Materiais Cerâmicos – Ciência e aplicação como Biomateriais

Sumário

IntroduçãoProcessamento de materiais cerâmicosPropriedades mecânicasCerâmicas utilizadas como biomateriais

IntroduçãoA característica comum a estes materiais é serem constituídos de elementos metálicos e elementos não metálicos, ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente .Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão.São geralmente isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos, em faixas específicas de temperatura).São comumente estáveis sob condições ambientais severas.Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis.Os principais materiais cerâmicos são:

Materiais Cerâmicos Tradicionais : cerâmicas estruturais, louças, refratários (provenientes de matérias primas argilosas).Vidros e Vitro-Cerâmicas.Abrasivos.Cimentos.Cerâmicas “Avançadas” : aplicações eletro-eletrônicas, térmicas, mecânicas, ópticas, químicas, bio-médicas.

Classificação

ConvencionaisEstruturais

Vidros

Louças

Cimentos

AvançadasEletrônicos

Ópticos

Biomateriais

Introdução

ÓculosFibra óptica para biosensores e endoscópiosSuportes porosos para biomoléculasCerâmicas usadas em odontologia, para dentaduras e coroasImplantesGeralmente utilizados para reparo em tecidos conectivos duros do esqueleto

Aplicações

Aplicações

Processamento de Cerâmicas

Processamento de Cerâmicas - Vidros

vidrofundido

molde

arcomprimido

placa de vidro

queimadorvidro

fundido

Processamento de CerâmicasMuitos materiais cerâmicos têm elevado ponto de fusão e apresentam

dificuldade de conformação passando pelo estado líquido. A plasticidade necessária para sua moldagem é conseguida antes da

queima, por meio de mistura das matérias primas em pó com um líquido.

PROCESSAMENTO

Preparação da matéria prima em pó.Mistura do pó com um líquido (geralmente água) para formar um material conformável : suspensão de alta fluidez (“barbotina”) ou massa plástica.Conformação da mistura (existem diferentes processos).Secagem das peças conformadas.Queima das peças após secagem.Acabamento final (quando necessário).

Processamento de Cerâmicas

Secagem de Peças Cerâmicas

Na secagem ocorre perda de massa e retração pela remoção gradativa de umidade.A peça seca pode passar por uma etapa de acabamento:

acabamento superficial e montagem das peças (por exemplo, asas das xícaras).aplicação de esmaltes ou vidrados.

Queima das Peças

As peças são queimadas geralmente entre 900oC e 1400oC. Esta temperatura depende da composição da peça e das propriedades desejadas. Durante a queima ocorre um aumento da densidade e da resistência mecânica devido à combinação de diversos fatores.Na queima ocorrem os seguintes fenômenos:

Eliminação do material orgânico (dispersantes, ligantes, material orgânico nas argilas)decomposição e formação de novas fases de acordo com o diagrama de fases (formação de alumina, mulita e vidro a partir das argilas)Sinterização (eliminação da porosidade e densificação)

Sinterização

Comportamento Mecânico de Cerâmicas

Apresentam maior módulo de elasticidade (ligações químicas mais fortes)Baixas densidadesDurosBaixa ductibilidade (em geral frágeis)

As cerâmicas apresentam intrinsicamente uma enorme resistência ao movimento das discordâncias

Deformação plástica em cerâmicasCerâmicas Cristalinas:

O deslocamento de discordâncias é muito difícil – íons com mesma carga elétrica são colocados próximos uns dos outros – REPULSÂO;

No caso de cerâmicas onde a ligação covalente predomina o escorregamento também é difícil – LIGAÇÃO FORTE.

Cerâmicas Amorfas:Não há uma estrutura cristalina regular – NÃO HÁ DISCORDÂNCIAS;Materiais se deformam por ESCOAMENTO VISCOSO.A resistência à deformação em um material não-cristalino é medida por

intermédio de sua viscosidade.

Comportamento Mecânico de Cerâmicas

Materiais essencialmente frágeis e apresentam fratura frágilResistência de cerâmicas é definida em termos da resistência à fraturaResistência à fratura teórica pode ser definida como a tensão necessária para quebrar as ligações atômicasO valor teórico é muito maior que o medido experimentalmente → presença de defeitos

Comportamento tensão-deformação

Não é avaliado por ensaio de tração:É difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida;É difícil prender e segurar materiais frágeis;As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que exige que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados.

Resistência à flexão

a

L

a

b d

Flexão com 3 pontos

D

X-Section

F

Comportamento elástico

0.00100.00080.00060.00040.00020.00000

100

200

300

Bending Strain

Ben

ding

Str

ess,

MPa

Aluminum Oxide

Soda-Lime Glass

Comportamento Mecânico de Cerâmica

Segundo a Teoria de Griffith – a fratura ocorre devido à concentração de tensões na ponta de trincas ou outros defeitos

Metais – a deformação plástica na ponta da trinca age no sentido de diminuir o efeito de intensificação de tensõesCerâmicas – quando a tensão na ponta da trinca atinge um valor crítico, ela continua a propagar-se

Tenacidade a Fratura

Modelo de Griffith:Todos os materiais contêm trincas ou defeitos.Kc ou KIC tenacidade à fratura (MN m-3/2)A falha ocorre quando K excede o valor crítico do material Gc tenacidade (ás vezes, taxa de liberação de energia de deformação crítica) (kJ m-2)

cc EGaK == πσ

Tenacidade a fratura indica a facilidade com que uma trinca se propaga num dado material

Tenacidade a Fratura

Obtenção de cerâmicas de tamanho de grão expecionalmente finos e de alta densidade;Introdução de tensões residuais de compressão na superfície dos materiais onde as trincas têm maior probabilidade de se iniciar – vidro temperadoEnvolvimento de partículas cerâmicas com uma fase mais tenazDesenvolvimento de compósitos de matriz cerâmica com partículas ou fibras cerâmicas dispersasAumento de tenacidade por transformação de fase –cerâmicas a base de zircônia

Cerâmicas usadas na medicina

Elevada estabilidade química, biocompatibilidade melhor do que os metais e excelentes propriedades tribológicasUtilizados normalmente para reparo e substituição dos tecidos conectivos duros

Interação do biomaterial

Resposta dos tecidos aos implantesReabsorvíveis: o material dissolve ou édecomposto, o tecido vizinho o substitui – Ex: fosfato de tricálcio e os vidros bioativosInertes: Formação de cápsulas fibrosas em torno do implante – Ex: óxidos de Al, Ti, ZrBioativo: Formação de ligação interfacial – Ex.: Hidroxiapatita

Biocerâmicos – Fixação aos tecidos

Denso (não poroso) e inerte: osso cresce nas irregularidades da superfície, ajuste sob pressão no defeito ou cimentação - fixação morfológica

Movimento relativo entre o material e a cápsula - causam falhaPoroso e inerte: tecido cresce intenamente aos poros do material (fixação biológica)

Mais estável, estruturalmente fraco (rachaduras de corrosão), melhores como revestimento,

Denso, não poroso e com superfície reativa: ligação química ao osso (fixação bioativa)

Superfície ativa, biovidros, HA, e compósitosDensos, não porosos e reabsorvíveis: substituição lenta pelo osso

Taxa de reabsorção, metabólicos (fosfato tricálcico)

Cerâmicas Inertes

Nenhum material é realmente inerte – quase inertesNão são solúveis no meio fisiológico –estáveis com o tempoFixação através de ancoramento mecânico

Uma cápsula fina de tecido fibroso se forma em torno do implanteAlumina, Zircônio e materiais a base de carbono

Alumina

Pode ser utilizada na forma densa ou porosaα-Al2O3 policristalina, produzida por prensagem e sinterização em torno de 1600ºCUtilizada principalmente em ponto de apoio de carga em próteses de quadril e implantes dentais resistência à corrosão, boa

biocompatibilidade, alta resistência à abrasão e alta resistência mecânica à compressão

Propriedades da Alumina

Propriedade Valor% Al2O3 ≥ 99,50 % SiO2 + Na2O < 0,1 Densidade (g/cm3) ≥ 3,90 Tamanho médio de grão (μm) < 7 Dureza Vickers (HV) > 2.000 Módulo de ruptura à flexão (MPa) >400

Alumina – Aplicação

Alumina

Quando utilizadas em prótese de quadril devem ser polidas conjuntamente (esfera e acetápulo) para permitir um elevado grau de esfericidade e baixo grau de fricção entre as duas superfíciesO coeficiente de fricção das superfícies alumina-alumina tende a diminuir com tempo – se aproximando de valores próximo aos de articulação normalOcorre adsorção de moléculas biológicas

Zircônia – ZrO2

Possui maior tenacidade à fratura, maior resistência mecânica à flexão e menor módulo de elasticidadeTipos de Zircônia para implantes:

Zircônia tetragonal estabilizada com ítria (TZP)Zircônia parcialmente estabilizada com magnésia (Mg-PSZ)

Propriedades

875Tenacidade à fratura (MN/m3/2)

208150400Módulo de elasticidade(MPa)

1.8502.0004.250Resist. à Compressão(MPa)

8001.000595Resist. Flexão (MPa)

Mg-PSZTZPAl2O3Propriedade

Zircônia

Poderia ser um candidato para substituição da Alumina onde o material seja submetido a cargas e abrasão, mas:

Possível redução da resistência dos material quando submetido a meios fisiológicosDesgaste mais acentuado quando em meio fisiológicosRadioatividade do material – presença de impurezas radioativas

Carbono

Três tipos de carbonos são utilizados em equipamentos médicos:

Carbono pirolítico (contém 20% de sílica)Carbono vítreoCarbono depositado por vapor

Em contraste com o grafite têm empilhamento desordenado, não havendo orientação preferencial dos cristalitosAlta resistência a tração e deformações em baixos valores de tensões

Carbono Pirolítico

é obtido através da deposição de carbono, a partir de um leito fluidizado, em um substrato. O leito fluidizado é formado a partir da pirólisede gás hidrocarbônico em temperaturas na faixa de 1000-2500°CProduz uma camada de até 1mm de espessura sobre o substrato

Carbono Vítreo

Aparência negra e brilhante Material cristalino com reduzido tamanho de grãoObtido pelo aquecimento controlado de corpos poliméricos, permitindo a saída de materiais voláteis

Carbono depositado por vapor

Evaporação de átomos de carbono de uma fonte de carbono aquecida, condensada sobre um substrato cerâmico, metálico ou poliméricoEspessura do recobrimento – cerca de 1μmNão modifica a topografia ou as propriedades do substrato e ainda confere biocompatibilidade ao material

Propriedades Mecânicas

É possível a obtenção de materiais com baixo módulo de elasticidade (20GPa) e alta resistência mecânica (275 a 620MPa)Deformações ~ 2% sem ocorrer fratura do materialExtremamente tenazes (carbono pirolítico -5,5MJ/m3; Alumina - 0,18MJ/m3)Deformação de fratura do carbono depositado a vapor é superior a 5,0%Alta resistência ao desgaste

Aplicação

Próteses, sendo que, no caso do carbono pirolítico, é muito comum a utilização em válvulas cardíacas e camadas cardiovasculares.

Propriedades que tornam este material apropriado para este uso incluem boa resistência, durabilidade e, mais importante, “trombo-resistência”, ou habilidade de suportar coagulação sangüínea

Carbono pirolítico também é utilizado em pequenas juntas ortopédicas como dedos e inserções espinhais

Cerâmicas Bioativas

Material capaz de ligar-se ao tecido ósseoFormação de uma camada de hidroxiapatitacarbonatada (HCA) na superfície do implante → fase equivalente em composição e estrutura à fase mineral do ossoPrincipalmente na recuperação ou substituição de ossos

Vidros biotaivosVitrocerâmicosCerâmicas de fosfato de cálcio

Vidros

O vidro projetado para provocar uma específica resposta biológica através de reações controladas de superfícieComposição: CaO, P2O5 e Na2O SiO2 (Bioglass)Possibilita a ligação do tecido ósseo por meio da deposição de uma camada HCA

Vidros

Seqüência de reações:Perda de sílica solúvel e formação de silanol (Si-OH);Policondensação de grupos silanol para formar um gel de sílica hidratadaFormação de uma camada de fosfato de cálcio amorfaCristalização de uma camada de HCA

Composição – altamente reativaSiO2 menos de 60%Na2O e CaO em níveis elevadosCaO/P2O5 Relação elevada

Vidros

Vidros

Podem ser obtidos pelo método convencional de fusão e resfriamento rápido ou pelo método sol-gel

Temperaturas mais baixasControle da estrutura de poros do gel, de acordo com a biotividade e biodegradabilidade desejadaAté 100% SiO2 – ampla área superficial e grande concentração de grupos silanol

Vidros

Vidros

Dois métodos sol-gel:Transformação de suspensões coloidais em gelHidrólise e condensação controlada de percursores de alcóxidos metálicos

Criação de uma rede tridimensional, interconectada, denominada gel, a partir de

uma suspensão de partículas pequenas, colidais (partículas menores que 100nm),

chamada sol

Vitrocerâmicos – vidro contendo fases cristalinas numa matriz vítrea por meio de tratamentos térmicosCeravital® - inicialmente aplicações em locaissolicitados por cargas, substituição de ossosou dentes → baixas propriedades mecânicasMica ou wolastonita – usinadas facilmentepor meio de ferramentas diamantadasmelhores propriedades mecânicas

Vitrocerâmicas bioativas

Vidros e Vitrocerâmicas bioativas

Vidros e Vitrocerâmicas bioativas

Vidros e Vitrocerâmicas bioativas

Fosfatos de cálcio

Utilizado na substituição do tecido ósseo ocorre em conseqüência da identidade em termos de composiçãoFavorece a interação tecido vivo e o materialClassificação – razão molar Ca/P

Fosfatos de cálcio

Hidroxiapatita

Principais aplicações:Reparo de defeitos ósseos em aplicações odontológicas e ortopédicas;Aumento de rebordo alveolar;Coadjuvante na colocação de implantes metálicos;Regeneração guiada de tecidos ósseos;Equipamentos percutâneos;Reparo e substituição de paredes ósseas;Substituição do globo ocular;Reconstrução bucomaxilofacial;Recobrimento de implantes metálicos.

Cimentos de fosfato de cálcio

O cimento ósseo é colocado nos espaços vazios entre o implante e a superfície óssea endosteal, endurecendo em pouco tempo e assegurando a firme colocação da protésePrincipais vantagens:

Não é necessário dar forma à cavidade;Preparação realizada durante a cirurgia;Ótimo contato entre osso e implante;Biocompatibilidade e bioatividade.

Formas de Uso e aplicações clínicas

Utilizado na forma de pó com composição e granulometria controladas – implantado na região lesada do tecido ósseo → função principal é preencher o espaço e participar do processo de regeneração natural do tecidoutilizadas na forma de implantes e próteses → alto módulo de elasticidade e baixa tenacidade a fratura

Formas de Uso e aplicações clínicas

Combinação com outros materiais de forma a melhorar o comportamento mecânico, mantendo as características bioativas

Recobrimento de peças metálicasCombinação de partículas ou fibras com um material polimérico

Formas de Uso e aplicações clínicas

Cerâmicas Porosas

Dá suporte à parte fisiologicamente ativa no reparo do tecido naturalPoros interconectados com tamanho suficiente para que possa hospedar componentes celulares e extracelulares dos ossos →crescimento do tecido

Fixação biológica Fixação bioativa

Cerâmicas Porosas

Aplicação:Recobrimento porosos em implantes metálicosPreenchimento de defeitos ósseos em geralEngenharia de tecidos

Principais materiais:Fosfatos de cálcioVidros bioativos, alumina, titâniaAlguns materiais metálicos (Ligas Co-Cr e Ti)Polímeros (PE e PMMA)