anterior superior iliac spine2. Ilium3. Anterior inferior iliac spine4. Pelvic brim5. Acetabular fossa6. Head of femur7. Fovea8. Superior ramus of pubis

9. Obturator foramen10. Inferior ramus of pubis11. Pubic symphysis12. Ischium13. Lesser trochanter14. Intertrochanteric crest15. Greater trochanter16. Neck of femur

• 1700s: excisão da junta é praticada como reação aogrande número de amputações.

• Anthony White (1782-1849) primeira artroplastia.

• John Rhea Barton (1826) primeir a osteotomia(joelho) em Filadelfia.

• Themistocles Glück (alemão, 1891) desenvolveu• Themistocles Glück (alemão, 1891) desenvolveuuma bola e soquete de marfim fixados ao osso com parafusos de níquel.

• Sir Robert Jones usou uma tira de folha de ouropara reconstruir cabeças femurais

Total Hip Replacement

In 1938, Phillip Wiles (1899-1966) of the Middlesex Hospital in London described the first total hip arthroplasty (THA) using precisely fitted stainless steel ball on the femur which was fixed to the bone with screws and bolts, with a stainless steel acetabulum lining.a stainless steel acetabulum lining.

Many of the surgical records for this procedure were lost during WW II. Unfortunately, however, this design and these materials did not achieve satisfactory results. Poor corrosion resistance of the material along with high stress concentrations on the short stem caused this system to fail.

THR Improvements

Inspired by the stem, improvements in material and design were made by G. K. McKee, a trainee with Wiles. In collaboration with J. Farrar, they developed the McKee-Farrar device. This THR had chrome cobalt metal on metal articulation, and both the metal articulation, and both the acetabular and femoral components were fixed with cement.

Modern Prototype

Professor Sir John Charnley was convinced that the metal on metal articulation of the McKee joint was unsatisfactory. He felt that a high frictional torque would eventually loosen the fixation of the McKee components in their bony bed. He began a search for self-lubricating bearings, and this search took him into the field of polymers and his first attempt at hip arthroplasty in the early 1950's was a Teflon on Teflon bearing used as a resurfacing for Teflon on Teflon bearing used as a resurfacing for the arthritic femoral head and acetabulum. Unfortunately the Teflon on Teflon bearings wore out within two years.

In 1960 he introduced what is considered the prototype of the modern hip THR device, a metal femoral component with an acetabular cup made of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE).

Sir John Charnley was a master surgeon, innovator and bio-engineer. He invented the low friction hip replacement in the early 1960s at the Center for Hip Surgery at Wrightington, England. Surgeons from all over the world made their way to Wrightington to learn his techniques.

http://www.hipsandknees.com/hip/charnley.htm

Today, THR is the most successful prosthetic implant surgery. Failure of below 1% per year is observed when surgery performed by specialist. THR has proven very successful for mature and elderly group, however it has not performed as well in the younger more active group.

Further THR Development

Understandably, surgeons and design engineers have tried to improve the conventional hip replacement particularly for use in more active patients. These alterations in design have focused on improving fixation of components, improving wear of the articulating parts and improving the mechanical transition from the natural bone to the implant. These are basic biomaterials questions…

UHMWPE is the primary biomaterialused to replace cartilage

– Wear particle generation in UHMWPE leads to inflammation, osteolysis, loosening

• Reduction of wear will greatly enhance

������������ ������� ������� ��� �

Reconstrução de menisco:

33

• Reduction of wear will greatly enhancecomponent life

• Understanding underlying degradationmechanisms is key to future solutions

• Improved surface properties could preserve the desirable bulk properties while reducing friction and wear

Reconstrução de ligamento:e-PTFE Anterior Cruciate Ligament

34

Reparo de cartilagem: crescimentocelular sobre suportes de PLA

35Wyre et al. (2000)

5 µµµµmchondrocytes on PEMA/THFMA

Válvulas cardiacas artificiais

36

Tratamento de doençasvasculares: STENTS

37

38

Artifical Heart

LVAS: left ventricular assist systemPump Drive Unit

39

• Stored energy propels pusher plates of blood sac• When solenoid is de-energized, pump passively refills• Balanced, symmetrical drive system eliminates torque

Reconstrução odontológica

40

Biomateriais em oftalmologia

Pálpebra: retração, perda Fios, tubos, placas, Silicone, nylon, tefron, dracon, polietileno

41

Pálpebra: retração, perdade tecido periorbitário

Fios, tubos, placas, lâminas, esponjas

Silicone, nylon, tefron, dracon, polietileno poroso, PLLA, HAp, PMMA, enxerto autólogo

Vias lacrimais Plugs, inserts, tubos e stents

Silicone, celulose, vidro pyrex, malha de aço

Orbita: fraturas, cavidades anolftálmicas

Fios, gel, placas, folhas, lâminas , parafusos, esferas

Aço, titânio, silicone, PTFE, HAp,biocerâmicas, enxerto dermoadiposoautólogo

Lentes intra-oculares Lente ótica Silicone, acrílicos, hidrogéis, collamer®

Outros: vitreo, córnea, retina, esclera

vários