Introdução aos Biomateriais
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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
(1000800°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 (20-700m)
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