Resumo Biomateriais - Cap 1

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Resumo Biomateriais 
o Introdução: 
→ A estrutura de um material refere-se geralmente ao arranjo dos seus componentes internos. Os 
elementos estruturais podem ser classificados com base no tamanho e, nesse sentido, existem vários 
níveis: 
− Estrutura subatômica: envolve os elétrons no interior dos átomos individuais, suas energias e 
interações com os núcleos. 
− Estrutura atômica: está relacionada com a organização de átomos para gerar moléculas ou 
cristais. 
− Nanoestrutura: trata de agregados de átomos que formam partículas (nanopartículas) que 
possuem dimensões em escala nanométrica (menores do que aproximadamente 100 nm). 
− Microestrutura: aqueles elementos estruturais que estão sujeitos à observação direta usando 
algum tipo de microscópio (características estruturais que possuem dimensões entre 100 nm e 
vários milímetros). 
− Macroestrutura: elementos estruturais que podem ser vistos a olho nu (com uma faixa de 
escalas entre vários milímetros e da ordem de um metro). 
 
→ Uma propriedade é uma característica de um dado material, em termos do tipo e da magnitude da sua 
resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. Podem ser agrupadas em seis categorias 
diferentes: mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e deteriorativa: 
− Propriedades mecânicas: relacionam a deformação a uma carga ou força que é aplicada; os 
exemplos incluem o módulo de elasticidade (rigidez), a resistência e a tenacidade. 
− Propriedades elétricas: o estímulo é um campo elétrico aplicado; às propriedades típicas 
incluem a condutividade elétrica e a constante dielétrica. 
− Propriedades térmicas: estão relacionadas a variações na temperatura ou gradientes de 
temperatura ao longo de um material; exemplos de comportamento térmico incluem a expansão 
térmica e a capacidade calorífica. 
− Propriedades magnéticas: as respostas de um material à aplicação de um campo magnético; as 
propriedades magnéticas comuns incluem a susceptibilidade magnética e a magnetização. 
− Propriedades ópticas: o estímulo é a radiação eletromagnética ou a radiação luminosa; o índice 
de refração e a refletividade são propriedades óticas representativas. 
− Características deteriorativas: estão relacionadas com a reatividade química dos materiais; por 
exemplo, a resistência à corrosão dos metais. 
 
→ Além da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência 
e engenharia de materiais, quais sejam: o processamento e o desempenho. No que se refere às relações 
entre esses quatro componentes, a estrutura de um material depende de como ele é processado. Além 
disso, o desempenho de um material é uma função das suas propriedades. 
 
 
 
 
→ Classificação dos materiais: 
− Os materiais sólidos foram convenientemente agrupados em três categorias básicas: metais, 
cerâmicas e polímeros, um esquema baseado sobretudo na composição química e na estrutura 
atômica. A maioria dos materiais se enquadra em um ou outro grupo distinto. 
 
− Os metais são compostos por um ou mais elementos metálicos (por exemplo, ferro, alumínio, 
cobre, titânio, ouro, níquel), e com frequência também elementos não metálicos (por exemplo, 
carbono, nitrogênio, oxigênio) em quantidades relativamente pequenas. 
• Os átomos dos metais e as suas ligas estão arranjados segundo uma maneira muito 
ordenada e, em comparação às cerâmicas e aos polímeros, são relativamente densos. 
• Em relação às características mecânicas, esses materiais são relativamente rígidos e 
resistentes, e ainda assim são dúcteis (ou seja, são capazes de grandes quantidades de 
deformação sem sofrer fratura) e são resistentes à fratura. 
• Os materiais metálicos possuem grandes números de elétrons não localizados — isto é, 
esses elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular. Muitas das propriedades 
dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons. Por exemplo, os metais são 
condutores de eletricidade e de calor extremamente bons e não são transparentes à 
luz visível; uma superfície metálica polida possui uma aparência brilhante. 
• Além disso, alguns metais (isto é, Fe, Co e Ni) têm propriedades magnéticas desejáveis. 
 
 
 
 
 
− As cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos; com maior 
frequência, são óxidos, nitretos e carbetos. Por exemplo, os materiais cerâmicos comuns incluem o 
óxido de alumínio (ou alumina, Al2O3), o dióxido de silício (ou sílica, SiO2), o carbeto de silício 
(SiC), o nitreto de silício (Si3N4) e, ainda, o que alguns chamam de as cerâmicas tradicionais — 
aqueles materiais compostos por minerais argilosos (por exemplo, a porcelana), assim como o 
cimento e o vidro. 
• Em relação ao comportamento mecânico, os materiais cerâmicos são relativamente 
rígidos e resistentes — os valores de rigidez e de resistência são comparáveis aos dos 
metais. 
• Ademais, as cerâmicas são tipicamente muito duras. Historicamente, elas sempre 
exibiram extrema fragilidade (ausência de ductilidade) e são altamente suscetíveis à 
fratura. Entretanto, novas cerâmicas estão sendo engenheiradas para apresentar uma 
melhor resistência à fratura; esses materiais são usados como utensílios de cozinha, em 
cutelaria e até mesmo em peças de motores de automóveis. 
• Além disso, os materiais cerâmicos são tipicamente isolantes à passagem de calor e 
eletricidade (isto é, possuem baixas condutividades elétricas) e são mais resistentes a 
temperaturas elevadas e a ambientes severos que os metais e os polímeros. 
• Em relação às suas características ópticas, as cerâmicas podem ser transparentes, 
translúcidas ou opacas, e alguns dos óxidos cerâmicos (por exemplo, Fe3O4) exibem 
comportamento magnético. 
 
− Os polímeros incluem os conhecidos materiais plásticos e de borracha. Muitos deles são 
compostos orgânicos que têm sua química baseada no carbono, hidrogênio e outros elementos 
não metálicos (isto é, O, N e Si). 
• Além disso, eles têm estruturas moleculares muito grandes, com frequência na forma 
de cadeias, que frequentemente possuem uma estrutura composta por átomos de carbono. 
• Alguns dos polímeros comuns e conhecidos são polietileno (PE), náilon, poli(cloreto de 
vinila) (PVC), policarbonato (PC), poliestireno (PS) e a borracha de silicone. 
• Tipicamente, esses materiais possuem baixas massas específicas, enquanto suas 
características mecânicas são, eles não são tão rígidos nem tão resistentes quanto esses 
outros tipos de materiais. Entretanto, em função das suas densidades reduzidas, muitas 
vezes sua rigidez e sua resistência em relação à massa são comparáveis às dos metais e 
das cerâmicas. 
• Ademais, muitos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis (isto é, plásticos), o 
que significa que são facilmente conformados em formas complexas. 
• Em geral, quimicamente eles são relativamente inertes, não reagindo em muitos 
ambientes. Também possuem baixas condutividades elétricas e não são magnéticos. 
Uma das maiores desvantagens dos polímeros é sua tendência a amolecer e/ou decompor 
em temperaturas modestas, o que, em algumas situações, limita seu uso. 
 
 
 
 
− Um compósito é composto por dois (ou mais) materiais individuais, os quais se enquadram nas 
categorias discutidas anteriormente — metais, cerâmicas e polímeros. 
• O objetivo do projeto de um compósito é atingir uma combinação de propriedades que 
não é exibida por nenhum material isolado e incorporar as melhores características 
de cada um dos materiais que o compõem. 
• Adicionalmente, alguns materiais de ocorrência natural também são compósitos, por 
exemplo, a madeira e o osso. 
• Um dos compósitos mais comuns e conhecidos é o com fibra de vidro, em que pequenas 
fibras de vidro (cerâmica) são encerradas em um material polimérico (normalmente um 
epóxi ou um poliéster). As fibras de vidro são relativamente resistentes e rígidas (mas 
também são frágeis), enquanto o polímero é mais flexível.Dessa forma, o compósito com 
fibra de vidro é relativamente rígido, resistente e flexível. Além disso, possui baixa massa 
específica. 
 
− Materiais Avançados: Os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia (ou high-tech). 
• Por alta tecnologia subentendemos um dispositivo ou um produto que opera ou funciona 
usando princípios relativamente intrincados e sofisticados, incluindo os equipamentos 
eletrônicos (telefones celulares, reprodutores de DVD etc.), computadores, sistemas de 
fibras ópticas, baterias de alta densidade de energia, sistemas de conversão de energia e 
aeronaves. 
• Tipicamente, esses materiais avançados são materiais tradicionais cujas propriedades 
foram aprimoradas e materiais de alto desempenho que foram recentemente 
desenvolvidos. 
• Além disso, eles podem pertencer a todos os tipos de materiais (por exemplo, metais, 
cerâmicas, polímeros) e são em geral de custo elevado. 
• Os materiais avançados incluem os semicondutores, os biomateriais e o que podemos 
chamar de materiais do futuro (isto é, materiais inteligentes e materiais 
nanoengenheirados). 
 Semicondutores: Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são 
intermediárias entre aquelas exibidas pelos condutores elétricos (isto é, os metais e 
as ligas metálicas) e os isolantes (isto é, as cerâmicas e os polímeros). Além disso, 
as características elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à presença 
de concentrações mínimas de átomos de impurezas, cujas concentrações podem ser 
controladas em regiões espaciais muito pequenas do material. Os semicondutores 
tornaram possível o advento dos circuitos integrados, os quais revolucionaram 
totalmente as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores (para não 
mencionar as nossas vidas) ao longo das quatro últimas décadas. 
 
 Biomateriais: Implantes de reposição são construídos a partir de biomateriais — 
materiais não vivos (ou seja, inanimados) que são implantados no corpo, de modo 
que eles funcionem de uma maneira confiável, segura e fisiologicamente 
satisfatória, enquanto interagem com o tecido vivo. Isto é, os biomateriais devem ser 
biocompatíveis — compatíveis com os tecidos e fluidos do corpo, com os quais eles 
ficam em contato ao longo de períodos de tempo aceitáveis. Os materiais 
biocompatíveis não devem causar rejeição, respostas fisiologicamente inaceitáveis, 
nem liberar substâncias tóxicas. Consequentemente, algumas restrições 
consideravelmente rigorosas são impostas sobre os materiais para que eles sejam 
considerados biocompatíveis. Exemplos de aplicações de biomateriais incluem 
próteses de articulações (por exemplo, da bacia e do joelho) e de válvulas 
coronárias, enxertos vasculares (vasos sanguíneos), dispositivos para fixação de 
fraturas, restaurações dentárias e a geração de novos tecidos de órgãos. 
 
 Materiais Inteligentes: Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais 
de última geração que estão sendo desenvolvidos atualmente e que terão uma 
influência significativa sobre muitas das nossas tecnologias. O adjetivo inteligente 
significa que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e 
assim responder a essas mudanças segundo padrões predeterminados — 
características que também são encontradas nos organismos vivos. Além disso, 
esse conceito de inteligente está sendo estendido a sistemas razoavelmente 
sofisticados que consistem tanto em materiais inteligentes quanto 
tradicionais. componentes de um material (ou sistema) inteligente incluem algum 
tipo de sensor (que detecta um sinal de entrada) e um atuador (que executa uma 
função de resposta e adaptação). Os atuadores podem provocar mudança de forma, 
de posição, da frequência natural ou das características mecânicas em resposta a 
mudanças na temperatura, nos campos elétricos e/ou nos campos magnéticos. Por 
exemplo, um tipo de sistema inteligente é usado em helicópteros para reduzir o 
ruído aerodinâmico na cabine que é criado pelas lâminas do rotor em movimento. 
Sensores piezoelétricos inseridos nas lâminas monitoram as tensões e deformações 
na lâmina; os sinais de retorno desses sensores são alimentados a um dispositivo 
adaptador controlado por computador, que gera um antirruído que cancela o ruído 
produzido pelas lâminas. 
 
 Nanomateriais: Podem ser de qualquer um dos quatro tipos básicos de materiais 
— metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. No entanto, ao contrário desses 
outros materiais, eles não são diferenciados com base em sua química, mas, em 
lugar disso, em função do seu tamanho; o prefixo nano indica que as dimensões 
dessas entidades estruturais são da ordem do nanômetro (10–9 m) — como regra, 
menos de 100 nanômetros (nm; equivalente ao diâmetro de aproximadamente 500 
átomos). Sempre que um novo material for desenvolvido, seu potencial para 
interações nocivas e toxicológicas com os seres humanos e animais deve ser 
considerado. As pequenas nanopartículas possuem razões de área superficial por 
volume que são extremamente grandes, o que pode levar a altas reatividades 
químicas. Embora a segurança dos nanomateriais seja uma área relativamente 
inexplorada, existem preocupações de que eles possam ser absorvidos para o 
interior do corpo através da pele, dos pulmões e do trato digestivo em taxas 
relativamente elevadas, e de que alguns, se presentes em concentrações suficientes, 
venham a apresentar riscos à saúde — tais como danos ao DNA ou o 
desenvolvimento de câncer de pulmão. Exemplos: Conversores catalíticos para 
automóveis, Nanocarbonos, Partículas de negro de fumo como reforço para pneus 
de automóveis, Nanocompósitos, Grãos magnéticos com nanodimensões que são 
usados para drives de discos rígidos e Partículas magnéticas que armazenam dados 
em fitas magnéticas.