introdução aos biomateriais-aula2
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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?
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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);
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Utilidade dos Biomateriais
Assitir a uma função (marca-passo, stent, catetér);
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Utilidade dos Biomateriais
Assistir à cura (estrutural, sutura, liberação controlada de fármacos);
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Técnica de Engenharia de tecidos
Utilidade dos Biomateriais
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Fios de sutura
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Utilidade dos Biomateriais
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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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Seleção de Materiais
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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Seleção de Materiais
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
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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.
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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;
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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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Propriedades dos Materiais
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Propriedades dos Materiais
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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Propriedades dos Materiais
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Propriedades dos Materiais
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Propriedades dos Materiais
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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Propriedades dos Materiais
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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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Propriedades dos Materiais
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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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Propriedades dos Materiais
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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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Propriedades dos Materiais
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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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Propriedades dos Materiais
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Propriedades dos Materiais
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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..
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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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Propriedades dos Materiais
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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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Propriedades dos Materiais
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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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Propriedades dos Materiais
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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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Propriedades dos Materiais
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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
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Exemplos de caracterizações das amostras.
36
Hidroxiapatita
Ca10(PO4)6(OH)2
Gráfico HAP eHAP Comercial
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Exemplos de caracterizações das amostras.
37 Micrografias de HAP
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Exemplos de caracterizações das amostras.
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Intensidade (u.a.)
Energia (Kev)
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Exemplos de caracterizações das amostras.
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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 “in vitro” e “in vivo”
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 vitro” e “in vivo”
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 “in vitro” e “in vivo”
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
48
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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
49