Introdução à Introdução à Ciência de Ciência de MateriaisMateriais

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BiomateriaisBiomateriais

Biomateriais são materiais (sintéticos ou Biomateriais são materiais (sintéticos ou naturais; sólidos ou, às vezes, líquidos) naturais; sólidos ou, às vezes, líquidos)

utilizados em dispositivos médicos ou em utilizados em dispositivos médicos ou em contacto com sistemas biológicos, ou ainda, contacto com sistemas biológicos, ou ainda, segundo a definição clássica, estes seriam segundo a definição clássica, estes seriam parte de um sistema que trata, aumenta ou parte de um sistema que trata, aumenta ou substitua qualquer tecido, órgão ou função substitua qualquer tecido, órgão ou função

do corpo do corpo

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BiomateriaisBiomateriais

Biocompatibilidade;Biocompatibilidade; Funcionalidade;Funcionalidade; Aplicação industrial;Aplicação industrial; Custo;Custo; Viabilidade industrial.Viabilidade industrial.

Excipientes são biomateriais????Excipientes são biomateriais????

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BiomateriaisBiomateriaisOperação unitária Status atual Melhorias Avaliação

Qualificação do ativo Utilização de especificações Farmacopeicas e internas

Inclusão de novos parâmetros como rugosidade, geometria e densidade real

Métodos preditivos como difração de raio X ou similares

Secagem Erro no ciclo de secagem

Caracterização do material no estado sólido durante a secagem

Controle de polimorfos na secagem

Mistura Variação do tipo de misturador e amostrador

Determinação do ponto ideal de mistura

NIR

Granulação Ponto final de granulação

Determinação do ponto de granulação por corrente elétrica ou resistência

Controle das características do granulo em tempo real como geometria e rugosidade

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Biomateriais/excipientesBiomateriais/excipientes Propriedades físicas, imuno-compatibilidade, Propriedades físicas, imuno-compatibilidade,

rugosidade, carga, inércia química entre outras rugosidade, carga, inércia química entre outras propriedades.propriedades.

Metais: titânio, aço, platina;Metais: titânio, aço, platina; Silicatos e vitro cerâmicas;Silicatos e vitro cerâmicas; Polímeros – grande maioria dos materiais Polímeros – grande maioria dos materiais

atuais. atuais.

66

– – Berzelius, 1827Berzelius, 1827

NATURAL ou SINTÉTICONATURAL ou SINTÉTICO

- - elastômeroselastômeros- - proteínasproteínas - termoplásticos- termoplásticos- polissacarídeos- polissacarídeos - termorrígidos - termorrígidos- gomas- gomas amorfosamorfos

cristalinoscristalinos Elastômeros: polímeros, que na temperatura ambiente podem ser alongados Elastômeros: polímeros, que na temperatura ambiente podem ser alongados

até duas ou mais vezes seu comprimento e retornam rapidamente ao seu até duas ou mais vezes seu comprimento e retornam rapidamente ao seu comprimentocomprimento

Os termoplásticos são aqueles que amolecem ao serem aquecidos, podendo ser Os termoplásticos são aqueles que amolecem ao serem aquecidos, podendo ser moldados, e quando resfriados ficam sólidos e tomam uma nova forma. Esse moldados, e quando resfriados ficam sólidos e tomam uma nova forma. Esse processo pode ser repetido várias vezes. Correspondem a 80% dos plásticos processo pode ser repetido várias vezes. Correspondem a 80% dos plásticos consumidos.consumidos.

Os termorígidos ou termofixos são aqueles que não derretem e que apesar de Os termorígidos ou termofixos são aqueles que não derretem e que apesar de não poderem ser mais moldados, podem ser pulverizados e aproveitados como não poderem ser mais moldados, podem ser pulverizados e aproveitados como carga ou serem incinerados para recuperação de energia.carga ou serem incinerados para recuperação de energia.

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– – ClassificaçõesClassificações

MonômeroMonômero

OligômeroOligômero

PolímeroPolímero

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– – ClassificaçõesClassificações

Forma molecular:Forma molecular:

99

Comportamento mecânico:Comportamento mecânico:

1010

Estrutura química:Estrutura química:

# Poliolefinas - polipropileno, polibutadieno, poliestireno

# Poliésteres - poli(tereftalato de etileno), policarbonato

# Poliéteres - poli(óxido de etileno), poli(óxido de fenileno)

# Poliamidas - nylon, poliimida

# Polímeros celulósicos - nitrato de celulose, acetato de celulose

# Polímeros acrílicos - poli(metacrilato de metila), poliacrilonitrila

# Polímeros vinílicos - poli(acetato de vinila), poli(álcool vinílico)

# Poliuretano

# Resinas formaldeídicas - resina fenol-formol, resina uréia-formol

1111

Variedade de meros:Variedade de meros:

- homopolímeros- homopolímeros

- copolímeros- copolímeros

estatístico/aleatório/randômicoestatístico/aleatório/randômico

alternadoalternado

em blocoem bloco

graftizadograftizado

1212

– – NomenclaturaNomenclatura

- baseada no(s) monômero(s) de origem – polietileno - baseada no(s) monômero(s) de origem – polietileno

- baseada na estrutura do polímero - nylon- baseada na estrutura do polímero - nylon

- nomes comerciais- nomes comerciais(*) (*) - isopor - isopor

1313

– – NomenclaturaNomenclatura

*para copolímeros;*para copolímeros;

-co- = estatístico-co- = estatístico

-alt- = alternado-alt- = alternado

-b- = bloco-b- = bloco

-g- = graftizado-g- = graftizado

1414

– – Peso molecular e Peso molecular e distribuição de distribuição de peso molecularpeso molecular

- Em compostos simples = - Em compostos simples = cte!cte!

- Em sistemas poliméricos - Em sistemas poliméricos distribuição de peso distribuição de peso molecular e peso molecular médio – Massa molar em molecular e peso molecular médio – Massa molar em g/mol -1g/mol -1

PESO MOLECULAR NUMÉRICO MÉDIO – MnPESO MOLECULAR NUMÉRICO MÉDIO – Mn

PESO MOLECULAR PONDERAL MÉDIO – MwPESO MOLECULAR PONDERAL MÉDIO – Mw

PESO MOLECULAR VISCOSÍMETRICO MÉDIO – MvPESO MOLECULAR VISCOSÍMETRICO MÉDIO – Mv

Mw > Mv > MnMw > Mv > Mn

1515

– – Peso molecular e Peso molecular e distribuição de distribuição de peso molecularpeso molecular

- Se: cadeias iguais - Se: cadeias iguais Mn = Mw Mn = Mw

Mw/Mn = 1 Mw/Mn = 1 monodisperso monodisperso

- Se: cadeias diferentes - Se: cadeias diferentes Mw > MnMw > Mn

Mw/Mn > 1 Mw/Mn > 1 polidisperso polidisperso

- Distribuição estreita: 1,0 < Mw/Mn < - Distribuição estreita: 1,0 < Mw/Mn < 2,02,0

- Distribuição larga: Mw/Mn > 2,0- Distribuição larga: Mw/Mn > 2,0

1616

- Para polímeros lineares e ramificados: normalmente - Para polímeros lineares e ramificados: normalmente são encontrados líquidos que dissolvem o polímero são encontrados líquidos que dissolvem o polímero completamente para formar uma solução homogêneacompletamente para formar uma solução homogênea

- Para polímeros reticulados: quando em contato com - Para polímeros reticulados: quando em contato com líquidos compatíveis irão apenas incharlíquidos compatíveis irão apenas inchar

Em um bom solvente (altamente compatível com o polímero) as interações líquido-polímero expandem novelo polimérico.

Em um mau solvente há pouca interação líquido-polímero e a expansão do novelo polimérico ou perturbação é restrita.

1717

O estado sólido dos materiais poliméricos O estado sólido dos materiais poliméricos pode ser dividido, quanto ao estado pode ser dividido, quanto ao estado ordenado das cadeias:ordenado das cadeias:

- estado cristalinoestado cristalino- estado amorfoestado amorfo

1818

Estado cristalinoEstado cristalino

A cristalinidade pode ser conceituada como um arranjo ordenado e A cristalinidade pode ser conceituada como um arranjo ordenado e uma repetição regular de estruturas atômicas ou moleculares, no uma repetição regular de estruturas atômicas ou moleculares, no espaço.espaço.

Os tipos de cadeias as quais esperam que recristalizem são:Os tipos de cadeias as quais esperam que recristalizem são:- cadeias simétricas, as quais permitem o empacotamento regular;cadeias simétricas, as quais permitem o empacotamento regular;- cadeias possuindo grupos que estimulam fortes atrações cadeias possuindo grupos que estimulam fortes atrações

intermoleculares.intermoleculares.

1919

Estado cristalinoEstado cristalino

**Tm = temperatura de fusão cristalinaTm = temperatura de fusão cristalina

Fatores que afetam a cristalinidade e a Tm:Fatores que afetam a cristalinidade e a Tm:- um arranjo empacotado das cadeias possa ser alcançado um arranjo empacotado das cadeias possa ser alcançado

em 3 dimensões ;em 3 dimensões ;- uma variação favorável na energia interna seja obtida uma variação favorável na energia interna seja obtida

durante este processo.durante este processo.

2020

Estado amorfoEstado amorfo

Uma cadeia polimérica linear pode ser tratada como um “sistema Uma cadeia polimérica linear pode ser tratada como um “sistema cooperativo uni-dimensional” no qual a rotação de um segmento de cooperativo uni-dimensional” no qual a rotação de um segmento de cadeia é limitado ou auxiliado por segmentos vizinhos.cadeia é limitado ou auxiliado por segmentos vizinhos.

Qualquer movimento significativo de uma cadeia como tal é gerado por Qualquer movimento significativo de uma cadeia como tal é gerado por rotação em torno das ligações simples que conectam os átomos na rotação em torno das ligações simples que conectam os átomos na cadeia.cadeia.

À medida que o movimento molecular em um polímero amorfo aumenta, a À medida que o movimento molecular em um polímero amorfo aumenta, a amostra passa de um estado vítreo para um borrachoso e até, amostra passa de um estado vítreo para um borrachoso e até, finalmente, tornar-se fundido.finalmente, tornar-se fundido.

2121

Estado amorfoEstado amorfo

**Tg = temperatura de transição vítreaTg = temperatura de transição vítrea

Quando um polímero está a uma temperatura abaixo da sua Tg, o movimento de Quando um polímero está a uma temperatura abaixo da sua Tg, o movimento de cadeia está congelado (~ sólido). À medida que a temperatura vai aumentando, cadeia está congelado (~ sólido). À medida que a temperatura vai aumentando, um número maior de cadeias começa a se mover com maior liberdade.um número maior de cadeias começa a se mover com maior liberdade.

A transição do estado vítreo para o borrachoso é uma característica importante do A transição do estado vítreo para o borrachoso é uma característica importante do comportamento do polímero.comportamento do polímero.

As mudanças são completamente reversíveis, entretanto a transição de um vidro As mudanças são completamente reversíveis, entretanto a transição de um vidro para uma borracha é função do movimento molecular, NÃO da estrutura do para uma borracha é função do movimento molecular, NÃO da estrutura do polímero.polímero.

2222

Estado amorfoEstado amorfo

Fatores que afetam a Tg:Fatores que afetam a Tg:

- flexibilidade da cadeiaflexibilidade da cadeia- estrutura molecular (efeitos estéricos)estrutura molecular (efeitos estéricos)- peso molecularpeso molecular- ramificação e ligações cruzadasramificação e ligações cruzadas

2323

Flexibilidade da cadeiaFlexibilidade da cadeia

2424

Estrutura molecularEstrutura molecular

Os fatores estéricos que afetam a flexibilidade da Os fatores estéricos que afetam a flexibilidade da cadeia são, simplesmente, contribuições cadeia são, simplesmente, contribuições adicionais aos efeitos da cadeia principal.adicionais aos efeitos da cadeia principal.

*grupos laterais: tamanho, flexibilidade e *grupos laterais: tamanho, flexibilidade e polaridadepolaridade

2525

Peso molecular (massa molarPeso molecular (massa molar))

A massas molares elevadas, a temperatura de A massas molares elevadas, a temperatura de transição vítrea é essencialmente cte quando transição vítrea é essencialmente cte quando medida por qualquer método, mas diminui à medida por qualquer método, mas diminui à medida que a massa molar da amostra diminui.medida que a massa molar da amostra diminui.

2626

Massa Molecular Numérica Média (Mn):Massa Molecular Numérica Média (Mn): pelo número de cadeiaspelo número de cadeias massa molecular de todas as cadeias, dividida pelo número total de cadeiasmassa molecular de todas as cadeias, dividida pelo número total de cadeias

Mn = Mn = NiMi / NiMi / NiNi

Ni = número de cadeiasNi = número de cadeias

Mi = massa molecular das cadeiasMi = massa molecular das cadeias

Massa Molecular Ponderal Média (Mw):Massa Molecular Ponderal Média (Mw): pela massa das cadeiaspela massa das cadeias massa molecular de cada fração contribui de maneira ponderada para o massa molecular de cada fração contribui de maneira ponderada para o

cálculo da média.cálculo da média.

Mw = Mw = Ni(Mi)2 / Ni(Mi)2 / NiMiNiMi

Massa Molecular Viscosimétrica Média (Mv) e Massa Molecular Média ZMassa Molecular Viscosimétrica Média (Mv) e Massa Molecular Média Z

(Mz):(Mz):

).(

).(2

3

ii

iiz

Mn

MnM

).(

).( 1

ii

aii

vMn

MnM

2727

Ligações cruzadasLigações cruzadas

Quando ligações cruzadas são introduzidas no polímero, a Quando ligações cruzadas são introduzidas no polímero, a densidade da amostra é aumentada proporcionalmente. À densidade da amostra é aumentada proporcionalmente. À medida que a densidade aumenta, o movimento molecular medida que a densidade aumenta, o movimento molecular na amostra é restringido e a Tg aumenta.na amostra é restringido e a Tg aumenta.

Para uma alta densidade de ligações cruzadas, a transição é Para uma alta densidade de ligações cruzadas, a transição é larga e mal definida, mas para valores mais baixos, a Tg larga e mal definida, mas para valores mais baixos, a Tg aumenta linearmente com o número de ligações cruzadasaumenta linearmente com o número de ligações cruzadas..

2828

- Tração (E)Tração (E)

- Cisalhamento (G)Cisalhamento (G)

- Compressão (K)Compressão (K)

2929

Curvas tensão-deformação:Curvas tensão-deformação:

3030

A Tm é uma transição de 1a ordem e é a temperatura de fusão dos domínios cristalinos de uma amostra de polímero.A Tm é uma transição de 1a ordem e é a temperatura de fusão dos domínios cristalinos de uma amostra de polímero.

A Tg é uma transição de 2a ordem e é a temperatura na qual o domínio amorfo de um polímero readquire progressivamente a sua mobilidade.A Tg é uma transição de 2a ordem e é a temperatura na qual o domínio amorfo de um polímero readquire progressivamente a sua mobilidade.

Determinam a faixa de temperatura na qual o polímero pode ser empregadoDeterminam a faixa de temperatura na qual o polímero pode ser empregado

O fato de uma amostra de polímero exibir as duas transições ou apenas uma delas depende da sua morfologia: polímeros completamente amorfos apresentam apenas Tg; polímeros completamente cristalinos apresentam apenas Tm.

3131

NanocompósitosNanocompósitos

3232

NanopartículasNanopartículas

= Relaciona-se com a pesquisa, o desenvolvimento e a produção de materiais e sistemas cujas propriedades físicas, químicas e biológicas são novas devido ao tamanho nanométrico.