Nanomateriais Cerâmicos e Vítreos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
CURSO DE BIOTECNOLOGIA
DISCIPLINA: BIONANOTECNOLOGIA
Prof. Dr. Luiz Ricardo Goulart
Discente:
Pedro Henrique Gonçalves André
Nanomateriais Cerâmicos e Vítreos 
1. Introdução
 2. Biocerâmicas
 
3. Tipos de Biocerâmicas
3.1. Biocerâmica não absorvível ou relativamente bioinerte (Alumina, Zircônia)
3.2. Cerâmica biodegradável ou reabsorvível (Fosfato de Cálcio, Coralline)
3.3. Cerâmica bioativa ou de superfície reativa (Bioglass, Ceravital)
 
Exemplos
 4.1. Nanopartículas de Sílica
 4.2. Nanopartículas de Fosfato de Cálcio
 
5. Conclusão 
6. Referências
1. Introdução
 Materiais cerâmicos são compostos, geralmente inorgânicos, incluindo silicatos, óxidos metálicos, carbonetos e vários refratários hidretos, sulfetos e selenetos. 
 São compostos por óxidos que contêm elementos metálicos e não metálicos, como Al2O3, MgO, SiO2 e ZrO2.
1. Introdução
Ligações Químicas
1. Introdução
Milhares de anos  Olarias;
Uso foi um pouco limitado  fragilidade inerente, susceptibilidade a entalhes ou microfissuras, baixa resistência à tração e baixa resistência ao impacto;
Novas técnicas  material de alta tecnologia;
A cerâmica e seus compósitos também podem ser usados ​​para aumentar ou 
substituir várias partes do corpo, particularmente o osso. 
1. Introdução
Os principais materiais cerâmicos são: 
 Tradicionais (cerâmicas estruturais, louças, refratários - provenientes de matérias primas argilosas); 
 Vidros e Vitrocerâmicos; 
Abrasivos; 
 Cimentos; 
 Cerâmicas “Avançadas” (aplicações eletroeletrônicas, térmicas, mecânicas, ópticas, químicas, biomédicas).
1. Introdução
Os materiais cerâmicos passam por um processo de queima  aumento da densidade e da resistência mecânica.
A queima permite a: 
 Eliminação do material orgânico (dispersantes, ligantes, material orgânico nas argilas);
 Decomposição e formação de novas fases de acordo com o diagrama de fases (formação de alumina, mulita e vidro a partir das argilas);
 Sinterização.
1. Introdução
O processo de sinterização aproxima as estruturas presentes e permite com que haja eliminação da porosidade e densificação do material.
1. Introdução
Os materiais cerâmicos podem se dividir em: Cristalinos e Não-cristalinos;
As cerâmicas cristalinas são caracterizadas por terem arranjos regulares, tridimensionais, de átomos no espaço.
As cerâmicas não-cristalinas são sólidos que se originaram de líquidos resfriados até a solidificação sem ordem atômica de longa distância, apenas ordem atômica de curta distância.
Introdução
Introdução
Introdução
Introdução
Introdução
Está no estado líquido e conforme se resfriam, vão se tornando cada vez mais viscosos, pois o movimento de translação das moléculas se torna cada vez mais difícil até que, na faixa da transição vítrea, ocorra uma mudança brusca no material e sejam bloqueados os movimentos de translação e rotação das moléculas.
2. Biocerâmicas
Biocerâmicas são compostos sinterizados, inorgânicos e biocompatíveis. Assim, estão perfeitamente adequados para uso no organismo dos vertebrados vivos, pois são isentos de reações orgânicas indesejáveis, como processos inflamatórios e imunológicos e outros, eliminando o risco de doenças infecto-contagiosas entre outras.
2. Biocerâmicas
Para ser considerado biocerâmica, o material deve ser:
Não tóxico;
Não Carcinogênico; 
Não alérgico;
Não inflamatório;
Biocompatível;
Biofuncional.
2. Biocerâmicas
3. Tipos de Biocerâmicas
3. Tipos de Biocerâmicas
3.1. Biocerâmica não absorvível ou relativamente bioinerte
As cerâmicas relativamente bioinertes mantêm suas propriedades físicas e mecânicas enquanto estão no hospedeiro. 
Eles resistem à corrosão e desgaste e obedecem a todos os requisitos para ser uma biocerâmica.
 Exemplos de cerâmicas relativamente bioinertes são:
 Óxidos de alumínio densos ou porosos (alumina);
 Cerâmicas de zircônia;
 Aluminatos de cálcio monofásicos.
3. Tipos de Biocerâmicas
3.1. Biocerâmica não absorvível ou relativamente bioinerte
São utilizadas na reconstrução das cavidades acetabulares, como placas e parafusos ósseos, na forma de compósitos cerâmicos, como dispositivos de entrega de medicamentos, como cabeças femorais, como ossículos da orelha média, como componentes de quadris totais e parciais, na forma de tubos de esterilização, como tubos de ventilação e na reparação da área cardiovascular.
3. Tipos de Biocerâmicas
Alumina - Al2O3
 Ortopedia - 25 anos;
 Alumina monocristal  cirurgia ortopédica e odontológica - 20 anos;
 Excelente biocompatibilidade;
 Formação de cápsulas muito finas, que permite a fixação sem cimento de próteses;
 Coeficientes de fricção e desgaste excepcionalmente baixos.
 Próteses de joelho; parafusos de osso; cume alveolar e reconstrução maxilofacial; substitutos ósseos ossiculares; ceratopróteses; substituições ósseas segmentais; e lâmina, parafuso e pós implantes dentários. 
3. Tipos de Biocerâmicas
Ceratoprótese
3. Tipos de Biocerâmicas
Zircônia (ZrO2)
Resistente, uma expansão térmica muito elevada, térmica muito baixa e a força elevada, muito mais caro que o de alumínio.
Utilizada para ferramentas de moldagem de fios, como auxiliares nos processos de fundição, como materiais para coroas e pontes na indústria de odontologia, como anéis de isolamento nos processos térmicos, e como células de medição de oxigênio nas sondas lambda.
CONDUZIR IONS DE OXIGENIO
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3. Tipos de Biocerâmicas
3.2. Cerâmica biodegradável ou reabsorvível
A cerâmica reabsorvível, como o nome indica, degrada-se após a implantação no hospedeiro. O material reabsorvido é substituído por tecidos endógenos. 
São utilizados como dispositivos de entrega de medicamentos, para reparar ossos danificados devido a doença ou trauma, para o preenchimento do espaço desocupado por parafusos de osso, por osso doador, por tumores excisados e perda óssea doente, para reparação e fusão de vértebras espinhais, para reparar discos herniados, para reparar defeitos maxilofaciais e dentários e em implantes oculares de hidroxiapatita.
3. Tipos de Biocerâmicas
Fosfato de Cálcio
O fosfato de cálcio pode ser cristalizado em sais, como a hidroxiapatita. 
A parte mineral dos ossos e dos dentes é constituída por uma forma cristalina de fosfato de cálcio semelhante à hidroxiapatita. 
Entre as propriedades mais importantes da hidroxiapatita como biomaterial é a sua excelente biocompatibilidade. 
A hidroxiapatita parece formar uma ligação química direta com tecidos duros. 
3. Tipos de Biocerâmicas
3. Tipos de Biocerâmicas
3. Tipos de Biocerâmicas
Coralline
Coral fornece uma excelente estrutura para o crescimento do osso, e o componente principal, carbonato de cálcio, é gradualmente reabsorvido pelo corpo. 
Os corais também podem ser convertidos em hidroxiapatita por um processo de troca hidrotérmico.
- Reparar traumas ósseos, substituir o osso doente e corrigir vários defeitos ósseos.
3. Tipos de Biocerâmicas
3.3. Cerâmica bioativa ou de superfície reativa
Após a implantação no hospedeiro, cerâmicas reativas à superfície formam fortes ligações com tecido adjacente. 
Exemplos de cerâmica reativa à superfície são vidros não porosos densos, o Bioglass e o Ceravital. 
Este revestimento proporciona uma forte ligação aos tecidos adjacentes, o que é muito importante para as próteses.
3. Tipos de Biocerâmicas
3.3. Cerâmica bioativa ou de superfície reativa
São utilizadas para o revestimento de próteses metálicas, na reconstrução de defeitos dentários, para o preenchimento do espaço desocupado por parafusos de osso, osso doador, tumores excisados e perda óssea doente, como placas e parafusos ósseos, como substituições de ossículos de orelha média, para alongamento de rami, para corrigir defeitosperiodontais e na substituição de dentes subperiósticos.
3. Tipos de Biocerâmicas
Vitrocerâmicos
Os Vitrocerâmicos são sólidos policristalinos obtidos a partir da cristalização controlada de vidros. 
O controle da cristalização envolve dois estágios de tratamento, conhecidos como estágio de nucleação e estágio de cristalização.
No estágio de nucleação, um pequeno núcleo é formado na matriz vítrea. Após a formação do núcleo estável, a cristalização ocorre por crescimento dessas fases cristalinas.
3. Tipos de Biocerâmicas
3. Tipos de Biocerâmicas
Vitrocerâmicos utilizadas para implantes são sistemas à base de óxido de silício com ou sem pentóxido de fósforo.
Bioglass 
 Material feito a base de sílica capaz formar uma camada mineral semelhante a um osso na sua superfície.
íons de dissolução afetam positivamente células envolvidas na formação óssea.
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3. Tipos de Biocerâmicas
Ceravital
Devido ao tamanho de grão controlado e à resistência melhorada ao dano superficial, a resistência à tração desses materiais pode ser aumentada, então sua resistência ao arranhão e abrasão de vitrocerâmicos é semelhante à da safira.
Vitrocerâmico biocompatível = Vitrocerâmico que tenha uma resistência mecânica substancialmente menor.
Técnica de fabricação de Biocerâmicas
Integração de tecidos - Porosidade
Suspensão 
Biocerâmica
+
AMIDO
Amido (água)
+ Biocerâmica
Sinterização
Amido é queimado 
e Biocerâmica fica
 porosa
4. Exemplos
4.1. Nanopartículas de sílica
 Microporosa (poros são menores que 2nm); 
 Mesoporosa (poros entre 2 e 50nm); 
 Macroporosa (poros são maiores que 50nm).
Energia térmica, calcinação ou solução ácida
4. Exemplos
Grupos silanóis (Si-OH) contribuem muito para funcionalização do nanomaterial - POLIMERIZAÇÃO
Hidrólise de um alcóxido de silício
Desalcoolização
4. Exemplos
TC
4. Exemplos
Sensível a TC
Resistentes à TC ou AMP
4. Exemplos
4.2. Nanopartículas de Fosfato de Cálcio
 Como fontes de Ca e P foram utilizadas as soluções 0,3M H3PO4, 0,5M Ca(OH)2 e 1M CH3CHCO2HOH;
 O valor do pH da solução foi ajustado para obtenção de pós em pH = 8, pH= 9 e pH=12 pela adição de NH4OH;
 Os pós foram secos, desagregados e sinterizados;
4. Exemplos
 Os pós foram analisados antes e após a sinterização;
 Amostras não sinterizadas foram caracterizadas por difração de raios-X (XRD), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). As amostras sinterizadas foram caracterizadas em XRD;
 
4. Exemplos
 Cerâmicas bioativas compostas de hidroxiapatita, a-TCP e b-TCP serão produzidas pela metodologia exposta para desenvolvimento de biocerâmicas para enxerto ósseo.
5. Conclusão
Conclui-se que os materiais cerâmicos e vítreos apresentam grande importância em diversas áreas, podendo suprir inúmeras necessidades humanas, principalmente na área biomédica.
 São geralmente resistentes e biocompatíveis com o organismo, o que permite sua utilização em diversas situações, como no tratamento ósseo. 
Sendo necessário mais estudos e pesquisas na área para o desenvolvimento de novos produtos e novas técnicas, já que se demonstrou promissora e de extrema importância.
6. Referências
BRAUN, S. E. Materiais cerâmicos. Disponível em: <http://acervodigital.ufpr.br/bitstream/handle/1884/16900/2%20-%20Disserta%C3%A7%C3%A3o_Sandro_Elias_Braun.pdf?sequence=1>. Acesso em 08 out 2017.
PARK, J. B. et al. Biomaterials: Principles and applications. CRC Press, 2003.
Ciência dos Materiais Multimídia. Disponível em: <http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=11>. Acesso em: 05 out 2017.
ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Materiais Cerâmicos. Disponível em: <http://sites.poli.usp.br/d/pmt2100/Aula10_2005%201p.pdf>. Acesso em: 05 out 2017.
BioSphere Technology. Bioactive glass properties. Disponível em: <http://www.synergybiomedical.com/bioactive-glass-properties.html>. Acesso em: 05 out 2017.
RATNER, B. D. et al. Biomaterials Science: an introduction to materials in medicine. Elsevier Inc, 2004.
ALBUQUERQUE, J. S. V. et al. Nanopartículas de fosfato de cálcio para aplicações biomédicas. Disponível em: <https://www.ipen.br/biblioteca/cd/cbecimat/2002/arqs_pdf/pdf_200/tc206-004.pdf>. Acesso em: 12 out 2017.
TONELLI, F. M. P. et al. Defeating Bacterial Resistance and Preventing Mammalian Cells Toxicity Through Rational Design of Antibiotic-Functionalized Nanoparticles. Disponível em: <https://www.nature.com/articles/s41598-017-01209-1>. Acesso em: 12 out 2017.
ZANONI, E. Nanopartículas de Sílica. Disponível em: <https://nanomateriais.wordpress.com/2017/01/23/nanoparticulas-de-silica/>. Acesso em: 12 out 2017.