introdução a biomateriais cerÂmicos

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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.