Transcript Introdução aos Biomateriais

MATERIAIS CERÂMICOS
Biomateriais
Classificação dos materiais cerâmicos baseada na
aplicação
PROPRIEDADES
 dureza
 resistência a abrasão
 refratariedade
isolamento térmico
 isolamento elétrico
 não magnético
 resistência a oxidação
 quimicamente estável
 frágil
USO CLÍNICO DAS BIOCERÂMICAS
Reparo craniano
vidros bioativos
Reconstrução maxilofacial
Al2O3, HA, HA-PLA, biovidro
Implantes dentários
Al2O3, HA, recobrimento de HA, biovidro
Aumento do rebordo alveolar
Al2O3, HA, -TCP, HA+osso autógeno,
HA-PLA, biovidro
Dispositivos percutâneos
vitro-cerâmica bioativa, biovidro, HA,
recobrimento de carbono pirolítico
Válvulas cardíacas
recobrimento de carbono pirolítico
Cirurgia da coluna
vitro-cerâmica bioativa, HA
Reparo da crista ilíaca
vitro-cerâmica bioativa
Preenchimentos ósseos
-TCP, sais de fosfatos de cálcio,
grânulos de biovidro
Ortopedia
Al2O3, zircônia, PE-HA, recobrimento de
HA e de vitro-cerâmica
Biocerâmicas
Densas
Biocerâmicas
Porosas
Biocerâmicas
Vidro e vitro-cerâmicas
Biocerâmicas
Recobrimentos
Composições de Biocerâmicas
Categoria
Exemplo
Óxidos simples
Alumina, zircônia
Covalentes
Carbono LTI, TiN, SiC*, Si3N4*
Sais de cálcio
Hidroxiapatita, fosfatos de
cálcio, tri-fosfato de cálcio, etc.
Silicatos
Biovidros
Vitro-cerâmicas
Apatita/Wollastonita (A/W)
Compósitos
A/W vitro-cerâmica com
adição de zircônia tetragonal
FORMA, FASE E FUNÇÃO DAS BIOCERÂMICAS
Larry L. Hench, 1993
FORMA
FASE
FUNÇÃO
pó
policristalina
vítrea
preenchimento, tratamento terapêutico,
regeneração de tecidos
recobrimento
policristalina
vítrea
vitro-cerâmica
ligação tecidual, tromboresistência, proteção contra corrosão
sólido
cristalina
policristalina
vítrea
vitro-cerâmica
compósito
substituição e aumento de tecido, substituição de partes de tecidos
BIOCERÂMICAS BIOINERTES
E/OU
BIOTOLERÁVEIS
Óxidos
Propriedades
Alumina
Y-TZP zircônia
Mg-PSZ zirconia
Comp. Química
Al2O3+MgO (<0.5%) ZrO2+ Y2O3
ZrO2 + MgO
< 0.02 SiO2+Na2O %
Densidade
3.98 g.cm-3
Tipo de material corindon
zirconia tetragonal zirconia parcial/te
policristalino
policristalina
estabilizada
Norma
ISO 6474
ISO/DIS 13356
Módulo elástico
Dureza
Resist. a compr.
Resist. a flexão
Tenac. fratura
Tam. de grão
380-420 GPa
> 2000 HV
4000-4500 MPa
> 595 MPa
4-6 MPa m1/2
< 2 m
210 GPa
1250 HV
> 900 MPa
210 GPa
1250 HV 0.1
> 500 MPa
8 MPa m1/2
< 0.5 m
10 MPa m1/2
30 m
ALUMINA
 Composição - Al2O3
 Processamento - prensagem e sinterização (14001600ºC)
 Aditivo de sinterização - MgO (< 0,5%), para
aumentar a densidade e obter uma microestrutura com
grãos mais finos
 Estrutura - policristalina, hexagonal
 Formas de aplicação - densa, como material
estrutural
ALUMINA
 Características biológicas - inerte e/ou tolerável,
biocompatível
 Propriedades
 excelente resistência a corrosão
 alta resistência mecânica
 alta resistência ao desgaste: baixo coeficiente de
fricção e desgaste
 boa resistência a flexão
 excelente resistência a compressão
 excelente resistência a fadiga
 resiste ao impacto
ALUMINA
 Aplicações
 cabeça e copo de prótese de fêmur
 prótese de joelho com parte tibial de polímero
(UHMWPE)
 em articulações: tornozelo, cotovelo, ombro, pulso,
dedos
 implantes dentários
 substituição parcial ou total do ossículo do ouvido
médio
 anéis de suporte para traquéia
 liberação controlada de fármacos
 parafusos
 reconstrução alveolar
 reconstrução maxilofacial
ALUMINA
 Durabilidade
 previsão - menos de 1 em 100 componentes
submetidos a máxima tensão de tração (<200MPa)
falhariam em 30 anos
 uso - > 100 mil cabeças de fêmur implantadas/ano
- o primeiro registro de implante é de 1971
(Boutin)
 vantagem - cabeça e copo de alumina produzem
menos abrasão do que cerâmica e polímero
 desvantagens - maior causa de falha está na perda
de aderência do copo acetabular
- problemas para fixação
ZIRCÔNIA
 Composição - ZrO2
 Estabilização da fase - CaO, MgO, Y2O3
 Estrutura - policristalina
 Fases - tetragonal, monoclínica, cúbica
 Formas de Aplicação - densa, como material estrutural
Óxido de zircônio - fases
Fase
Temperatura de
Densidade (g/cm3)
transformação (°C)
Monoclínica 1000-2000
5.56
Tetragonal 2000-2280
6.10 (calc);5.72 (exp)
Cúbica
6.09
> 2280
 Transformação tetragonal-monoclínica no resfriamento
(1000800°C)  gera tensões  aumento de 5% vol,
mudança de forma e quebra ao longo dos grãos
 Estabilização CaO, MgO, Y2O3  estabiliza a fase
cúbica (total) ou cúbica-tetragonal (parcial) a T ambiente
ZIRCÔNIA
 Características biológicas - inerte e/ou tolerável,
biocompatível
 Propriedades
 boa tenacidade a fratura
 boa resistência a flexão
 menor módulo elástico
 excelente resistência a compressão
 excelente resistência a corrosão
 excelente resistência a fadiga
BIOCERÂMICAS BIOTIVAS
 biovidro
 vitrocerâmicas
 Fosfatos: HA, TCP, cimentos, recobrimentos
Vidros Bioativos
(Larry L. Hench 1968)
 vidros que desencadeiam respostas biológicas
específicas na interface com o implante resultando
na formação de uma ligação do tecido com o material
 vidros bioativos promovem reparação tecidual, não
são tóxicos, não induzem respostas alérgicas ou
carcinogênicas, como confirmado por meio de testes
in vitro e in vivo.
bioatividade = habilidade de ligação com os tecidos
moles e duros
BIOVIDRO
 Composição - SiO2, Na2O, CaO, P2O5, CaF2
 Processamento - vidros fundidos
- vidros por sol-gel
Composições Típicas
45S5.4F
45S5
58S
77S
SiO2
Na2O CaO P2O5 CaF2
46.1
46.1
60.0
80.0
24.4
24.4
0
0
16.2
26.9
36.0
16.0
2.6
2.6
4.0
4.0
10.8
0
0
0
Vidros fundidos: bioativos até 60% sílica
Vidros por sol-gel: bioativos até 85% sílica
Processamento: Vidros Fundidos
Peças densas:
 Fusão de sílica, soda, cálcio e outros óxidos de alta
pureza a ~1300-1450°C em cadinhos de platina
 Vertimento
em moldes de grafite/aço e
resfriamento
 Tratamento térmico a 450-550°C
 Corte com ferramentas de diamante; polimento
Grânulos e pós:
 Vidro fundido é resfriado em ar ou água, seco
rapidamente para evitar corrosão, moído e separado
em peneira
Biovidros Fundidos - Propriedades







módulo elástico 30- 35 GPa (~ osso cortical)
boa resistência a compressão
alta solubilidade
baixa dureza
baixa resistência mecânica
baixa tenacidade a fratura
baixa resistência a flexão 40- 60 MPa
Biovidros por Sol-Gel - Propriedades


Mesoporosidade (20-500 Å) intrínseca aumenta a
bioatividade, permite rápida adesão celular, e
adsorção de fatores de crescimento e proteínas
para acelerar regeneração tecidual
A estrutura altamente porosa permite expandir a
faixa de composição dos vidros com teores de álcali
mais baixos e de sílica mais alto
Vitro-Cerâmicas
 micro-cristais precipitam-se sobre a matriz vítrea
durante tratamento térmico, de forma espontânea
ou germinada (adições de Pt, ZrO2)
 resistência mecânica aumenta de 34.5 MPa para 60100 MPa ou mais
 vitro-cerâmicas
(Ceravital,
A/W)
apresentam
solubilidade mais baixa devido ao menor teor de
álcali, favorecendo a formação de tecido
cartilaginoso.
Vitro-Cerâmicas



Cerabone A/W
Ceravital
Bioverit
ISO 23317 – 2007 - Implants for surgery - In vitro evaluation
for apatite-forming ability of implant materials.
Tadashi Kokubo and Hiroaki Takadama. How useful is SBF in
predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials 27 (2006)
2907–2915
BIOVIDRO
Aplicações
 raiz dentária, para minimizar absorção alveolar
 espaçadores da vértebra
 reconstrução maxilofacial
 reconstrução do ouvido médio
 preenchimento de defeitos ósseos
 recobrimento
Formas de aplicação
densa de tamanho reduzido (fusão), como material de
baixa solicitação mecânica
partículas ou grânulos (20-700m)
compósito polímero-vidro
sistemas injetáveis com veículo solúvel
recobrimentos
vidros por sol-gel dopados com Ag (bactericida),
proteínas e fatores de crescimento
Hidroxiapatita (HA)
forma de aplicação: grânulos, pó, densa e porosa
 vantagem:
 alta biocompatibilidade
 osteocondutiva
 desvantagem:
 baixa resistência mecânica
 quando de origem animal, problemas com
impurezas e contaminações
Propriedades da HA
Propriedades
Densidade
Resistência a
compressão
Resistência a flexão
Tenacidade a fratura
Módulo elástico
Dureza
Ponto de fusão
Valor padrão
3.16 g/cm3
(teórica)
100--200 MPa
< 100 MPa
< 1 MPa m1/2
max. 100 GPa
500 HV
1650 °C
Bioativo,
Osteocondutor
Cor
Observação
HA é sempre porosa
Depende da porosidade
Similar a do vidro de janela
Depende da porosidade
Similar ao vidro de janela
Decomposição > 1300 °C
Interage com o meio fisiológico
Branca, azulada
Depende da matéria-prima
Métodos de recobrimento

CVD (chemical vapor deposition)

Deposição por plasma (plasma-spraying)

Imersão em soluções particuladas

Método biomimético

Deposição eletroquímica

Deposição por sol-gel


Recobrimento de monetita e conversão para HA pela
imersão em bases NH4OH, NaOH, KOH
Deposição por laser pulsado
APLICAÇÕES CLÍNICAS DA HA
 raiz dentária para minimizar a reabsorção do rebordo
alveolar e manter as dimensões alveolares
 aumento do rebordo alveolar para melhor fixação de
próteses dentárias
 reconstrução maxilofacial
 preenchimentos de defeitos ósseos ao redor de implantes
 carga em compósitos e cimentos
 recobrimento sobre próteses metálicas, poliméricas
 cimento ósseo de fosfato de cálcio