Biomateriais e compósitos

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CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE PAULISTA
ALEXANDRE GRANO, FRANCINE FESTUCCI, PAMELA MARIANA DA SILVA E REGINALDO VASCONCELOS
BIOMATERIAIS E MATERIAIS COMPÓSITOS
São José do Rio Preto- SP
2018
Introdução
O século XXI é o século dos novos materiais em diversas frentes da ciência: vidros ultra resistentes, plásticos mais resistentes que o aço, ou eletrocondutores como os metais, ferro e cerâmica facilmente moldáveis, cerâmicas condutoras e etc.
Investigadores vem dedicando esforços para encontrar materiais com características adequadas para a restauração e substituição dos tecidos no corpo humano.
A utilização de materiais sintéticos para a substituição ou aumento dos tecidos biológicos sempre foi uma grande preocupação na área da medicina. Para responder a essa necessidade foram criados diversos dispositivos de metais, cerâmicas, polímeros e mais recentemente compósitos.
Muitos destes materiais não são “novos” na verdadeira ascensão da palavra. As características mais promissoras destes podem estar ligadas ao desenvolvimento de equipamentos e de técnicas de análise e de controlo. O desempenho do biomaterial sempre foi motivo de interesse por parte de fabricantes e estudiosos.
Comparados com os materiais do passado, os “Novos Materiais” são mais leves, resistentes e moldáveis, sendo assim mais apelativa a sua utilização por parte de construtores e técnicos das mais variadas áreas.
Este trabalho vai dar a conhecer um pouco dos “Novos Materiais”, os biomateriais e seus compósitos, assim como também as suas principais características e utilizações.
Definição
Imitar a matéria viva e até dialogar com ela, os biomateriais são capazes de fazer isso.
Biomaterial é uma substância ou uma mistura de substâncias, natural ou artificial, que vai atuar em sistemas biológicos, como tecidos e órgãos. Os biomateriais são um campo de aplicação de materiais poliméricos e compósitos e podem ser definidos como todos os materiais destinados a possuir uma interface com os sistemas biológicos para avaliar, tratar, aumentar ou substituir qualquer tecido, órgão ou função do corpo.
Vários tipos de ciências, como a nanotecnologia, engenharia dos materiais ou a engenharia dos tecidos, vem a desenvolver em conjunto, importantes avanços no ramo dos biomateriais. O papel das três ciências referidas anteriormente nestas etapas de fabricação tem uma importância crucial.
Para que seja fabricado um biomaterial onde os resultados sejam os esperados e o consumidores saiam satisfeitos, é preciso passar por um meticuloso processo durante a sua fabricação. Este processo implica grandes gastos económicos, o que fazem dos países mais desenvolvidos os únicos capazes de investir e consequentemente onde existe uma maior taxa de usufruto.
Compósitos, que também são chamados de composites, são materiais cuja estrutura é constituída por uma combinação de dois ou mais produtos não solúveis entre si, com o objetivo de se obter um produto de maior qualidade. Um dos seus produtos é denominado por fase de reforço e o outro produto é chamado de matriz. Ambos mantêm as suas propriedades individualmente, mas, quando misturados, apresentam um comportamento muito distinto do apresentado por ambos quando não misturados. Exemplos simples de compósitos se obtém ao se fazer combinações entre metais, polímeros e cerâmica (metal + polímero, metal + cerâmica e polímero + cerâmica).
Origem
A maioria das pessoas associa o conceito de biomateriais a materiais de origem natural, ou biopolímeros. No entanto, esta definição não é inteiramente correta, uma vez que existem biomateriais de origem sintética que podem contatar diretamente com o organismo e desempenham diversas funções benéficas na área da saúde.
Os compósitos são originários das primeiras sociedades agrícolas e de certa forma foram esquecidos durante séculos. O verdadeiro reaparecimento destes materiais começou com o uso de estruturas compósitas leves para muitas soluções. Inicialmente eram utilizados em aplicações eléctricas como dielétricos e cúpulas de radar pelas suas propriedades eletromagnéticas. Nas décadas de 80 e 90, o uso de compósitos tornou-se muito comum para melhorar o desempenho de veículos espaciais e aviões militares. A crescente preocupação com o ambiente e com a redução de custos de fabricação em conjunto com a reintrodução das fibras naturais nas tecnologias de compósitos reforçados, deu origem a novos desenvolvimentos no uso destes materiais, nomeadamente na proteção do homem em incêndios e impactos. Atualmente, os mercados de materiais compósitos estão cada vez mais difundidos. Estudos recentes mostram que o maior mercado continua a ser o dos transportes (31%), mas a construção civil (19,7%), marinha (12,4%), equipamento elétrico/electrónico (9,9%), produtos de consumo (5,8%), aparelhos e equipamentos comerciais são também mercados em grande expansão. O mercado aeroespacial e de aeronaves representa apenas 0,8 % o que é surpreendente tendo em conta a sua importância na origem dos compósitos.
Características
A primeira geração mostra-se empírica e ancestral, onde a necessidade e não o design, era responsável pelo uso do biomaterial. Foi a era de ouro, aço, marfim, madeira e vidro, entre outros. Nesta geração, eram utilizados materiais maioritariamente naturais. Olhos de vidro, dentes de ouro, coroas dentárias de chumbo entre outros são aplicações exemplificativas desta geração.
A segunda geração é compreendida até meados do século XX e inclui metais e ligas de titânio para implantes dentários, ortopédicos de cobalto-cromo-molibdénio, os polietilenos de peso molecular e densidade muito altos (UHMWPE) para a reposição de articulação, as válvulas cardíacas e os pacemakers.
Recentemente surgiu a designada terceira geração e emergiu a partir de várias pesquisas para que os materiais durem muito mais tempo do que os já existentes e serem mais bem adaptados à vida prolongada no ambiente do corpo humano.
Neste campo, são poucos os exemplos no mercado, pois muitos estão em desenvolvimento. São exemplos desta etapa os implantes para regenerar o tecido e não simplesmente substituí-lo, como a pele artificial (Integra® Life Science), cartilagem para regeneração de articulações (Carticel®, Genzyme Co.), cimentos ósseos reabsorvíeis, componentes biológicos geneticamente modificados (como células ou proteínas morfogenéticas ósseas (BMP2) associadas com cerâmicas de fosfato de cálcio, colágeno, superfícies de titânio com revestimentos nanométricos de cerâmicas de fosfato de cálcio (estruturas tridimensionais de cerâmicas de fosfato de cálcio associadas às células.)
A biocompatibilidade, ou seja, o desempenho dos biomateriais e a resposta dos tecidos vivos à presença de materiais estranhos, é influenciada por diferentes fatores, nomeadamente por características intrínsecas dos materiais utilizados e por condições do doente (idade, sexo, estado geral de saúde, estilo de vida, etc.) assim como pela qualidade das intervenções médicas.
O desempenho dos biomateriais depende da composição química, da morfologia e da macro e microporosidade. As propriedades mais importantes são a cristalinidade e as propriedades elásticas, a hidrofobicidade, a resistência à corrosão e ao desgaste, a cor, a resistência térmica e as propriedades reológicas, ou seja, a viscosidade.
Biodegradabilidade
Os materiais biodegradáveis, como os polímeros, podem ser decompostos naturalmente e seus produtos permanecerão dentro do corpo humano. Os materiais biorreabsorvíveis são degradados após um período de tempo e os produtos resultantes são atóxicos para efeitos de eliminação gradual. A degradação química ocorre de duas formas:
Degradação hidrolítica - que ocorre simplesmente pela água;
Degradação enzimática - que ocorre principalmente pela ação de agentes biológicos, tais com as enzimas.
As vantagens do uso de polímeros biodegradáveis em relação aos materiais metálicos tradicionais incluem a redução da capacidade de tensão acumulada, o alívio de dorese a eliminação da necessidade da segunda cirurgia para a remoção dos implantes metálicos.
As fases dos compósitos são chamadas de matriz – que pode ser cerâmica, polimérica e metálica – e a fase dispersa – geralmente fibras ou partículas que servem como carga.
As propriedades do compósito é uma função de fatores como a geometria da fase dispersa, distribuição, orientação e também da compatibilidade interfacial entre os constituintes da mistura.
Características de Compósitos de Matriz Metálica (CMM)
Estes compósitos oferecem vantagens em relação aos materiais convencionais combinando as propriedades do metal que serve de matriz com as propriedades do material que serve de reforço. Esta combinação de vantagens é superior que a conseguida com os compósitos poliméricos.
Comparando o número de aplicações onde se utiliza os compósitos metálicos com os compósitos poliméricos e materiais convencionais é pequeno. O elevado preço de produção e técnicas insuficientes (difícil processamento) condicionam a utilização destes compósitos.
Por fim, as fibras podem ser utilizadas como reforços incluindo também reforços de natureza cerâmica.
Características de Compósitos de Matriz Cerâmica (CMC)
São inerentemente resistentes a oxidação e a deterioração sob temperaturas elevadas;
São leves e rígidos;
Apresenta melhor resistência em relação as cerâmicas convencionais;
São suscetíveis à fratura frágil.
Exemplos de Materiais Cerâmicos de Reforço
Fibra de vidro;
Fibra de carbono;
Fibra de carbeto de silício.
Aplicações e Atualidades
Apesar de os biomateriais e materiais compósitos estarem sempre relacionado a tecnologia e atualidade, existem relatos de uso de materiais tais como ouro e linho usados em suturas desde o Antigo Egito, notasse, portanto, a necessidade desde a antiguidade de materiais que interagem com o organismo e com o nosso sistema de forma benéfica.
Na medicina encontramos uma boa quantidade de exemplos de biomateriais tais como:
Pele artificial
Inicialmente criado a partir de um material biológico, a fibrina-agarose, com boas taxas de biocompatibilidade com o receptor, com baixo índice de rejeição, degenerescência ou infecção. Outros substitutos artificiais da pele já foram criados com outros biomateriais, como colagénio, fibrina, ácido poliglicólico, quitosana e outros.
UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) ou Polietileno de alta densidade e elevado peso molecular
Provavelmente o material mais utilizado como base na produção de biomateriais e compósitos, este material vem sendo utilizado e melhorado cada vez mais na produção de proteses, juntas e/ou ligamentos ósseos, sua resistência à abrasão, resistência à fractura por impacto, resistência a fissuras, inércia química, baixo coeficiente de atrito, auto lubrificação, absorção de ruídos, não absorção de água e sua biocompatibilidade o torna um biomaterial de larga utilização.
Alumína
A alumina é um material altamente inerte e resistente à maioria dos ambientes corrosivos, incluindo o ambiente altamente dinâmico que é o corpo humano. Sob condições fisiológicas é praticamente inerte, causando pouca ou nenhuma resposta dos tecidos em volta e mantendo-se essencialmente inalterado. No entanto, o corpo humano a reconhece como material estranho e procura isolá-lo formando uma camada de tecidos fibroso não aderente em volta do implante onde necessário. Existem uma série de características que fazem da aluminia um excelente biomaterial, entre elas, o seu elevado grau de inércia química sob condições fisiológicas e uma dureza excelente.
Fosfatos de cálcio
As cerâmicas de fosfato de cálcio têm elevado potencial para aplicações como biomaterial devido à similaridade química e estrutural com a apatita biológica, que está presente em grandes proporções na fase mineral de ossos e dentes. Estes materiais apresentam excelente biocompatibilidade e comportamento bioativo, possibilitando elevados níveis de osseointegração e osteocondução.
Os fosfatos de cálcio têm sido amplamente estudados e empregados em aplicações abrangendo todo o sistema esquelético, como reconstruções crânio-maxilo-facial e tratamento de defeitos ósseos.
Como exemplos de materiais compósitos podemos citar:
De matriz polimérica:
Biopolímeros
A alternativa mais completa para substituição dos derivados do petróleo que devido a sua alta taxa de poluição e seu longo tempo de degradação, algo cerca de 40 anos, vem sendo trocados por biopolímeros, que podem ser ou não de origem de substâncias naturais tais como do milho, onde é extraído o amido e este é submetido a um processo químico desestabilizando e rearranjando sua cadeia molecular até a formação de um novo material parecido com um plástico misturado com outros polímeros biodegradáveis de origem do petróleo que após 180 dias se encontram totalmente degradados.
Fibra de Vidro
É o material compósito produzido basicamente a partir de uma resina poliéster ou outro tipo de resina (a matriz) reforçada com pequenas partículas de vidro (material de reforço) e posterior aplicação de uma substância catalisadora de polimerização.
O material resultante é geralmente altamente resistente, possui excelentes propriedades mecânicas e baixa densidade.
Permite a produção de peças com grande variedade de formatos e tamanhos, tais como, cascos e hélices de barcos, fuselagens de aviões, caixas d'água, piscinas, pranchas de surf, recipientes de armazenamento, peças para inúmeros fins industriais em inúmeros ramos de actividade, carroçarias de automóveis, na construção civil e em milhares de outras aplicações.
Fibra de carbono
Este compósito tem como material de matriz uma resina polimérica designada epóxi e como material de reforço a fibra de carbono.
Devido não só à sua resistência mecânica e térmica, mas também devido à sua leveza, este compósito tem diversas utilizações. É utilizado em acessórios de desporto tais como, tacos de golf, sticks de hockey, protecções de joelhos e cotovelos, capacetes, raquetas, skis, pranchas, remos; e na construção de veículos (carros, motas, barcos e aeronaves).
Fibra de Aramida
Este compósito é constituído por uma matriz polimérica de epóxi e por o material de reforço, a fibra de aramida. Este compósito, também conhecido por Kevlar®, tratasse de uma fibra com elevada resistência mecânica e muito leve. O Kevlar® é resistente ao calor e pode ser até sete vezes mais resistente que o aço, por unidade de peso.
Compósitos de matriz metálica e cerâmica
Apesar de serem utilizados em reduzido número os compósitos metálicos e cerâmicos também estão presentes no nosso dia-a-dia.
Ferramentas de corte
Os compósitos cerâmicos têm uma elevada resistência ao calor, são quimicamente inertes e têm uma melhor resistência à erosão, como por exemplo, as brocas, facas e discos de corte.
Indústria Naval, Aeronáutica e balística
Os compósitos metálicos por sua vez são matérias com elevada resistência, superior até á alguns compósitos poliméricos podem ser utilizados na produção de peças em geral que demandem baixo desgaste, fuselagem e hélice.
Atualidades
Devido a extraordinária capacidade do corpo humano detectar se um objeto é um material do corpo humano ou não, o setor de produção e desenvolvimento de biomateriais e materiais compósitos tem-se preocupado em melhorar os fatores ligados a compatibilidade entre esses dispositivos e o corpo humano, as suas principais propriedades que devem ser levadas em conta e tendem ser melhoradas são resistência, elasticidade, rugosidade, permeabilidade, estabilidade e bioatividade, fazendo com que o número de intervenções cirúrgicas diminuam, diminuindo consequentemente os risco oferecidos aos pacientes além de um possível trauma cirúrgico.
Apesar do uso de biomateriais constituídos por metais, cerâmicas, polímeros, híbridos e compósitos já estar bem consolidado nas mais diversas aplicações, o desenvolvimento de biomateriais inovadores, diferentes em termos de composição e de características, como novos scaffolds para aplicação na área de engenharia teciduale culturas de células tronco e dispositivos customizados, adaptáveis ou apropriados para o caso de indivíduos em crescimento, assim como de novas tecnologias para sua produção e caracterização, têm ainda papel de grande relevância na área e demandarão muitos esforços e investimentos.
Neste campo, são poucos os exemplos no mercado, pois muitos estão em desenvolvimento.
Conclusão
Nas últimas décadas, o setor de biomateriais não só cresceu em número de produtos disponíveis e em desenvolvimento, mas também avançou economicamente de maneira significativa. Seu impacto na melhoria da qualidade da vida humana é inegável e sua contribuição futura deve ser numericamente mais elevada, tendo em vista a tendência bem estabelecida de envelhecimento populacional.
Entretanto, apesar da grande disponibilidade atual de biomateriais, os desenvolvimentos nesta área são ainda uma necessidade, visto que boa parte dos dispositivos tecnologicamente mais avançados está restrita ao uso somente por uma pequena parcela da população mundial.