Aplicações biomédicas eduardo elaine joice

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Química do Estado Sólido 
em Aplicações Biomédicas
Professor: Marcos Augusto Bizeto Grupo 3: Eduardo Sena
UC: Química do Estado Sólido Elaine Ribeiro
1º semestre – 2018 Joice Moraes
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Introdução
• Até o início da década de 1980, a maioria dos biomateriais ou materiais
implantáveis eram desenhados e desenvolvidos objetivando substituição
anatômica;
• Ao não se observar resposta imune crônica nos sítios de implante considerava-
se o material implantado como biocompatível;
• Entretanto, a hiper ou hipossensibilidade de humanos a alguns tipos de
biomateriais (metálicos, em particular) pode-se manifestar clinicamente
somente anos pós-implante.
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• Com a transferência de novos conhecimentos e tecnologias biomédicas às
clínicas médicas, odontológicas e veterinárias, tanto o desenho quanto o
desenvolvimento de novos biomateriais, passam a considerar aspectos
bioquímico-moleculares e biomecânicos relacionados à interação superfície do
material-células/tecidos. Biomateriais são, portanto, não mais meros
substitutos anatômicos; são, também, plataformas para diferenciação
celular e decorrente neoformação de tecidos.
• Mini-implantes de titânio são, há muito, utilizados em Implantodontia; no 
entanto, o Ti puro não é forte o suficiente para um número de dispositivos 
médicos, necessitando, portanto, do desenvolvimento de ligas superiores.
Introdução
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• Atualmente, os metais mais 
utilizados na área médica são os 
grupos dos aços inoxidáveis, as 
ligas de titânio e o titânio 
comercialmente puro, e as ligas 
à base de cobalto-cromo.
• Na Tabela 1 estão detalhados os 
principais tipos de metais ou 
ligas e exemplos de suas 
aplicações mais frequentes. 
Biomateriais
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Tabela 1: Principais metais e ligas e respectivas aplicações na 
área biomédica 
Fonte: PIRES, Ana Luiza R.; Bierhalz, Andréa C.; Moraes, 
Ângela M.(2015)
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Figura 1. Vantagens e desvantagens dos principais materiais utilizados em implantes nas últimas décadas e o 
mais recente: biomateriais poliméricos
• A escolha do titânio na constituição de mini-implantes deve-se, dentre outras
propriedades do metal, a (a) sua alta resistência à corrosão e (b) formação, em
torno do implante, de uma camada inerte de óxido de titânio. Esta, por sua vez,
parece promover deposição de matriz óssea mineralizada.
Biocompatibilidade
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Figura 1: Em condições eletrostáticas e de tensão
superficial favoráveis, uma célula adsorve-se à
superfície do biomaterial. Nesta, que se encontra
revestida com proteínas da matriz extracelular
(MEC), a célula ancora-se e passa a responder à
interface MEC-biomaterial secretando sua própria
MEC. Sobre a malha molecular resultante (MEC
inicial + MEC recém secretada) a célula se espalha
• Os metais possuem vantagens em relação aos polímeros e cerâmicas, por possuírem
maior resistência a corrosão, principalmente quando usado por longos períodos.
Também são frequentes como componentes de implantes devido às suas características
mecânicas superiores. Estes reproduzem as funções de suporte e proteção que o osso
exerce, enquanto esse cicatriza, remolda-se e cresce.
• Além disso, o Ti é um dos poucos materiais capazes de osseointegração - a retenção
mecânica do implante pelo tecido ósseo do hospedeiro - que estabiliza o implante sem
quaisquer camadas de tecido mole entre os dois. Essas propriedades permitem o uso
amplo de Ti para dispositivos, como articulações artificiais de joelho e quadril,
parafusos e derivações para fixação de fraturas, placas ósseas, marca-passos e próteses
de válvulas cardíacas.
Biocompatibilidade
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Tabela 2: Principais propriedades do titânio e outros metais estruturais
Fonte: SILVA, Marcia Almeida. 2014.
Ti x outros materiais
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• N° atômico - 22
• Sólido prateado acinzentado
• Metálico
• Escala de dureza - 6 Mohs (range de 0 a 10)
• Resistência à tração - 434 MPa (~123Vickers)
• Paramagnético
• Resistente a corrosão
• Não tóxico
• Ligas usadas na indústria aeroespacial, automobilística, química, 
elétrica e eletrônica, usos médicos
Titânio (Ti)
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• As propriedades físicas do titânio comercialmente puro (CP) podem 
variar de acordo com o grau de impureza de elementos, como indicado 
na Tabela 3:
Tabela 3: Classificação do titânio em função dos teores de impurezas
Titânio (Ti)
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• Em temperatura ambiente, o
titânio (CP) tem forma hexagonal
densamente agrupada (hcp), que
corresponde a estrutura cristalina
da fase alfa (α).
• Acima da temperatura de 883°C,
passa para forma cúbica de corpo
centrado (ccc) conhecida como
fase beta (β), vide figura 3.
Titânio (Ti)
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Figura 3: Estrutura cristalográfica do titânio CP
• A dureza pode ser melhorada pela liga do Ti com outro elemento, deve-se ter 
cuidado para preservar a biocompatibilidade.
• Alguns estudos, afirmam que um aumento de 2x na dureza foi alcançado pela 
liga de Ti com Cu ou Ag. O uso de um elemento com a mesma valência de Cu 
e Ag, mas com maior densidade de massa, deve resultar em maior densidade 
de elétrons de valência (VED), o que provavelmente levaria a maior força de 
adesão e, consequentemente, maior dureza. 
• Este achado sugere que Au é um candidato adequado para aumentar a dureza 
em ligas binárias de Ti, dado seu aumento de densidade aproximadamente 2x 
sobre Cu ou Ag . A ampla utilização atual de dispositivos de implantes à base 
de Au atesta a sua biocompatibilidade e resistência à corrosão.
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Liga de Ti - Au
• Evidências de experimentos de desgaste revelam que essa dureza
aumentada está associada a um baixo coeficiente de atrito
(COF). Observações experimentais e cálculos teóricos apontam para
três fatores principais que contribuem para a alta dureza em β-Ti3Au:
- a estrutura cúbica com ligações curtas Ti-Au, 
- o alto VED,
- e um pseudogap evidente na densidade eletrônica de estados (DOS)
Liga de Ti - Au
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• Medições de dureza das ligas Ti1-
xAux (Figura 4) revelam valores de dureza
na faixa de composição de 0,22 ≤ x ≤ 0,35,
cerca de três a quatro vezes maiores do
que o valor de dureza de Ti puro.
• A dureza máxima de 800 HV (dureza
Vickers) é atingida para x = 0,25, o
composto cúbico Ti3Au se forma, em duas
fases distintas, α e β, com a última
estabilizada pela presença de pequenas
quantidades de carbono, nitrogênio ou
oxigênio.
Liga de Ti - Au
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Figura 4: Dureza do Ti1−xAux e outras 
ligas e compostos intermetálicos.
• Entre os compostos binários Ti-Au, Ti3Au é o único
cúbico, o que é consistente com alta estabilidade
mecânica e, portanto, alta dureza.
• Notavelmente, o Ti3Au se forma em duas estruturas
cristalinas cúbicas: α-Ti3Au (A) e β-Ti3Au (B);
Liga de Ti - Au
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Figura 5: (A) Estrutura cristalina da fase α-Ti 3 Au juntamente com os ambientes locais de cuboctaedro dos átomos de Au 
(inserção à esquerda) e de Ti (inserção à direita). ( B ) Estrutura cristalina do β-Ti 3 Au juntamente com o ambiente local do 
icosaedro de Au (inserção esquerda) e o ambiente local do poliedro de Frank-Kasper de 14 vértices de Ti (inserção à direita).
• Em α-Ti3Au (Figura 5A), ambos Ti e Au são 12 vezes
coordenados com um cuboctaedro AET; Au é cercado
por 12 átomos de Ti, enquanto Ti é cercado por 8
átomos de Ti e 4 átomos de Au.
• Em contraste, em β-Ti3Au (Figura 5B), os dois átomos
têm AETs muito diferentes. Au ainda é coordenado 12
vezes, mas agora com um icosaedro AET formado por
Ti (Figura 5B, canto inferior esquerdo), o que implica
comprimentos de ligação mais curtos.
Liga de Ti - Au
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Figura 5: (A) Estrutura cristalina da fase α-Ti 3 Au juntamente com os ambientes locais de cuboctaedro dos átomosde Au (inserção à esquerda) 
e de Ti (inserção à direita). ( B ) Estrutura cristalina do β-Ti 3 Au juntamente com o ambiente local do icosaedro de Au (inserção esquerda) e o 
ambiente local do poliedro de Frank-Kasper de 14 vértices de Ti (inserção à direita).
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Conclusão
● As propriedades do composto intermetálico b-Ti3Au sugerem que é um material adequado para
aplicações médicas. O aumento de quatro vezes na dureza, em comparação com o Ti puro, torna o b-
Ti3Au como o composto intermetálico biocompatível mais conhecido.
● As propriedades de desgaste do b-Ti3Au indicam que este composto tem um COF quatro vezes
menor que o Ti, resultando na redução do volume de desgaste em 70%, o que garantirá vida útil do
componente e menos acúmulo de detritos. Além disso, a capacidade aderir a uma superfície de
cerâmica irá resultar na redução do custo e o peso desses componentes.
● A compreensão dos fatores que influenciam a dureza do β-Ti3Au fornece insights para melhorar as 
ligas biocompatíveis existentes e projetar novos materiais biocompatíveis com propriedades 
mecânicas superiores.
• GIL, Lilian de Melo, et. al. A INTERFACE CÉLULA-MATRIZ EXTRACELULAR-BIOMATERIAL E A 
BIOCOMPATIBILIDADE DE IMPLANTES DE TITÂNIO. Disponível em:< http://iij.com.br/pdf/article/112.pdf 
>. Acesso em: 26 mai. 2018.
• PAULA, Mirian M. M..COMPARAÇÃO ENTRE AS TÉCNICAS DE ELETROFIAÇÃO E ROTOFIAÇÃO 
PARA A PRODUÇÃO DE BIOMATERIAIS POLIMÉRICOS.Disponível
em:<http://eb212.blogspot.com/2016/05/comparacao-entre-as-tecnicas-de.html>.Acesso em: 11 jun.2018.
• Park J, Lakes RS. Biomaterials: an introduction: Springer Science & Business Media; 2007.
• PIRES, Ana Luiza R.; Bierhalz, Andréa C.; Moraes, Ângela M.. BIOMATERIALS: TYPES, APPLICATIONS, AND 
MARKET. 2015. Disponível em: < http://Www.Scielo.Br/Scielo. Php? Script=sci_arttext&pid=s0100-
40422015000700957 >. Acesso em: 29 mai. 2018.
Referências
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• SILVA, Marcia Almeida. ESTRUTURA, PROPRIEDADES E COMPORTAMENTO MECÂNICO DE LIGAS Ti-(6-
15%p)Mo TEMPERADAS E CICLICAMENTE DEFORMADAS. Universidade Estadual do Norte Fluminense. 2014. 
Disponível em:< http://uenf.br/posgraduacao/engenharia-de -materiais/wp-
content/uploads/sites/2/2013/07/Disserta%C3%A7%C3%A3o-M%C3%A1rcia-Silva.pdf >. Acesso em: 04 jun.2018.
• SVANIDZE, Eteri. et. al. ALTA DUREZA NO COMPOSTO INTERMETÁLICO BIOCOMPATÍVEL Β-Ti3Au. 
Revista Science Advance; 2016. Disponível em: http://advances.sciencemag.org /content/2/7/e 1600319/tab-pdf >. 
Acesso em: 28 mai 2018.
• VAZ, Ana Paula. MORFOLOGIA DOS REVESTIMENTOS DE TITÂNIO. Universidade Federal do Paraná –
UFPR. Curitiba: 2007. Disponível em: 
<https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/handle/1884/14391/dissertacao_085_ana_paula_vaz.pdf?sequence=1 >. Acesso 
em: 22 mai. 2018.
· Materiais avançados no Brasil 2010-2022. Brasília: Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2010
Referências
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Química do Estado Sólido 
em Aplicações Biomédicas
Professor: Marcos Augusto Bizeto Grupo 3: Eduardo Sena
UC: Química do Estado Sólido Elaine Ribeiro
1º semestre – 2018 Joice Moraes