Unidade 2 - Biomateriais

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Conteúdo:
TECNOLOGIA 
DOS 
MATERIAIS
Rubens Ghelen 
Conteúdo:
Biomateriais
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Descrever as características e as diversas aplicações dos biomateriais.
 � Identificar, nos biomateriais, os efeitos da corrosão e do desgaste.
 � Listar as técnicas para evitar a corrosão e o desgaste em biomateriais.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar as características dos diversos bio-
materiais disponíveis para aplicações biomédicas, quais os biomateriais 
adequados para substituir vários tecidos específicos, os efeitos da corrosão 
e do desgaste em biomateriais e quais as técnicas para evitá-los.
Características e propriedades dos biomateriais
Ao contrário do entendimento de que a palavra “biomateriais” possa induzir, 
estes não são materiais de origem biológica. Biomateriais são todos os materiais 
utilizados para implantes ou incorporação em organismos vivos. Tratam-se dos 
materiais utilizados para a confecção de próteses, reparo de órgão e tecidos, 
por exemplo. Devem apresentar biocompatibilidade para evitar o processo de 
rejeição pelo organismo. 
Biomateriais são materiais que podem ser implantados para substituir 
ou reparar tecidos em falta. Podem ser de origem natural ou sintetizados em 
laboratório e são capazes de interagir com o corpo humano. Os biomateriais, 
tais como substitutos ósseos e membranas de colágeno, são usados regular-
mente em odontologia regenerativa e também para a regeneração óssea e 
cartilaginosa em ortopedia.
Existem diferentes denominações de biomateriais. A mais aceita é a que define bio-
materiais como sendo toda substância (com exceção de drogas), ou combinação 
de substâncias, de origem sintética ou natural, que durante um período de tempo 
indeterminado é empregada como um todo ou parte integrante de um sistema 
para tratamento, ampliação ou substituição de quaisquer tecidos, órgãos ou funções 
corporais. Esta definição passou a ser adotada a partir da Conferência de Consenso 
em Biomateriais para aplicações clínicas, de 1982.
Apesar do grande avanço realizado pela Tecnologia dos Materiais, os bio-
materiais ainda não alcançaram o desempenho dos materiais biológicos, uma 
vez que a capacidade de autorreparo ainda não foi alcançada pela engenharia. 
Porém, os biomateriais têm contribuído significativamente para avanços na 
medicina moderna, principalmente para:
 � procedimentos clínicos que utilizam biomateriais visando restaurar ou 
substituir órgãos e/ou tecidos lesados; 
 � dispositivos para realização de exames;
 � sistemas para assistência cirúrgica;
 � implantes temporários ou permanentes.
Devido às diferentes funções que os tecidos exercem nos organismos 
vivos, é necessário lançar mão de todas as alternativas disponíveis. Portanto 
a combinação de diversos biomateriais tem se mostrado a melhor alternativa 
no seu desenvolvimento (Figura 1) (SMITH; HASHEMI, 2012).
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Figura 1. (a) Stent cardíaco em preparação. (b) Stent em posição.
Fonte: Ozgur Guvenc/Shutterstock.com e crystal light/Shutterstock.com.
Biometais
A escolha natural para substituir o tecido ósseo (aplicações ortopédicas) recai 
sobre os metais em função de sua grande resistência mecânica. Os metais que 
reúnem as características necessárias para contato prolongado com fluidos de 
organismos vivos são chamados de biometais.
Para a correta seleção de um biometal, é necessário conhecimento das 
funções e características do tecido a ser substituído ou reparado (SMITH; 
HASHEMI, 2012).
Os biometais apresentam muitas características necessárias que os tornam 
adequados para aplicação no corpo humano, iniciando pela biocompatibili-
dade. Como os biometais são aplicados no tecido ósseo, eles devem apresen-
tar propriedades semelhantes a ele. Propriedades como a alta resistência ao 
escoamento, resistência à fadiga, dureza e baixo módulo de elasticidade são 
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algumas das principais propriedades que um biometal deve exibir, além, é 
claro, de alta resistência à corrosão (SMITH; HASHEMI, 2012). 
Aço inoxidável: para aplicações biomédicas é um dos materiais mais popu-
lares, porém, apresenta algumas limitações. Não é adequado para aplicações de 
longo prazo, em razão de liberar níquel no corpo humano devido à corrosão do 
metal. É utilizado para estabilizar o tecido ósseo por meio de dispositivos tem-
porários como: pinos, parafusos e placas. Devem ser removidos após o período 
de estabilização e cicatrização do tecido ósseo (SMITH; HASHEMI, 2012). 
Ligas à base de cobalto: são utilizadas principalmente em aplicações com 
carga constante. Apresentam resistência à corrosão superior ao aço inoxidável, 
o que torna possível sua aplicação permanente em elementos de articulações, 
por exemplo. São, portanto, mais biocompatíveis que o aço inoxidável.
Ligas à base de titânio: são as ligas que apresentam a melhor resistência 
à corrosão entre os biometais, têm excelente biocompatibilidade, além de 
apresentarem baixo módulo de elasticidade (Figura 2 [a] e [b]). Entretanto, 
apresentam baixa resistência mecânica que se traduz por desgaste e/ou fadiga 
prematuros. 
Figura 2. (a) Implante de quadril em liga de titânio. (b) Raio X de fratura fixada com para-
fusos e placa.
Fonte: LeonP/Shutterstock.com e Praisaeng/Shutterstock.com.
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Biopolímeros
A tradicional versatilidade dos polímeros também ocorre nos biopolímeros. 
São aplicados no reparo de diversos tecidos ao mesmo tempo em que per-
mitem o uso de dispositivos temporários enquanto se aguarda pela solução 
definitiva. Algumas válvulas cardíacas são exemplo dessa aplicação. Apesar 
de menos resistentes que os metais e as cerâmicas, suas outras propriedades os 
tornam muito atraentes para aplicações na área médica. Muitos biopolímeros 
são termoplásticos, porém, na odontologia, o uso de resinas termofixas já é 
consagrado (SMITH; HASHEMI, 2012).
Assim como nos biometais, para a correta seleção de um biopolímero, é 
necessário conhecimento das funções e características do tecido a ser substi-
tuído ou reparado. É grande a variedade de biopolímeros disponíveis, porém, 
alguns materiais inicialmente biocompatíveis podem perder essa caracterís-
tica por aditivação. São exemplos de biopolímeros: polietileno, poliuretano, 
policarbonato, polipropileno, polimetilmetacrilato, entre outros (SMITH; 
HASHEMI, 2012). 
Alguns exemplos da aplicação de biopolímeros são listados a seguir 
(SMITH; HASHEMI, 2012):
 � Válvulas cardíacas: combinação de biometais com Teflon e Dacron 
(PET) permitem a revascularização do coração (Figura 3).
 � Oxigenadores do sangue: membranas de polipropileno realizam a 
troca gasosa entre CO2 e O2 durante cirurgias em que é necessária a 
circulação extracorpórea do sangue.
 � Oftalmologia: na forma de lentes de contato ou intraoculares permitem 
a recuperação da visão em casos de catarata, por exemplo. Biopolímero 
aplicado: PMMA.
 � Ortopedia: em conjunto com os biometais, são utilizados nas próteses 
articulares como agente de deslizamento entre as partes metálicas ou 
ainda com cimento ósseo nos implantes. Biopolímeros aplicados: polieti-
leno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM) e PMMA, respectivamente.
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Figura 3. Válvulas cardíacas.
Fonte: pirke/Shutterstock.com.
Biocerâmicas
Biocerâmicas também são utilizadas intensamente na área biomédica. Apre-
sentam biocompatibilidade, alta resistência à corrosão e ao desgaste, alta 
rigidez e baixo atrito, propriedades desejadas para qualquer biomaterial. Em 
aplicações ortopédicas, algumas biocerâmicas têm excelente adesão ao osso 
devido a sua similaridade química (SMITH; HASHEMI, 2012).
As principais aplicações das biocerâmicas são na área ortopédica e odon-
tológica, conforme descrito a seguir (SMITH; HASHEMI, 2012).
 � Ortopedia: no caso das próteses totais do quadril, em muitas situações 
será vantajosa a substituição das superfícies de deslizamento metal sobre 
polímero por cerâmica sobre cerâmicautilizando a alumina (Figura 4). 
Ainda podem formar implantes com resposta biológica que vai desde 
uma resposta inerte até a reabsorção pela utilização de biocerâmicas 
como o fosfato tricálcico e a hidroxiapatita (SHACKELFORD, 2008).
 � Odontologia: implantes dentários podem ser fixados utilizando alumina 
em razão da sua bioatividade, enquanto as coroas utilizam a porcelana. 
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Figura 4. Prótese total do quadril.
Fonte: Suttha Burawonk/Shutterstock.com.
Biocompósitos
Biocompósitos podem ser combinados de forma a obter a melhor combinação de 
propriedades para determinada aplicação. São similares aos tecidos humanos, 
uma vez que estes são compósitos naturais. Por serem, ainda, relativamente 
novos, muitos estudos estão em andamento. Porém, as primeiras pesquisas 
mostram bons resultados na substituição de PEUAPM por compósito de 
poliéster reforçado com fibra de carbono em próteses de articulações. Na 
Odontologia, a utilização de compósito de PMMA com partículas de cerâmica 
para restaurações de coroas já é muito comum (SMITH; HASHEMI, 2012).
O termo biocompatibilidade é utilizado para determinar o comportamento dos materiais 
quando utilizados em organismos vivos e no ser humano em especial. Significa que um 
material é estável quimicamente, resistente à corrosão, não tóxico e não carcinogênico 
quando em contato com os fluídos e tecidos humanos (SMITH; HASHEMI, 2012). 
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Biomateriais: definições gerais
Antes de falarmos sobre a corrosão em biomateriais, é fundamental enten-
dermos alguns conceitos importantes destes materiais. De acordo com Santos 
(2002), os biomateriais podem ser classificados em quatro classes distintas, 
de acordo com a compatibilidade que apresentam com os tecidos adjacentes, 
sendo estes:
 � Biotolerante: Implantes separados do osso adjacente por uma camada 
de tecido mole ao longo da interface. Não há contato na osteogênese. A 
camada é induzida pela liberação por parte do implante de monôme-
ros, íons e/ou produtos de corrosão. Praticamente todos os polímeros 
sintéticos e a grande maioria dos metais se enquadram nesta categoria.
 � Bioinerte: Implantes em contato direto com o tecido ósseo, ocorrendo 
participação na osteogênese. No entanto, não ocorre nenhuma reação 
química entre o tecido e o implante. Não há, ao menos em quantidade 
detectável pelas células, liberação de nenhum componente. Exemplos 
de biomateriais bioinertes são: alumina, zircônia, titânio, tântalo, 
nióbio e carbono.
 � Bioativo: Ocorre interação entre o implante e o tecido ósseo, interferindo 
diretamente na osteogênese. Por similaridade química a parte mineral 
do tecido ósseo se liga ao implante promovendo a osteocondução. Os 
principais materiais desta classe são: Ca-fosfato, vitro-cerâmicas e 
hidroxiapatita.
 � Bioreabsorvíveis: Materiais que, após certo período de tempo em 
contato com os tecidos, acabam sendo degradados, solubilizados ou 
fagocitados pelo organismo. São interessantes em aplicações clínicas 
onde seja desaconselhável a reintervenção para retirada do implante. 
Os representantes desta classe são o fosfato tricálcico (TCP) e o PLLA 
(poli-L-ácido láctico).
Em relação aos biomateriais, estes devem apresentar algumas características 
fundamentais, como: resistência mecânica, biocompatibilidade e resistência 
à corrosão. Neste capítulo, será dada ênfase à corrosão dos biomateriais e às 
formas de combatê-la.
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Corrosão em biomateriais
O interior do corpo humano é altamente corrosivo pelas constantes reações 
químicas e trocas iônicas necessárias para a manutenção da vida. Os bio-
materiais devem ser resistentes à corrosão, ou seja, devem apresentar alta 
resistência química. Todas as classes de biomateriais poderão apresentar 
processos corrosivos uma vez que são projetados para permanecer no corpo 
humano por longos períodos de tempo (SMITH; HASHEMI, 2012).
Apesar de todos os biomateriais apresentarem algum tipo de corrosão, 
as biocerâmicas e os biopolímeros são naturalmente mais resistentes que os 
biometais. Normalmente, suas falhas ocorrem por desgaste, razão pela qual 
esta seção abordará os processos corrosivos nos biometais. 
Os tipos de corrosão mais frequentes nos biometais são a corrosão por pite 
e a corrosão em fresta. Os mecanismos envolvidos podem ser por corrosão 
galvânica e por contato/atrito, principalmente. Algumas peças apresentam 
processo corrosivo típico, como o caso dos parafusos de fixação, em que a 
corrosão por pite é comum nas faces inferiores das cabeças dos parafusos. Já 
a corrosão por fresta é mais frequente no corpo dos implantes, em que existem 
superfícies com diferentes níveis de proteção, o que desencadeia o processo de 
corrosão nas frestas pelo mecanismo galvânico (SMITH; HASHEMI, 2012).
Corrosão por pite (ou puntiforme): a corrosão age em pontos ou pequenas áreas na 
superfície metálica, produzindo pites, que são definidas como cavidades com fundo 
em forma angulosa e profundidade maior que seu diâmetro. A corrosão por pite é 
frequente em metais formadores de películas protetoras, em geral passivas, que, sob 
a ação de certos agentes agressivos, são destruídas em pontos localizados, os quais 
tornam-se ativos, possibilitando corrosão muito intensa. 
Corrosão por frestas: é uma forma de corrosão localizada que acontece nas regiões 
com frestas ou fechadas, nas quais o meio corrosivo pode entrar e permanecer em 
condições estagnadas. A fresta pode ser provocada por um detalhe de projeto, uma 
falha na execução da soldagem, um depósito na superfície do material (ancoramento 
de sujeira, produtos contaminantes e incrustações diversas).
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De acordo com Smith e Hashemi (2012), a corrosão pode ter dois efeitos 
principais. Primeiro, a integridade mecânica do implante pode ser comprometida 
como resultado da corrosão, levando a sua falha prematura. Em segundo lugar, os 
produtos de corrosão podem resultar em reação tecidual adversa. Os fluidos do 
nosso corpo estão em equilíbrio com íons específicos sob condições fisiológicas. 
A implantação de material estranho aumenta significativamente as concentrações 
de vários íons ao redor do tecido. Às vezes, inchaço e dor são observados no 
tecido e em volta do implante. Os rejeitos da corrosão podem migrar para outras 
partes do corpo. O sistema imunológico do nosso corpo ataca os rejeitos e os 
tecidos ao seu redor. Isso pode resultar em perda óssea periprotética, resultando 
em soltura do implante. Esta condição é conhecida como osteólise. Os rejeitos 
de corrosão também podem migrar para a superfície de deslizamento da prótese, 
resultando em desgaste a três corpos. Enquanto os materiais de implante são 
testados quanto à biocompatibilidade, a corrosão ainda ocorre em um ritmo 
muito lento e seus efeitos podem ser sentidos no longo prazo.
A corrosão nos biometais pode ser minimizada, ou mesmo eliminada, pela 
correta escolha da liga, por tratamentos de superfície e pelo projeto adequado 
das peças. Ligas de cobalto-titânio, utilização de metais nobres como ouro e 
platina, tratamento de superfície como a nitretação e inclusão de molibdênio 
podem ser listadas como ações que reduzem a corrosão nos biometais.
Geralmente, os efeitos da corrosão nos biometais podem levar à falha 
prematura dos implantes e à biorreação adversa dos tecidos, provocando 
dor e inchaço mesmo que mantida a funcionalidade do implante (SMITH; 
HASHEMI, 2012).
Biotribologia é o nome que recebe a área da Engenharia Biomédica que estuda as 
relações de atrito, desgaste e lubrificação em superfícies com carregamento e movi-
mentação relativa em implantes (SMITH; HASHEMI, 2012).
Desgaste dos biomateriais
Quando duas superfícies apresentam movimento relativo uma em relação à 
outra, gera-se força de atrito na região de contato e, consequentemente, desgaste 
das superfícies (Figura 5). As próteses de articulações têm como fundamento a 
manutenção da sua movimentação. Neste caso, ocorre movimento relativo entre 
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as partes constituintesda prótese. Esse movimento gera atrito que, por sua vez, 
gera desgaste das superfícies. Os resíduos de desgaste geram resposta biológica 
na forma de inflamação e perda óssea, por exemplo (SMITH; HASHEMI, 2012).
Figura 5. Desgaste abrasivo grave no acetábulo de polie-
tileno de um implante de quadril.
Fonte: Smith e Hashemi (2012).
Quando observamos ao microscópio duas superfícies em contato, vamos 
perceber que a maior parte da superfície não está, realmente, em contato. 
Menos de 1% da superfície disponível está em contato. Esse fenômeno ocorre 
em função das microirregularidades das superfícies. Mesmo superfícies bem-
-acabadas apresentam essas irregularidades. A consequência é que a tensão 
nos locais de contato torna-se muito alta, excedendo o limite de elasticidade 
dos materiais que estão em contato. Quando o movimento é retomado, esses 
pontos de união são rompidos e liberam detritos que irão acelerar o processo 
de desgaste. Tal mecanismo é chamado de desgaste adesivo e é típico de 
aplicações biomédicas.
Outro mecanismo de desgaste é o “desgaste abrasivo”. Por esse mecanismo, 
quando uma superfície macia é friccionada por uma mais dura, as asperezas 
desta arrancam partículas daquela. Tal mecanismo também ocorre em próteses 
de articulações em que ocorre contato metal sobre polímero. Em algumas 
situações, o material macio arrancado pode se depositar sobre a superfície 
dura, formando um “filme de transferência” que reduz a taxa de desgaste por 
aumentar a área de contato (SMITH; HASHEMI, 2012).
11Biomateriais
Para prever o comportamento de desgaste, um “fator de desgaste dimen-
sional – K” foi estabelecido para que o nível de grandeza fique aparente. A 
Tabela 1 a seguir mostra o fator de desgaste para as principais combinações 
de implantes ortopédicos (SMITH; HASHEMI, 2012): 
Fonte: Smith e Hashemi (2012).
Materiais Fator de desgaste K (mm3/Nm)
PEUAPM sobre metal 10-7
Metal sobre metal 10-7
Cerâmica sobre cerâmica 10-8
Tabela 1. Fator de desgaste K.
O tamanho das partículas de desgaste é outra informação importante. Quanto 
menor a partícula, mais fácil é sua migração para outras posições dentro do 
corpo, gerando resposta inflamatória. O tamanho das partículas gerado pelo 
desgaste adesivo pode ser calculado pela expressão (SMITH; HASHEMI, 2012):
Onde:
 � d = Diâmetro da partícula de desgaste;
 � W12 = Energia de superfície da aderência entre os materiais 1 e 2;
 � H = Dureza da superfície de desgaste.
Para reduzir os efeitos do desgaste, algumas ações podem ser tomadas. 
Ajuste de tolerâncias entre as superfícies de deslizamento para promover a 
formação de filmes de lubrificação, tratamento da superfície por nitretação 
e revestimento da superfície com metal duro são algumas das técnicas que 
podem ser utilizadas (SMITH; HASHEMI, 2012).
Biomateriais12
Outro exemplo da utilização de biopolímeros são os sistemas de fornecimento de me-
dicamentos. O uso de polímeros biodegradáveis como o ácido polilático (PLA) permite 
que a matriz polimérica biodegradável seja implantada no corpo, na posição adequada, 
e a medida que o biopolímero degrada a droga é liberada (SMITH; HASHEMI, 2012).
SHACKELFORD, J. F. Introdução à ciência dos materiais para engenheiros. Porto Alegre: 
Pearson Prentice Hall, 2008.
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. 
Porto Alegre: AMGH, 2012.
Leitura recomendada
CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G. Materials science and engineering: an introduction. 
New Jersey: John Wiley & Sons, 2010.
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Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para 
esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual 
da Instituição, você encontra a obra na íntegra.
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