Trabalho de Biomateriais

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1 - Introdução:
Shackelford (2008) define biomateriais como materiais projetados para aplicações na biologia e na medicina. São materiais empregados em componentes que são implantados no corpo humano a fim de substituírem partes doentes ou danificadas. Dessa forma, devem produzir um grau mínimo de rejeição, ou seja, devem ser compatíveis com os tecidos do corpo e não causarem reações biológicas adversas, além de não produzirem substâncias tóxicas. (CALLISTER, 2008, p. 9, 612) 
 Os mais requisitados no mercado atual são os polímeros e os cerâmicos, pois podem tanto substituir o tecido vivo sem função como também estimular o crescimento de um novo tecido.
A evolução dos biosmaterias em função do tempo pode ser classificada da seguinte forma ( modificado de Navarro, 2008)
Primeira geração: implantes ósseos (primeira articulação artificial – cabeça de fêmur 1961);
Segunda geração: dispositivos bioativos (teve inicio nos anos 70);
Terceira geração: compósitos e nanocompositos (desde os anos 90);
Quarta geração: engenharia de tecidos (atualidade).
Existem diversos tipos de biomaterias, metálicos, poliméricos e cerâmico. Suas aplicações são divididas em três grupos: substituição de tecidos moles, substituição de tecidos duros e materiais para sistemas cardiovasculares ( KAWACHI, et.al, 2000).
Ciências como a nanotecnologia, engenharia dos tecidos e engenharia dos materiais, têm vindo a desenvolver em conjunto importantes avanços no ramo dos biomateriais. Todo o processo de fabricação engloba várias etapas importantes: desde a seleção do material, onde existe uma vasta gama de opção, tendo em conta que podem ser utilizados metais ou ligas metálicas, materiais cerâmicos, compósitos, tecidos ou malhas de poliéster e polímeros de natureza variada; análise de quantidades (onde a medição e contagem são fundamentais); possíveis reações no organismo (onde se requer uma cuidada análise química, fisiológica e mecânica da relação biomaterial-organismo); etapas estas onde o papel das ciências referidas anteriormente tem uma importância crucial. É então fundamental um processo, todo ele meticuloso, para que o resultado seja o esperado e consequentemente para que o consumidor fique satisfeito. No entanto tudo isto implica grandes gastos econômicos, o que faz dos países mais desenvolvidos os únicos capazes de investir e consequentemente onde existe uma maior taxa de usufruto. Nos últimos anos tem se dado um crescimento considerável nas aplicações músculo-esqueletal, isto é no estudo de materiais bioativos que favorecem e facilitam o crescimento de osso e/ou cartilagens em áreas lesadas.
Segundo dados da ANVISA, existem certa de 300.000 produtos derivados de biomateriais na área de saúde no Brasil. Setores como cardiologia e ortopedia correspondem pela maior utilização desses materiais.
2 – Aplicações
Na cardiologia esses materiais são utilizados em cardioversores, cardiodesfibrilhadores, marca-passo, cateteres, próteses endovasculares e válvulas cardíacas.
Na ortopedia, são utilizados como próteses de quadril, joelho e ombro, implantes de coluna, parafusos bioabsorviveis, cimentos ortopédicos e implantes neurológicos; a terapia renal com equipamentos de hemodiálise.
2.1 - Biomateriais nas próteses
Prótese é um componente artificial que tem como objetivo suprir as necessidades de um indivíduo que sofreu alguma amputação.
Quando uma pessoa perde algum membro do corpo, no lugar é posto uma prótese mecânica. Essa prótese responde a qualquer impulso nervoso, virando um substituto ideal.
As próteses podem também ser internas, para substituição de articulações ósseas. Normalmente construídas/projetadas por engenheiros.
2.2 Próteses Ortopédicas:
As próteses ortopédicas são materiais de origem poliméricas ou metálicas,porém a maioria é feita de materiais metálicos, especialmente para implantes em ossos femorais, tíbia, braços e quadril.
2.3 Ligas metálicas
Alguns metais são usados como substitutos de tecidos duros, como por exemplo, em substituições totais de quadril e joelho, placas e parafusos para fixação de fraturas, dispositivos de fixação de coluna e implantes dentários devido a suas excelentes  propriedades mecânicas e de resistência à corrosão. Segundo Barbucci, um material metálico utilizado na construção de próteses ortopédicas, dispositivos de osteossíntese ou implantes dentários deve possuir as seguintes características:
Limite de resistência da ordem de, ou maior que 800 MPa;
Resistência à corrosão, geral e localizada;
Biocompatibilidade
Biocompatibilidade não é um efeito ou fenômeno único. Refere-se a uma gama de processos envolvendo mecanismos de interação diferentes mas interdependentes entre material e tecido. É a habilidade do material em desempenhar uma função específica no organismo sem que provoque efeitos tóxicos ou injuriosos aos sistemas biológicos.
Estas características são tão restritivas que apenas uma pequena parcela das classes de materiais metálicos pode ser usada com sucesso.
A primeira liga metálica desenvolvida especificamente para uso no corpo humano foi o “aço vanádio”, utilizado para fabricação de placas e parafusos para fraturas ósseas. Dentre os biomateriais metálicos, os aços inoxidáveis austeníticos do tipo 316 LVM, as ligas Co-Cr-Mo, Co-Ni-Cr-Mo, titânio puro e Ti-6Al-4V são os mais utilizados. 
2.4 - Ligas de cobalto
As ligas de cobalto foram originalmente propostas para implantes cirúrgicos a mais de 70 anos. Há basicamente dois tipos de ligas de Co para aplicação médica. A liga Co-Cr-Mo para recobrimento e as ligas trabalhadas Co-Ni-Cr-Mo [7]. A American Society for Testing and Materials (ASTM) lista quatro ligas de Co que são recomendadas para aplicação em implantes cirúrgicos: liga de recobrimento Co-Cr-Mo (F75); e as ligas trabalhadas Co-Cr-W-Ni (F90), Co-Ni-Cr-Mo (F562) e Co-Cr-Mo (F1537).
Estas ligas formam uma classe de materiais altamente resistentes a corrosão em meio fisiológico e ao desgaste, superando as ligas de aço inoxidável. Além disto, seu limite de resistência e resistência à fadiga superiores possibilitam sua aplicação onde se requer longa vida em serviço sem a ocorrência de fraturas ou stress/fadiga. Muitas propriedades são originárias da natureza cristalográfica do cobalto, do efeito de reforço do Cr e Mo e da formação de carbetos de alta dureza.
Características tão especiais têm levado à utilização destas ligas em diversas aplicações médicas, em especial aquelas que visam a substituir superfícies articulares. Suas propriedades de resistência ao desgaste, à corrosão e baixo coeficiente de atrito são decisivas nesta escolha.
Um exemplo de aplicação é a artroplastia total de quadril (THA – Total Hip Artroplasty, na sigla em inglês). Os sistemas mais atuais consistem em uma haste femoral conectada a uma cabeça modular sujeita à articulação com o componente acetabular. Este sistema é conhecido como MoM (metal on metal) – em referência à superfície de contato – e apresenta-se superior aos sistemas MoP (metal on polyethylene) até então utilizados em relação à taxa volumétrica de desgaste e outros parâmetros.
Outro exemplo de aplicação das ligas de Co, à qual este trabalho se relaciona de maneira direta consiste na reconstrução total da articulação temporomandibular. Este tipo de prótese, conhecida como prótese de Christensen encontra-se em uso por mais de 30 anos e caracteriza-se pela promoção de uma reconstrução estável, confiável e previsível, proporcionando redução do nível de dor, melhora na funcionalidade e aumento do grau de movimentação. 
2.5 - Ligas de titânio
Descoberto em 1791 por William Gregor, mineralogista britânico, o titânio – e mais recentemente, suas ligas – têm sido usado por décadas na fixação de fraturas e reconstrução de articulações pois preenche os requisitos necessários às aplicações biomédicas, como: resistência à corrosão, biocompatibilidade, bioadesão (indução do crescimento ósseo), módulo de elasticidade (quanto mais próximo ao do osso humano – 10 a 30 GPa –, melhor),resistência à fadiga e boa processabilidade.
O titânio apresenta uma estrutura cristalina hexagonal compacta, referente à fase alfa, que pode sofrer uma modificação alotrópica a 881 ºC para a estrutura cúbica de corpo centrado, conhecida como fase beta. A manipulação destas características cristalográficas por adição de ligantes e processos termomecânicos permite a obtenção de ligas com as mais variadas propriedades.
As classes de titânio que inicialmente foram introduzidos como biomateriais foram o ASTM F67 (titânio comercialmente puro nos graus 1, 2, 3 e 4), ASTM F136 (liga Ti-6Al-4V Extra Low Intersticial) e ASTM F1472 (liga Ti-6Al-4V padrão). Nestes materiais, alguns elementos de liga estabilizam a fase alfa enquanto outros estabilizam a fase beta. Pode-se estabilizar a fase alfa incluindo alumínio, estanho e zircônio, enquanto fase beta pode ser estabilizada por vanádio, molibdênio, nióbio, cromo, ferro e manganês. Nota-se, portanto, que a liga ASTM F136 é um exemplo de liga alfa/beta estabilizada.
Parte da resistência à corrosão observada no titânio e suas ligas se deve à formação de uma camada de óxido passivo constituída primariamente de TiO2 que adere à superfície do metal e o protege, além de ser em grande parte responsável pela biocompatibilidade do material. Esta camada pode ser obtida por oxidação anódica em eletrólito ácido acético e, quando avaliada a presença de titânio em tecido adjacente ao implante, esta se mostra substancialmente menor nos implantes anodizados em comparação àqueles sem anodização da superfície.
Traumas severos na estrutura facial necessitam de um grande número de placas e parafusos, e os implantes de titânio são especialmente indicados, em função das propriedades citadas nesta revisão. Placas e parafusos para a região crânio-maxilofacial existem em diversas configurações para que o médico adéqüe o sistema à anatomia do paciente. 
Outra aplicação que demonstra a versatilidade do material se verifica nas hastes intramedulares para fratura exposta e fechada de tíbia, onde o implante é indicado para fraturas de ossos de maior dimensão e sujeito a esforços mecânicos maiores (tíbia).
2.6 - Biomateriais Cerâmicos
O desenvolvimento de materiais cerâmicos para aplicações biomédicas concentra-se principalmente nas áreas de ortopedia e odontologia. Constitui uma classe de materiais que contempla diversas características dos biomateriais. Possui representantes das classes dos bioinertes, bioreabsorvíveis, bioativos e porosos para crescimento de tecidos.
O potencial das cerâmicas como biomateriais advêm de sua similaridade com o meio fisiológico, devido a sua constituição básica de íons que são também encontrados rotineiramente no meio fisiológico (cálcio, potássio, magnésio, sódio etc.) e outros cuja toxidade é bastante limitada (zircônio e titânio).
As cerâmicas bioinertes encontram maior representatividade nos compostos de alumina (Al2O3), zircônia (ZrO2) e zircônia estabilizada com óxido de ítrio (ZrO2(Y2O3)). Sua capacidade de não reagir com o tecido adjacente, resistência à corrosão, grande resistência ao desgaste e alta resistência mecânica são características indispensáveis na sua utilização como superfícies articulares sujeitas a cargas e fricção.
No cerne das cerâmicas bioativas e bioreabsorvíveis, encontram-se compostos como a hidroxiapatita (HA), os fosfatos de cálcio, especialmente o β-tricalcio-fosfato (β-TCP) além dos biovidros e vitro-cerâmicas, cuja composição compreende uma extensa gama de óxidos (SiO2, P2O5, CaO, CaF2, Na2O, Al2O3, Ta2O5 e TiO2, entre outros).
2.7 – Seda 
A seda está sendo um material muito utilizado para a recuperação de tecido ósseo e para lesões. Visto que é retirado uma proteína do fio da seda e tratado quimicamente. 
Um grupo de cientistas elaboraram recentemente parafusos de seda, os quais foram colocados em ratos. Foi observado que após quatro semanas a seda, por ser um composto orgânico, estava sendo consumida pelo organismo do animal. 
Já se pode ver aplicações da proteína da seda em várias operações sirurgicas com finalidade de melhorar ainda mais a reconstituição do tecido. O parafuso foi elaborado afim de substituir parcialmente e no futuro completamente os metais. 
Sua aplicação em comparação aos metais é devido a muitos fatores sendo alguns deles:
1° a não necessidade de uma segunda cirurgia para retirar o parafuso, pois o próprio é consumido pelo corpo; 
2° a prevenção de dores que em relação aos sintéticos, são muito desconfortáveis;
3° o metal tem uma probabilidade visível em relação à infecção; 
4° pesquisadores afirmam que materiais sintéticos são difíceis de serem implantados e podem gerar inflamações.
Figura 6. Os novos parafusos previnem infecções e acabam sendo absorvidos pelo organismo
2.8 - Nanotecnologia
O objetivo principal não é chegar a um controle preciso e individual dos átomos, mas elaborar estruturas estáveis com eles. Pode-se a partir das experiências com a Nanotecnologia promover novas pesquisas com íons e métodos de formação das nanopartículas, sem alterar a parede da membrana que favorecerão o transporte de enzimas e proteínas e demais transportes ativos ou passivos, como fármacos e outros componentes necessários na reconstrução biológica, como por exemplo, na cosmetologia, quimioterapia e etc. Um dos grandes problemas que poderá ser gerado pela nanotecnologia é a nanopoluição, gerado por nanomateriais ou durante a confecção desses. Esse tipo de poluição, composta por nanopartículas, pode ser mais perigosa do que a poluição existente no planeta, uma vez que pode flutuar facilmente pelo ar viajando por grandes distâncias. Pelo fato dos nanopoluentes não existirem na natureza, provavelmente as células não terão as armas necessárias para lidar com eles, provocando danos ainda não conhecidos. 
A Nanotecnologia vem gerando melhorias nos projetos de próteses com ligas de titânio. Em 2002, Engenheiros da Universidade Purdue (Estados Unidos) conseguiram aumentar sensivelmente a aderência de células ósseas a partes metálicas construindo estas partes metálicas com minúsculas protuberâncias, medindo apenas alguns nanômetros de diâmetro e altura. Superfícies como nanocavidades tendem a favorecer a proliferação e a diferenciação das células, o que poderá proporcionar uma melhor adesão do metal ao organismo. A descoberta deverá permitir a construção de próteses e implantes ósseos sensivelmente mais eficientes e duradouros.
Figura 7. Mapa Conceitual
Figura 8. Nanopoluição
Aplicações
Implantes
Um problema com os implantes médicos é a aceitação deles pelos tecidos circunvizinhos. Camadas especialmente desenvolvidas que usam técnicas de nanoescala e nanotexturizadas aparecem para criar um ambiente celular amigável e que encoraja o tecido a se unir ao implante. Por conseguinte o implante durará muito mais tempo e sentirá mais confortável.
No implante coclear a conexão será entre o amplificador e a orelha interna, consistindo em menos de 22 eletrodos estabelencendo contato direto com os gânglios na orelha. Agora um transdutor implantado pode conectar a um dos ossos delicados na orelha interna, enquanto o osso vibra é criado o som.
Osso
	A nanotecnologia está sendo usada em dentes e substituições ósseas que copiam a própria natureza dos minerais componentes destas partes corpóreas. Este processo é chamado bioimitação. A Bioimitação já é a base de novos materiais duros e finos para coletes à prova de bala e outras aplicações de segurança.
	O uso de polímero nanopadronizado poderia eliminar a longa recuperação, tempo de cura, cicatrização e desinfecção associada a enxertos ósseos. Pesquisadores esperam usar estas técnicas para cultivar células mesenquimais de adultos que se transformarão em osso. Uma vez o processo de cultivar tecidos em suporte seja padronizado e aperfeiçoado dispositivos nanoestruturados, poderemos aprender a melhorar a taxa de crescimento ósseo e reduzir o tempo curativo. Os dispositivos têm eletrodos para prover umacorrente elétrica que será mostrada para estimular o crescimento ósseo, como também canais minúsculos ao longo dos quais podem ser bombeadas doses controladas dos diversos tipos de proteínas para aumentar o crescimento das células.
	Esses implantes proporcionam aos pacientes maior segurança na fase de cicatrização óssea e acima de tudo uma redução no tempo de tratamento, pois estes implantes obtêm a cicatrização óssea definitiva chamada de osseointegração em apenas 21 dias ao invés dos 120 a 180 dias necessários para a cicatrização de implantes convencionais.
Materiais Inteligentes
Prótese com controle Neural
Desde os anos 1960 existem próteses controladas pelos impulsos elétricos dos músculos, mas a tecnologia de controle parece não ter progredido desde então.
Neste experimento pioneiro, os pesquisadores vão implantar os eletrodos diretamente nos nervos e nos músculos remanescentes.
Os impulsos elétricos que vêm pelos nervos do paciente serão capturados por uma interface neural que os enviará através do implante de titânio.
O circuito eletrônico da prótese usará sofisticados algoritmos para interpretar os sinais neurais e transformá-los em comandos para o braço robótico. Como os eletrodos estarão mais próximos da fonte e o corpo funcionará como proteção, os sinais bioelétricos deverão ser mais estáveis, permitindo que a prótese robótica atenda melhor aos comandos.
Bibliografia: 
http://biomatufrjmacae.blogspot.com.br/p/definicao.html
http://pt.wikipedia.org/wiki/Biomaterial
http://biofabris.com.br/pt/biomateriais/
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=protese-robotica-controlada-pelo-pensamento&id=010180121211#.VACCxmMXO7o
http://biomateriais.blogspot.com.br/2005/10/especial-nanoteconologia-e.html
http://www.bbc.co.uk/portuguese/noticias/2014/03/140305_parafusos_seda_rb.shtml
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