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Biomateriais • Substâncias naturais ou sintéticas que são toleradas de forma transitória ou permanente, pelos diversos tecidos que constituem o organismo humano. Compósitos BIOMATERIAIS Cerâmicos Metais Polímeros Biomateriais Requisitos dos biomateriais Biomateriais Biocompatibilida de Fabricação mecânica Propriedades mecânicas e físicas Biocompatibilidade • Habilidade de um material ter um desempenho satisfatório, com resposta adequada do tecido hospedeiro, para uma dada aplicação Em 1976 a Sociedade Européia de Biomateriais (ESB) definiu biomaterial como: “material utilizado em dispositivos médicos destinado a interagir com os sistemas biológicos”. Posteriormente, a ESB define biomaterial como “material que se destina à fazer interface com os sistemas biológicos para avaliar, tratar, aumentar ou substituir qualquer tecido, órgão ou função do corpo humano”. Nesta mudança é possível perceber uma evolução nos biomateriais que da simples interação passaram a influenciar os processos biológicos com a finalidade de regenerar tecidos. Em definição mais recente biomaterial é uma substância que foi projetada para assumir uma forma que só ou como parte de um sistema complexo, é usada para indicar, por controle das interações com componentes de sistemas vivos, o curso de qualquer procedimento de diagnóstico ou terapêutico em medicina humana ou veterinária. Biocompatibilidade Um material pode ser biocompatível quando em contato com o tecido ósseo e não o ser quando em contato com o sangue De acordo com este conceito os biomateriais devem ser isentos de produzir qualquer resposta biológica adversa local ou sistêmica, ou seja: o material deve ser não-tóxico, não-carcinogênico, não-antigênico e não-mutagênico. Em aplicações sangüíneas, eles devem também ser não trombogênicos. Razões do uso de biomateriais Restauração de funções dos tecidos naturais e de órgãos do corpo humano Quando se trabalha com biomateriais é importante: O entendimento da correlação entre propriedades, funções e estruturas dos materiais biológicos Existem três áreas de estudo em biomateriais: • Materiais biológicos • Materiais de implante • Interação entre os dois anteriores IMPLANTES substituição de tecidos moles pele músculos dispositivos marcapasso sensores substituição de tecidos ósseos ossos articulações O sucesso de um material implantado depende três fatores: • Propriedades e biocompatibilidade do implante • Condição de saúde do paciente • Habilidade do cirurgião Para um material ser aceito clinicamente com um material de implante , deve atender alguns requisitos fundamentais: • Deve ser biocompatível, ou seja, sua presença não deve causar efeitos nocivos ao sistema biológico • A degradação do material ( como a corrosão) deve ser minimizada • Deve ser biofuncional, ou seja, ter as características mecânicas adequadas à aplicação • Deve ser esterilizável. O Biomaterial pode ser produzido na forma densa ou porosa assim como na forma de pó, granulado ou como cobertura. Caracterização / avaliação de Biomateriais Propriedades físico químicas Ensaios in vitro - cultura de células Ensaios in vivo - animais Testes clínicos - pacientes Propriedades físico químicas estrutura química morfologia (porosidade, formato, arranjo estrutural) características superficiais determinam interação com tecidos vizinhos propriedades mecânicas determinam o desempenho da função do tecido e/o órgão Processamento processo de confecção : controlar parâmetros determinantes das propriedades, custo esterilização : podem alterar estrutura química Avaliação do desempenho biológico Testes in vitro constituem a primeira etapa na seleção de materiais Hemocompatibilidade (ASTM F756) Citotoxicidade (ASTM F813, F895) Testes in vivo Avaliação do desempenho biológico e funcional Permitem avaliar a resposta do tecido hospedeiro ao implante do material e o desempenho funcional do implante ao longo do tempo Implantes subcutâneo - ASTM F-1408 Implante intramuscular - ASTM F-763 Implante de longa duração (músculo ou osso) - ASTM F-891 Desempenho biológico - planejado de acordo com aplicação Testes in vivo Testes imunológicos - ASTM F-710, F- 720, F-749, F-750 Mutagenicidade - ASTM E-1262, E-1280 Pirogenicidade - USP Rabbit Test, USP bacterial endotoxin test Carcinogenicidade - ASTM F-1439 Processo inflamatório (agudo / crônico) Desempenho funcional Testes in vivo Classificação do biomaterial quanto à interação com o tecido hospedeiro Bioinerte, ou Bioativo. Reabsorvível, ou Não-Bioabsorvível. MATERIAIS BIOINERTES Material bioinerte é aquele que não induz nenhuma reação visível nos tecidos. São materiais menos suscetíveis a causar uma reação biológica adversa devido a sua estabilidade química em comparação com outros materiais. As cerâmicas são quimicamente muito estáveis e, portanto, muito pouco prováveis de ter uma resposta biológica adversa. As cerâmicas bioinertes mais empregadas como biomateriais são: cerâmicas à base de carbono, alumina e zircônia. O Material Bioativo, ao contrário do bioinerte, favorece o reparo do tecido e a integração de dispositivos associados. Algumas cerâmicas e vários polímeros pertencem a este grupo. O termo bioatividade é definido como sendo a propriedade de formar tecido sobre a superfície de um biomaterial e estabelecer uma interface capaz de suportar cargas funcionais ou como a capacidade do material interagir com os tecidos vivos de tal modo a estimular processos físico-químicos inerentes a sistemas biológicos capazes de permitir a integração do biomaterial no ambiente receptor. No que diz respeito às cerâmicas, a bioatividade é usada em ortopedia. Ela favorece reparo e integração de implantes de tecidos ósseos. MATERIAIS BIOATIVOS Três tipos de materiais cerâmicos são bioativos: vidros bioativos e vitro-cerâmicas, cerâmicas de fosfato de cálcio e compósitos desses vidros, e cerâmicas com fases inertes como a hidroxiapatita. MATERIAIS BIOREABSORVÍVEIS São materiais que atuam por um determinado período junto aos tecidos biológicos, e depois são degradados, solubilizados ou fagocitados pelo organismo, Fagocitose: processo de ingestão e destruição de partículas sólidas, como bactérias ou pedaços de tecido necrosado, por células amebóides chamadas de fagócitos, que tem como uma das funções a proteção do organismo contra infecções. quando no contato com os fluidos fisiológicos, este material se dissolve ou degrada e é substituído pelos tecidos vizinhos. Os produtos formados pela degradação desses materiais não podem ser tóxicos, pois são eliminados pelo metabolismo do paciente. Este material, após atuar no organismo, é eliminado sem necessidade de outra intervenção cirúrgica. Os mais conhecidos são: o fosfato tricálcio, ácido poli (ácido láctico), alguns vidros bioativos e outros. Ser bioreabsorvível é um pre requisito para o biomaterial usado em suportes (scaffolds) que funcionam temporariamente como matrizextra celular. Os scaffolds devem proporcionar um ambiente favorável à regeneração do tecido no local do defeito, agir como o substrato para permitir o crescimento, a proliferação e a diferenciação celular e uma vez o novo tecido tenha se formado o scaffold deve degradar e ser completamente reabsorvido, sem deixar detritos que possam causar danos à regeneração. Microtomografia de um scaffold de cerâmica de HA. Tipos de reação Implante-Tecido: 1) Morte do tecido: o material é tóxico ( é o caso dos metais pesados). 2) Formação de um tecido fibroso de espessura variável: material não tóxico e praticamente inerte. 3) Formação de uma ligação interfacial: material não tóxico e bioativo. 4) Substituição do implante pelo tecido vizinho: material não tóxico e degradável Variáveis que influem na resposta do material hospedeiro Perfil de desgaste pela liberação de detritos. Composição, Cristalinidade, Constante Elástica, Conteúdo de Agua. Tamanho dos poros, Composição da superfície, Topografia da superfície e energia de superfície Propriedades eletro e eletrônicas da superfície, Parâmetros de corrosão, perfil de liberação de íons, Toxicidade do íon metálico( para metais) Perfil de degradação, Lixiviantes, aditivos, catalisadores, contaminantes e suas toxicidades (para polímeros), Perfil de dissolução, toxicidade dos produtos de degradação (para cerâmica) Representa o “casamento” entre a biologia celular e a engenharia de materiais que visa manipular e reconstituir tecidos ou órgãos lesados. ENGENHARIA DE TECIDOS Refere-se ao uso dos princípios e métodos da engenharia e ciências da vida para entender os fundamentos das relações estrutura-função de tecidos normais e patológicos e assim fundamentar o desenvolvimento de substitutos biológicos para restaurar, manter ou melhorar funções de diferentes tecidos ou órgãos. Segundo a National Science Foundation Workshop, 1988: Biocerâmicas são cerâmicas usadas no reparo e reconstrução de partes do corpo humano. Nesta definição estão incluídas as cerâmicas que são ou podem ser usadas em sistema de circulação extra- corpórea, como na diálise, ou em bioreatores. BIOCERÂMICA É uma das mais importantes biocerâmicas Resistência à fricção, resistência ao desgaste, a estabilidade química, biocompatibilidade e alta dureza fez da alumina policristalina uma das primeiras biocerâmicas a ser usada clinicamente para confeccionar a cabeça de fêmur usada em implante de quadril e nos implantes dentários. As aluminas policristalinas são caracterizadas por sua elevada densidade e pureza (>99.5%). É mais barata que o SiC, Si3N4 e ZrO2. ALUMINA A alumina é classificada como biocerâmica inerte por causa de sua baixa reatividade no corpo. Junto com a zircônia são mais usadas em superfícies de juntas artificiais sujeitas à fricção por causa da boa resistência ao desgaste. Outras aplicações : prótese de joelhos, reconstrução do osso maxilar, segmentos de osso. Estas qualidades também fazem da alumina um dos cerâmicos mais utilizados. No entanto um dos fatos que limitam o uso deste material cerâmico é a sua fragilidade ou baixa tenacidade, a baixa resistência à tração e à flexão, o que pode ser melhorado pela adição de uma segunda fase tal como a zircônia. VIDROS BIOATIVOS OS VIDROS BIOATIVOS quando imersos em um meio aquoso, sua superfície libera íons Na+, K+ e Ca2+. Essas espécies são repostas com íons H3O+ da solução através de uma reação de troca iônica que produz uma camada superficial de sílica-gel. Uma camada de apatita amorfa que se transforma em hidroxiapatita cristalina que garante a integração com o osso. Em função da sua fragilidade ele não pode ser implantado em zonas de altas tensões mecânicas. Para superar esta desvantagem, estes vidros podem ser tratados termicamente de modo a obter um vitrocerâmico, ou mesmo usar este vidro bioativo depositado sobre um substrato metálico. O carbono possui similaridades com o osso em relação à rigidez e à resistência. O grafite possui um arranjo hexagonal planar com alta energia de ligação entre átomos no mesmo plano e baixa energia de ligação entre os planos. Essa baixa ligação entre os planos confere um baixo módulo de elasticidade, próximo àquele do osso. A dispersão aleatória dos cristais tornam suas propriedades isotrópicas. Carbonos isotrópicos de baixa temperatura (LTI) são formados em temperaturas abaixo de 1500°C. O carbono isotrópico de baixa temperatura possui boas resistência à fricção e ao desgaste, sendo usado na produção de próteses de válvulas cardíacas. CERÂMICAS À BASE DE CARBONO HIDROXIAPATITAS As apatitas são definidas pela fórmula química M10(Y)6Z2 e formam uma gama variada de soluções sólidas como resultado de substituições. As apatitas biológicas, que compõem as fases minerais dos tecidos calcificados (esmalte, dentina e ossos) e algumas calcificações patológicas (cálculo dentário humano, pedras salivares e urinárias) são geralmente referidas como hidroxiapatitas de cálcio, HA. As apatitas biológicas do esmalte diferem em cristalinidade e concentração de elementos minoritários (principalmente CO3 2- e Mg2+) daquelas da dentina e das dos ossos. A apatita do esmalte dentário é a que possui as menores solubilidade e concentração de carbonato e magnésio, além de apresentar o maior tamanho de cristais. Para melhorar as propriedades mecânicas das HA são produzidos compósitos com polímeros, outros cerâmicos e também com metais. Dispersando o pó de HA em uma matriz de polietileno, este não perde sua ductilidade. Em um compósito formado pelo polietieleno e 45% de HA o modulo de Young fica em torno de 3GPa, resistência à tração de 22-26MPa e tenacidade à fratura de 2,9MPa.m-1/2. Este compósito é utilizado clinicamente como um osso artificial do ouvido.
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