Apostila de Biomateriais

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Sumário 
1. CONCEITOS BÁSICOS .......................................................................................................... 4 
1.1. Evolução no desenvolvimento e aplicação de biomateriais ........................................... 4 
1.2. PROPRIEDADES E DEFINIÇÕES DOS BIOMATERIAIS ................................................... 7 
2. CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS ......................................................................... 9 
2.1 Estrutura ............................................................................................................................. 9 
Estrutura atômica ......................................................................................................................... 9 
Ligações químicas ........................................................................................................................ 9 
2.1.1 - Sólidos Cristalinos e Não Cristalinos ............................................................................. 10 
2.1.2 - Definição de Rede, Base e Célula Unitária ..................................................................... 11 
2.1.3 - Sistemas Cristalinos e Redes de Bravais ...................................................................... 12 
Sistemas cristalinos ................................................................................................................................. 12 
Redes Bravais .......................................................................................................................................... 12 
2.2 Propriedades Mecânicas ................................................................................................. 13 
Curva Tensão versus Deformação .......................................................................................................... 13 
Ductilidade .............................................................................................................................................. 15 
Resiliência................................................................................................................................................ 15 
Tenacidade .............................................................................................................................................. 15 
Dureza ..................................................................................................................................................... 16 
Fadiga ...................................................................................................................................................... 16 
Comportamento elástico ........................................................................................................................ 17 
Comportamento plástico ........................................................................................................................ 17 
As principais propriedades mecânicas para os biomateriais ................................................................ 17 
2.3 Processamento................................................................................................................. 18 
2.4 Seleção e aplicação ......................................................................................................... 19 
3. CLASSIFICAÇÃO ................................................................................................................. 21 
3.1. Polímeros .......................................................................................................................... 21 
3.2. Metais ................................................................................................................................ 22 
3.3. Cerâmicas ......................................................................................................................... 23 
3.4 Compósitos ...................................................................................................................... 25 
Compósito................................................................................................................................................ 25 
Tipos de Compósitos ............................................................................................................................... 26 
3.5. Biomateriais ...................................................................................................................... 27 
UHMWPE ................................................................................................................................................. 27 
Hidroxiapatita ......................................................................................................................................... 27 
Alumina ................................................................................................................................................... 28 
Bio Vidros ................................................................................................................................................ 29 
 3 
Zircônia .................................................................................................................................................... 29 
Ligas de titânio ........................................................................................................................................ 30 
Materiais semicondutores ...................................................................................................................... 30 
Nanomateriais ......................................................................................................................................... 32 
4. CONTEXTO ATUAL .............................................................................................................. 34 
4.1 PESQUISA (PROJETOS DE NOVOS MATERIAIS) .......................................................................... 34 
4.1.1 Ossos .............................................................................................................................................. 34 
4.1.2 Vasos Sanguíneos........................................................................................................................... 36 
4.1.3 Materiais dentários ............................................................................................................ 37 
4.1.4 Olhos ................................................................................................................................... 38 
4.1.5 Crânio ................................................................................................................................. 38 
4.1.6 Pele ..................................................................................................................................... 39 
4.2 MERCADO ......................................................................................................................... 40 
Referências bibliográficas ......................................................................................................... 42 
 
 
 
 4 
 
1. CONCEITOS BÁSICOS 
 
“Materiais inertes utilizados em um dispositivo médico, destinados a interagir 
com sistemas biológicos” 
 1ª Conferência de Consenso sobre Definições de Biomateriais 
(Chester, Reino Unido, 1986). (1) 
 
“Materiais destinados a interagir com sistemas biológicos para avaliar, tratar, 
aumentar ou substituir um tecido ou órgão ou alguma função no corpo” 
2ª Conferência de Consenso sobre Definições de Biomateriais 
(Chester, Reino Unido, 1991). (1) 
 
“Um biomaterial é uma substância projetada para tomar uma determinada 
forma tal que, sozinha ou como parte de um sistema complexo, é utilizadapara direcionar, pelo controle das interações com componentes de sistemas 
vivos, qualquer procedimento terapêutico ou diagnóstico, na medicina 
humana ou veterinária. ” 
(Williams, 2009). (1) 
 
 
1.1. Evolução no desenvolvimento e aplicação de biomateriais 
 Os primeiros dispositivos para tratamento de tecidos humanos danificados foram 
utilizados a mais de 4000 anos, onde se tem registros de uso de suturas de linho e ouro no 
Antigo Egito, também foram encontrados o uso de dentes artificiais feitos de conchas pelos 
maias em 600 a.C., de ferro pelos franceses e de ouro e madeira pelos romanos, chineses 
e astecas em 200 a.C. (1) 
 Durante a 2ª Guerra Mundial, foi observado que os ferimentos dos soldados não 
geraram reações a alguns corpos estranhos pelos quais eram atingidos, assim materiais de 
alto desempenho criados para uso militar começaram a ser aplicados no uso médico. E 
após esse período, emergiu o campo de pesquisa e desenvolvimento para aprimorar os 
materiais para utilização em implantes e outros dispositivos médicos. (1) 
 5 
 O crescimento constante do mercado de biomateriais é uma consequência ligada ao 
envelhecimento da população, que ao longo do tempo vem representando uma grande 
parte dos pacientes que necessitam de cuidados médicos. O tratamento de feridos e de 
pacientes com má formação de tecidos também são uma parcela significativa dos usuários 
de implantes e enxertos. (1) 
 A evolução dos biomateriais pode ser dividida por gerações, como representado da 
Figura 1, os materiais foram evoluindo com o tempo e com sua evolução houve o aumento 
do potencial regenerativo do biomaterial implantado. 
 A primeira geração foi marcada pelo uso de materiais que gerassem a mínima 
interação com o hospedeiro e fossem biocompatíveis, onde o principal objetivo era atender 
à necessidade e não obter um design funcional. Nesta geração os principais materiais foram 
o ouro, aço, marfim, madeira e vidro, entre outros. (2) 
 A segunda geração foi marcada pela união dos materiais biocompatíveis da 
primeira geração e inclusão de propriedades bioativas, onde também houve o 
aproveitamento de materiais desenvolvidos para outras aplicações, como na indústria 
automobilística e aeronáutica. Nesta geração os principais materiais foram os metais e ligas 
de titânio, os polietilenos de alto peso molecular, lentes acrílicas, entre outros. (2) 
 A terceira geração foi marcada pelo aprimoramento de propriedades, 
desenvolvendo materiais com características específicas de acordo com a aplicação 
desejada, restaurando a funcionalidade da região implantada. Nesta geração os principais 
materiais foram os com potencial de biodegradação, bioreabsorção e com propriedades 
regenerativas. (3) 
 A quarta geração pode estar surgindo pouco a pouco, onde as principais 
propriedades desenvolvidas têm objetivo de tornar os novos biomateriais em: Biointerativos 
e/ou Biomiméticos. Onde os materiais possuem características que promovem uma 
participação ativa na recuperação dos tecidos estimulando-os em nível celular. (1) 
 As pesquisas e desenvolvimento na área de Engenharia Tecidual também vem 
crescendo e são biomateriais com mercado muito promissor, devido ser uma área de 
pesquisa atual também se enquadra na quarta geração. (1) 
 
 
 
 6 
 
Figura 1: Evolução da funcionalidade e da capacidade regenerativa dos biomateriais ao longo de seu 
desenvolvimento (1) 
 
 Os desenvolvimentos de novos materiais dependem do trabalho conjunto de várias 
áreas, como representado na Figura 2, pode-se observar que áreas de especialidades 
diferentes podem estar unidas para a realização da pesquisa e desenvolvimento de 
produtos. (1) 
 
Figura 2: Fluxograma das relações entre especialidades relacionadas à pesquisa e desenvolvimento de 
biomateriais. (Adaptado de: SOUZA et al., 2015) 
 7 
1.2. PROPRIEDADES E DEFINIÇÕES DOS BIOMATERIAIS 
 Com o avanço de técnicas médicas nas últimas décadas obteve-se um aumento na 
expectativa de vida da população mundial, onde o envelhecimento da população é 
acompanhado pela perda da atividade natural de tecidos e órgãos. (4) 
 As alternativas disponíveis para a realização de procedimentos cirúrgicos de 
reconstrução de tecidos e órgãos estão descritas na Figura 3: 
 
 
Figura 3: Descrição dos tipos de produtos disponíveis para a realização de procedimentos cirúrgicos 
(Adaptado de: ÓREFICE et al., 2012)(4) 
 
 Entre as alternativas citadas a que vem obtendo o maior destaque é o uso de 
biomaterial, devido sua versatilidade de manipulação de estrutura, propriedades e 
interações com sistemas vivos. (4) 
 Existem muitas propriedades que podem estar presentes nos biomateriais, dentre 
elas as imprescindíveis são: a Biocompatibilidade, ser Esterilizável e a 
Biofuncionalidade. 
 
● Biocompatível: para ser considerado biocompatível o biomaterial não deverá ser 
tóxico, carcinogênico, antigênico e nem mutagênico, também não deverá interferir na 
regeneração de tecidos lesionados durante o procedimento cirúrgico e os tecidos 
adjacentes ao local que será aplicado devem tolerar bem as propriedades 
biomecânicas dos materiais. (5) 
● Esterilizável: Para ser considerado esterilizável o biomaterial deverá tolerar um 
processo de esterilização, onde não poderá sofrer degradação e não perder 
propriedades. A esterilização é um processo que consiste em incidir uma temperatura 
 8 
sobre o material, que seja elevada até que os micro-organismos presentes sejam 
afetados, eliminando-os de através do aumento de temperatura e período de exposição 
ao calor. (6) 
● Biofuncionalidade: para ser considerado biofuncional o biomaterial deve apresentar 
as propriedades químicas, físicas, mecânicas e biológicas correspondentes à mesma 
função que o tecido o qual ele deverá substituir desempenha naturalmente. Poderá 
interagir com o hospedeiro e estimular a reparação e a regeneração de tecidos. (7) 
 
 Além dessas, há outras propriedades muito importantes, e as definições dessas 
propriedades foram definidas durante a ʺConsensus Conferenceʺ organizada pela 
Sociedade Europeia de Biomateriais, que foi realizada em 1986. 
● Bioatividade: quando o biomaterial promove a formação espontânea de uma 
ligação com o tecido adjacente. 
● Biodegradação: quando o biomaterial sofre um processo de redução gradual da 
qualidade de suas propriedades ou características em ambiente biológico. 
● Bioreabsorção: quando há perda de massa gradativa de um material promovida 
pela solubilização do material por fluídos corpóreos. 
● Bioinerte ou Quase Inerte: quando o material não promove interação física, 
química ou biológica ao ambiente em que está inserido. 
● Bioestabilidade: quando um material possui a capacidade de resistir a um ambiente 
biológico sem apresentar alterações em sua estrutura ou suas propriedades. 
● Adsorção de Proteínas: é um fenômeno onde ocorre condensação de moléculas 
de proteína na superfície do material, causado devido às proteínas possuírem 
grupamentos polares e apolares, propiciando uma concentração de proteínas numa 
interface separando duas fases distintas (biomaterial e fluidos corpóreos). (4) 
● Osteogênese: é o processo de formação de tecido ósseo. 
● Osteointegração: é o processo onde o material e tecido ósseo integram-se, 
formando um único conjunto. 
● Osteocondução: é o processo onde o tecido ósseo pode gerar um crescimento 
direcionado através do material, em consequência da presença de poros, fendas, 
canais, entre outros. 
● Osteoindução: é o processo onde há a indução de células mesenquimais 
indiferenciadas a se tornarem osteoblastos. (3) 
● Osteoblastos: são célulasresponsáveis pela formação de tecido ósseo. (3) 
 9 
● Hemocompatibilidade: é definida principalmente pela capacidade de homeostase. 
(4) 
● Homeostase: é o processo de coagulação sanguínea seguida da redissolução do 
coágulo formado. (4) 
● Trombogênico: é a propriedade de um material de induzir ou promover a formação 
de trombos, que são coágulos sanguíneos. (4) 
● Angiogênese: é o processo de crescimento de novos vasos sanguíneos. 
 
 
2. CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
 
2.1 Estrutura 
Estrutura atômica 
O átomo consiste de partículas elementares denominadas de Nêutrons, 
Prótons e Elétrons. Cada uma destas partículas apresenta características 
particulares, de massa e carga elétrica. Os nêutrons e os prótons formam o núcleo 
do átomo, ao redor do qual circulam os elétrons em órbitas de translação formando 
uma espécie de “nuvem” eletrônica envoltória. Tanto os elétrons como os prótons 
possuem uma carga elétrica de 1,60x10-19 C (Coulomb) que é negativa para os 
primeiros e positiva para os segundos. Os nêutrons não possuem cargas elétricas, 
mas possuem uma massa de aproximadamente 1,67x10-27 kg, que é a mesma para 
os prótons e que é significantemente maior que a do elétron, 9,11x10-31 kg. Cada 
elemento químico é caracterizado por um número de prótons no seu núcleo ou 
Número Atômico (Z). Para um átomo completo (eletricamente neutro), o número 
atômico é também igual ao número de elétrons. A Massa Atômica (A) de um átomo 
específico pode ser expressa pela soma do número de prótons e de nêutrons dentro 
do núcleo. (8) 
 
Ligações químicas 
Ligações Químicas Primária: A ligação envolve os elétrons de valência e 
depende das estruturas eletrônicas dos átomos, se origina da tendência dos átomos 
 10 
em adquirir estruturas eletrônicas estáveis. Como exemplo de ligações primárias 
podemos citar: 
● Iônica; 
● Covalente; 
● Metálica. 
 
Ligações Secundária (Físicas): São mais fracas que as primárias, mas ainda 
influenciam nas propriedades físicas dos materiais. Como exemplo de ligações 
secundárias podemos citar: 
Van der Waals; 
Dipolo-dipolo; 
Dipolo-dipolo induzido. 
 
2.1.1 - Sólidos Cristalinos e Não Cristalinos 
 Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade 
em que seus átomos ou íons estão arranjados aos outros. Podem ser classificados 
em: 
● Sólidos Cristalinos: São os materiais em que os átomos encontram-se 
ordenados sobre longas distâncias atômicas posicionados sobre uma 
estrutura tridimensional de pontos chamada rede cristalina. Como exemplo 
podemos citar os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros. A figura 4 
apresenta um exemplo de cerâmica cristalina.(8) 
 
 
 
 
Figura 4 - Representação de SiO2 cristalino. Adaptada de Fig. 3.23(a), Callister & Rethwisch 8e. 
 
● Sólidos não cristalinos: Também denominados materiais amorfos, não 
apresentam ordem em longo alcance na disposição de seus átomos. 
 
 11 
 
 
Figura 5 - Representação de SiO2 amorfo. Adaptada de Fig. 3.23(b), Callister & Rethwisch 8e. 
 
Existem inúmeras estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas 
pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelos materiais cerâmicos e 
polímeros. (8) 
 
2.1.2 - Definição de Rede, Base e Célula Unitária 
Rede: pode ser definido como um padrão de pontos que se repete, no qual 
todos os pontos apresentam a mesma vizinhança, na mesma orientação. Qualquer 
ponto da rede coincide com outro ponto pela aplicação de uma operação de simetria 
de translação. A rede é uma grade de pontos sobre a qual um padrão e, portanto, 
um cristal pode ser construído através da associação de uma base idêntica em cada 
ponto de rede.(8) 
Base: representa a unidade que se repete associada a cada ponto de rede. 
No caso mais simples é um átomo, e nos mais complexos a base pode ser composta 
por vários átomos ou íons ou molécula.(8) 
Célula Unitária: A célula unitária representa uma subunidade da rede. A rede 
pode ser reconstruída pela repetição da célula unitária (translação no espaço).(8) 
 
 
 
(a) (b) (c) 
Figura 6 - Representações de células unitárias. (a) Representação por esferas, (b) Representação de 
esferas rígidas e (c) Representação de uma célula unitária de um reticulado cristalino. Fonte: Callister & 
Rethwisch 8ª ed. 
 12 
2.1.3 - Sistemas Cristalinos e Redes de Bravais 
 
Sistemas cristalinos 
Existem sete células unitárias podem ser reconhecidas para as redes 
tridimensionais, ou seja, células que podem ser empilhadas para preencher o 
espaço. Essas células são associadas com sete sistemas de eixos cristalográficos 
chamados “sistemas cristalinos”. 
Eixo cristalográfico é qualquer das linhas imaginárias que atravessam um 
cristal, encontrando-se em seu centro. Há um eixo frontal ao observador, chamado 
de a; um eixo vertical, chamado de c; e um eixo perpendicular a esses dois, chamado 
de b. Os eixos cristalográficos servem como referência na descrição da estrutura e 
simetria dos cristais. Medindo suas dimensões relativas e os valores dos ângulos 
pode-se determinar a qual sistema cristalino pertence o cristal. A Figura 7 apresenta 
os sete sistemas cristalinos.(8) 
 
 
Figura 7 - Representação dos sistemas cristalinos. Fonte: Callister & Rethwisch 8e. 
Redes Bravais 
Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células 
unitárias, conhecidas com redes de Bravais. Cada uma destas células unitárias tem 
certas características que ajudam a diferenciá-las das outras células unitárias. Além 
 13 
do mais, estas características também auxiliam na definição das propriedades de um 
material particular.(8) 
 
Figura 8 - Representação das Redes Bravais. 
 
2.2 Propriedades Mecânicas 
 As propriedades mecânicas dos materiais definem seu comportamento 
quando sujeito a esforços. O comportamento do material mediante à uma solicitação 
mecânica é reflexo da correlação entre a sua resposta a uma carga ou força 
aplicada. Como as principais propriedades mecânicas podemos citar limite de 
resistência, dureza, ductilidade, resiliência, tenacidade à fratura entre outros.(8) 
 Essas propriedades podem ser determinadas através de ensaios mecânicos 
específicos. Os procedimentos necessários para cada ensaio são determinados por 
normas técnicas estabelecidas por instituições regulamentadoras internacionais e 
nacionais, tais como: 
● ISO – International Standard Organization; 
● ABNT- Associação Brasileira de Normas Técnicas; 
● DIN - Deutsche Industrie Normen; 
● ASTM – American Society for Testing and Materials; 
● MPIF- Metal Powder Industry Federation, etc. 
 
Curva Tensão versus Deformação 
Se uma carga é estática ou varia de maneira relativamente lenta com o tempo 
e está aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um elemento 
 14 
estrutural, o comportamento diante essa solicitação mecânica é obtido através de 
uma curva de Tensão versus Deformação. Essa curva pode ser obtida através dos 
ensaios representados na Figura 9.(8) 
 
 
 
(a) (b) 
 
 
(c) 
Figura 9 - Representação esquemática de como uma carga produz deformação em (a) Tração, (b) 
Compressão e (c) Cisalhamento. Fonte: Callister & Rethwisch 8ª ed. (8) 
 15 
Ductilidade 
É a medida do grau de deformação plástica que foi sustentada na fratura. Um 
material que experimenta muito pouca ou nenhuma deformação plástica antes da 
fratura é denominado frágil. Os comportamentos de tensão de tração-deformação 
para materiais tanto dúcteis quanto frágeis são esquematicamente ilustrados na 
Figura 10. (8) 
 
Figura 10 - Representação esquemáticado gráfico Tensão versus Deformação para materiais 
frágeis e dúcteis.(8) 
 
 
 
Resiliência 
 
Resiliência é a capacidade de um material tem em absorver energia quando 
ele é deformado elasticamente. No descarregamento toda essa energia é liberada.(8) 
 
Tenacidade 
 
Tenacidade é a capacidade de um material tem de absorver energia até a 
fratura. A geometria da peça bem como a maneira como é trabalhada são 
importantes nas determinações desta propriedade.(8) 
A tenacidade pode ser quantificada a partir dos resultados de um teste de 
tensão de tração deformação. É a área sob a curva até o ponto de fratura. Para um 
 16 
material ser tenaz, ele deve exibir tanto resistência mecânica quanto ductilidade. 
Dessa forma pode-se afirmar que materiais dúcteis são mais tenazes do que outros 
materiais frágeis. Isto está demonstrado na Figura 10. 
 
Dureza 
 
A dureza é definida como a resistência do material à deformação plástica 
localizada. Medidas quantitativas de dureza são realizadas pela penetração de 
pequenos indentadores na superfície do material a ser ensaiado, sob condições 
controladas de carga e taxa de aplicação.(8) 
A profundidade ou tamanho da indentação resultante é medida e relacionada 
a um número de dureza. Para a medida de dureza existem várias escalas, conforme 
apresentado na Figura 11.(8) 
 
 
Figura 11 - Técnicas para ensaio de dureza. Fonte: Callister & Rethwisch 8e. 
 
Fadiga 
 
Denomina-se efeito de fadiga a ruptura de uma peça sob esforços repetidos, 
a uma tensão inferior à resistência obtida nos ensaios estáticos. Ela é, em geral, 
determinante no dimensionamento de peças de máquina e vigas sob efeito de cargas 
móveis. Existem vários exemplos documentados de rupturas de eixos rotativos de 
turbinas e de outros equipamentos mecânicos que permanecem em operação 
 17 
durante muito tempo. A tensão que um material pode suportar ciclicamente é muito 
menor que a suportável em condições estáticas. O limite de escoamento, que é uma 
medida da tensão estática sob a qual o material resiste sem deformação 
permanente, pode ser usado como um guia apenas para estruturas que operam em 
condições de carregamento estático.(8) 
 
Comportamento elástico 
É aquele em que a deformação é reversível, ou seja, as ligações químicas 
dos átomos do material não sofrem recombinação, e a força externa aplicada não 
ultrapassa o limite do poço de potencial destas ligações. Ex. mola. 
 
Comportamento plástico 
É aquele em que a deformação é irreversível, ou seja, as ligações químicas 
dos átomos do material se moveram sofrendo algum tipo de recombinação com 
outros átomos da vizinhança, isto é, os planos cristalinos se deslocaram uns em 
relação aos outros e a força externa aplicada removeu os átomos para fora do poço 
de potencial, ou seja, para fora da posição de equilíbrio.(8) 
As principais propriedades mecânicas para os biomateriais 
As principais propriedades mecânicas que devem ser levadas em conta quando se 
seleciona um biomaterial são: 
● Resistência: aplicações que requerem alta resistência incluem enxertos de veia 
aorta, válvulas cardíacas, balões de angioplastia e implantes odontológicos e 
ortopédicos. Alguns desses dispositivos requerem propriedades bastante 
específicas; 
● Módulo (elasticidade, torção ou flexão: o módulo de torção e de flexão é de interesse 
para materiais como cateteres, que podem sofrer torque e fazer percursos tortuosos 
dentro dos vasos. Muitos elastômeros devem ter capacidade de se alongar com 
baixa carga, logo, devem ter baixo módulo de torção, flexão ou elasticidade. 
● Fadiga: os dispositivos que devem suportar esforços cíclicos sem permitir 
propagação de trinca são em sua maioria feitos de poliuretano, poliéster e metais em 
geral. Esses dispositivos funcionam em sua maioria como implantes ortopédicos, 
odontológicos e cardiovasculares. 
 18 
● Rugosidade: em aplicações onde é desejado baixo atrito, como em implantes de 
juntas ortopédicas, utilizam-se materiais com acabamentos espelhados. Quando se 
deseja uma integração tecido-implante, como em implantes endoósseos, é desejada 
uma alta rugosidade. 
● Taxa de permeação: dispositivos como lentes de contato requerem uma alta taxa 
de permeação de gases. Geralmente a permeação decresce com a cristalinidade do 
material. Os hidrogéis são permeáveis a água e são muito utilizados como 
liberadores de drogas. 
● Absorção de água: alguns materiais sofrem mudanças dramáticas em sua 
resistência à tração, fadiga, fluência, em seu módulo de elasticidade, torção ou flexão 
quando ligeiramente umedecidos. A degradação também é afetada pela absorção 
de água: materiais hidrofílicos tendem a se degradar do interior para a superfície 
enquanto materiais hidrofóbicos tendem a ter primeiramente suas superfícies 
degradadas. 
 
 
2.3 Processamento 
 Os processos de fabricação de produtos podem variar de acordo com o 
material que será utilizado, na Figura 20 está representada, em formato de 
fluxograma, uma progressão ao longo da rota de fabricação (19). 
 
 19 
 
Figura 12- As classes de processamento desde a matéria-prima até o produto final. Fonte: Ashby et al., 
2012. 
 
 A Figura 12 representa um fluxograma de processamento de materiais, porém 
deve se levar em consideração que a ordem das etapas pode variar de acordo com 
as necessidades do projeto, porém ilustra as principais divisões de processamento: 
conformação, união e acabamento (9). 
 
 
2.4 Seleção e aplicação 
Para se selecionar qual é o tipo de biomaterial mais adequado, deve-se levar 
em consideração a região de aplicação deste e o material. A Figura 13 exibe o 
fluxograma do ciclo de vida de um biomaterial desde a sua necessidade até o uso 
clínico. 
 
 20 
 
Figura 13- Fluxograma do ciclo de vida de um biomaterial. Adaptado de Pires et Al (2015) (10) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 21 
3. CLASSIFICAÇÃO 
 
3.1. Polímeros 
 Polímeros são longas cadeias moleculares que consistem de pequenas 
unidades de repetição denominadas meros. 
Geralmente, o aumento da massa molecular de um polímero influencia 
positivamente as suas propriedades físicas, entretanto reduz a sua processabilidade. 
Isso ocorre devido ao aumento das interações moleculares (como ligações de 
hidrogênio). (10) 
Atualmente há grande variedade de polímeros sintéticos disponíveis, cada 
qual com suas propriedades, o que possibilita o uso em inúmeras aplicações. 
 As propriedades mecânicas como módulo de elasticidade, fadiga e tensão 
limite de ruptura variam muito de espécie para espécie. Por exemplo, polímeros 
amorfos e elásticos apresentam módulos de elasticidade muito pequenos e elevada 
extensibilidade, enquanto polímeros vítreos e semicristalinos possuem módulos 
maiores e baixa extensibilidade. Para o projeto de biomateriais é muito importante a 
tensão limite de ruptura, já que a falha em polímeros tende a ser a ruptura completa 
do material. A fadiga também é muito importante, principalmente em aplicações 
dinâmicas e cíclicas, como corações artificiais. (10) 
 Da grande variedade de biomateriais poliméricos, os principais são: polimetil-
metacrilato (PMMA), polietileno de alta densidade (HDPE), polipropileno (PP), 
politetrafluoretileno (PTFE, Teflon), polivinilcloreto (PVC) e poliamida (PA, Nylon). 
O PMMA é um polímero linear, hidrofóbico, vítreo em temperatura ambiente, 
com boa transmitância de luz, resistência e estabilidade química. É muito utilizado 
na produção de lentes intraoculares e lentes de contato rígidas. (10) 
O HDPE é um polímero de baixocusto, com boas propriedades mecânicas e 
químicas, resistente à gorduras e óleos e esterilizável. É utilizado em tubulações 
para drenagem e catéteres. O PP é análogo ao HDPE, contudo, possui maior 
resistência à fratura. O PTFE também é muito semelhante ao PE, porém se destaca 
pela excelente lubricidade, e sua forma microporosa é usada em enxertos 
vasculares. (10) 
 
 22 
3.2. Metais 
A classe dos materiais metálicos se destaca por apresentar: excelentes 
propriedades mecânicas, boa durabilidade, possibilidade de visualização em 
imagens de raios-X, boa condutividade elétrica, superfície passível de polimento e 
abrasão e facilidade de esterilização. (10) 
As principais propriedades dos metais são explicadas como consequência 
sobretudo da estrutura em retículo cristalino e da força das ligações metálicas. A alta 
densidade é explicada pelo empacotamento dos átomos em um padrão cristalino 
tridimensional, de forma ordenada e repetida. A boa condutividade térmica e elétrica 
está associada à livre movimentação da nuvem eletrônica que envolve os núcleos 
positivos. A elevada resistência à tração é causada pela intensidade das ligações 
metálicas. E, finalmente, a deformação plástica é explicada pela ligação não-
direcional, que garante o movimento de íons metálicos sem que a estrutura cristalina 
seja destruída. (9) 
Salvo os metais nobres, todos os metais são suscetíveis a processos 
corrosivos quando expostos a ambientes biológicos. A resistência à corrosão está 
associada à formação de uma fina camada de óxidos quando a superfície do metal 
entra em contato com o ar. Esta camada de óxidos, denominada camada de 
passivação, impede que trocas de íons aconteçam através da superfície do material. 
Os defeitos microestruturais e possíveis deformações superficiais favorecem o 
rompimento da camada de passivação, que se regenera e libera íons metálicos 
durante o processo. Por um lado, a liberação de íons metálicos durante a 
repassivação pode ser prejudicial à saúde, por outro permite que o implante metálico 
seja biodegradável e dispense a remoção posterior de implantes. (10) 
Devido ao grande desempenho mecânico, os metais são amplamente 
aplicados como componentes estruturais sujeitos a altas cargas de tração e 
compressão. Alguns exemplos de aplicação estrutural em biomateriais são: 
parafusos, placas para fixação de fratura, implantes dentários e próteses. Além 
disso, a facilidade de esterilização permite a utilização de metais em instrumentos 
cirúrgicos como tesouras, agulhas, fórceps, pinças e afastadores. (10) 
Alguns exemplos de metais utilizados em aplicações biológicas são: ligas de 
cobalto, ligas de titânio e aço inoxidável. 
Existem diversos tipos de aço inoxidável que podem ser utilizados em 
implantes. Dentre eles se destaca o aço 316L, cuja composição é majoritariamente 
ferro, cromo, níquel e pouquíssimo carbono (60-65% Fe, 17-19% Cr, 12-14% Ni, 
 23 
0,030% C e o restante N, Mn, Mb, P, Si e S). A baixa concentração de carbono reduz 
a possibilidade de corrosão in vivo. Já a grande concentração de cromo confere ao 
material resistência à corrosão, que se dá através da formação de óxidos de cromo 
(Cr2O3) na camada de passivação]. (9) 
Semelhante aos aços inoxidáveis, as ligas de cobalto também possuem óxido 
de cromo (Cr2O3) na camada de passivação e, por conta disso, apresentam elevada 
resistência à corrosão inclusive em presença de cloretos (principal atributo da liga). 
(10) 
Dentre as ligas de titânio, as duas mais utilizadas no mercado de implantes 
são a F67 e F136. A primeira é composta majoritariamente de titânio (98,9~99,6% 
Ti, restante C, Fe, H, N e O), enquanto a segunda recebe elementos como alumínio 
e vanádio que contribuem duas vezes mais com o endurecimento da liga que a 
adição de oxigênio e carbono na liga F67. Além das boas propriedades mecânicas, 
as ligas de titânio possuem óxido de titânio (TiO2) na camada de passivação, que 
contribui com a osteointegração em implantes orais. (10) 
 
3.3. Cerâmicas 
 
As cerâmicas são compostos inorgânicos, formados por elementos metálicos 
e não metálicos através de ligações iônicas e covalentes. O caráter das ligações 
garante às cerâmicas estabilidade dimensional, resistência ao desgaste, resistência 
à compressão e estabilidade química em meios ácidos. () 
Se comparadas com os metais, as cerâmicas são menos densas, contudo 
também apresentam elevado grau de compactação devido a organização dos 
átomos em estruturas cristalinas tridimensionais. A baixa condutividade elétrica e 
térmica é resultado da pequena liberdade dos elétrons em se movimentarem, o que 
se justifica pelo posicionamento dos elétrons entre íons e átomos da rede cristalina. 
Além disso, organização dos átomos e a força das ligações interatômicas garante às 
cerâmicas elevada dureza, baixa resistência ao impacto, pouca deformação plástica 
e suscetibilidade à fratura. Devido a suscetibilidade à fratura, as cerâmicas são 
pouco indicadas para aplicações onde serão submetidas a elevadas tensões e 
deverão agir como sustentação mecânica. (10) 
A classificação de biomateriais cerâmicos depende da interação com o tecido 
do hospedeiro e podem ser bioinertes, bioativas e bioreabsorvíveis. Neste trabalho, 
 24 
as três propriedades são comentadas nas seções anteriores e serão aqui 
contextualizadas em cerâmicas. As cerâmicas bioinertes mantêm suas propriedades 
físicas e mecânicas enquanto implantadas, são aceitas pelo organismo não 
provocando resposta dos tecidos. As cerâmicas bioativas interagem com o tecido 
circundante, induzindo o tecido a responder ao material como se fosse um tecido 
natural. As cerâmicas bioreabsorvíveis se degradam lentamente em meio biológico 
através de reações químicas ou ações biológicas, podendo ser substituídas por 
células em crescimento. (10) 
Dentre os biomateriais cerâmicos se destacam a Alumina, Zircônia, os 
fosfatos de cálcio e os biovidros e vitrocerâmicas. 
A alumina de elevada pureza (maior que 99,5%) é utilizada em implantes 
ortopédicos como a cabeça de fêmur e próteses dentárias. Suas principais 
propriedades são: excelente resistência à corrosão; elevada resistência ao desgaste; 
elevada resistência mecânica; baixo coeficiente de fricção; boa biocompatibilidade; 
boa resistência à flexão; e boa adesão de células na superfície do material. (10) 
A zircônia é muito semelhante à alumina em termos de propriedades, contudo 
apresenta maior resistência mecânica e menor dureza. Com o objetivo de melhorar 
as propriedades mecânicas, utiliza-se alumina e a zircônia em conjunto em implantes 
ortopédicos. A zircônia também é muito utilizada em próteses dentárias pois 
apresenta melhor estética que as ligas de metais utilizados. (10) 
Os fosfatos de cálcio são muito utilizados em aplicações que envolvem o 
sistema esquelético devido a sua grande semelhança química e estrutural com a 
apatita biológica, que possibilita a osseointegração e osteocondução. Os biovidros e 
vitrocerâmicas também são utilizados em aplicações que envolvem o sistema 
esquelético. Em meio biológico o biovidro reage e forma na superfície do material 
hidroxiapatita carbonatada, responsável pela forte ligação interfacial do material com 
o tecido ósseo. A depender da formulação, a reatividade em meio biológico pode ser 
reduzida e, desta forma, a taxa de degradação pode ser controlada. (10) 
 
 
 
 
 
 25 
3.4 Compósitos 
 
Compósito 
 
O material composto é constituído por dois ou mais componentes com 
características físicas e químicas divergentes. Quando misturados eles formam um 
compósito com um conjuntos de propriedades que individualmente não apresenta. 
Os materiais queconstituem um compósitos são classificados como: matriz e o 
material de reforço (carga). A componente da matriz tem a função de incorporação 
e proteção do aditivo de reforço, já a carga confere a resistência do compósito. (2) 
 
 
 
 
Figura 14 - Exemplificação de compósito: matriz e agente reforçante. (11) 
 
 
 
 
Figura 15 – Exemplificação de compósito: matriz e agente reforçante (12) 
 
 26 
Tipos de Compósitos 
Os compósitos apresentam diversidade em relação a matriz e carga. Os mais 
comuns para a fabricação do material composto são de matriz polimérica, onde o 
polímero é termoendurecível e/ou termoplástico. No caso de o material da matriz ser 
constituído por uma liga leve de alumínio, ligas de magnésio ou ligas de titânio, a 
matriz é denominada metálica. E a matriz constituída por carbetos e nitretos é 
classificada com matriz cerâmica.(2) 
Já o material de reforço são materiais sólidos, não solúveis, podendo ser de origem 
orgânica ou inorgânica, natural ou sintética. As propriedades mecânicas do material 
composto dependem quando a geometria e as dimensões dos elementos de carga. 
As dimensões da carga relaciona-se com a razão de aspecto: maior e menor 
dimensão da partícula (L/D). Quando a razão de aspecto apresenta valor alto, 
significa que a distribuição de transferência de tensões é mais eficiente. Materiais 
de reforço que apresentam formato fibrilar apresentam alta razão de aspecto.(13) 
 
 
 
 
 
Figura 16- Tipos de elemento de carga para compósitos.(13) 
 
Fibrosa > Lamelares ou Flocos > Esféricas (razão de aspecto = 1) 
 
Para biomateriais, os compósitos de fibras de carbono-resina termofixa, fibra de 
carbono-termoplástico, carbono-carbono, fosfato de calcio-colágeno apresentam 
vantagens como: boa biocompatibilidade, resistência à corrosão, alta força de 
tensão, adaptar o compósito de acordo com a aplicação. Porém a desvantagem: 
material de fabricação incompatível, apresentando um alto custo.(14) 
 
 27 
 
3.5. Biomateriais 
UHMWPE 
(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 
Uma molécula de polietileno consiste numa cadeia de hidrocarbonetos.O tipo de 
polietileno mais utilizado em biomateriais é o polietileno de alta densidade e elevado 
peso molecular (Ultra High Molecular Weight Polyethylen - UHMWPE), que 
apresentam melhores propriedades físicas e mecânicas e que quase não tem 
ramificações, possuindo uma cadeia extremamente longa e compactada, obtendo 
um alto teor de cristalinidade. Obtido através da polimerização, o UHMWPE têm-se 
um conjunto de características que o torna superior referente aos outros 
termoplásticos como resistência a abrasão, baixo coeficiente de atrito, estabilidade 
química e não absorção de água. Para uso de nível biomédico, o UHMWPE é 
biocompatível. O UHMWPE é altamente utilizado na produção de próteses de rótulas 
e quadris e na junção do osso a próteses de outros tipos de material pois, é um 
material que apresenta baixo coeficiente de atrito. (2) 
 
 
Figura 17 - Haste femoral com encaixe acetabular de UHMWPE (15) 
 
 
Hidroxiapatita 
A hidroxiapatita é formada por fosfato de cálcio cristalino, e sua estrutura é 
semelhante ao osso. É um material bioativo pois devido as suas características 
próximas ao do tecido ósseo, consegue se integrar as estruturas ósseas favorecendo 
a osteocondução. Estes implantes são cobertos por uma camada de cerâmica de 
 28 
hidroxiapatita. Este fato deve-se à ligação química direta com os tecidos rígidos. Ao 
revestir as próteses com hidroxiapatita espera-se que quando inseridos no corpo 
humano, a interação entre este e o implante conduza à formação de um tecido ósseo 
vivo em torno do implante, osseointegração.(2) 
 
 
Figura 18 - A) Hidroxiapatita porosa e B) Cimento de hidroxiapatita utilizados para 
reconstrução da estrutura facial (16) 
 
 
Alumina 
A alumina (Al2O3) 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 alumina um 
excelente biomaterial, entre elas, o seu elevado grau estabilidade química sob 
condições fisiológicas e uma dureza excelente. Devido à possibilidade de polimento 
com alto acabamento superficial e sua excelente resistência de uso, alumina é muito 
utilizada em próteses de substituição de articulações. Tais aplicações incluem 
articulações do fémur e substituições de ancas e rótulas. Cabeças femorais de 
alumina é utilizada sem conjunto com uma haste femoral metálica e um copo 
acetabular feito de polietileno de peso molecular muito alto (UHMWPE). Alumina 
porosa também pode ser utilizada como scaffold de osso, facilitando o crescimento 
do tecido e vascularização.(2) 
 
 29 
 
Figura 19 - Haste femoral de alumina. (17) 
 
Bio Vidros 
O biovidro são sintetizados para ser um material constituintes de prótese ou para 
preenchimento de defeito ósseo. São produzidos para desempenhar comportamento 
fisiológico específico para as finalidades descritas acima. Devido à resposta da 
atividade superficial, eles foram classificados como biomateriais bioativos. Têm-se 
usado em clínicas como preenchedor ósseo de cavidades e como substituto de 
massa óssea perdida em determinados traumas. Os biovidros induz de formação 
de trabéculas no osso (pequenas porções de tecido ósseo denso e modelado) e de 
partes completas de osso em algumas regiões. As primeiras formam-se num período 
de 2 a 7 dias, enquanto as segundas se formam num maior período de tempo. A 
conexão osso/implante é possível devido a uma propriedade presente nos biovidros 
denominada osteoindutora, que facilita a regeneração óssea. (2) 
 
Zircônia 
Zircônio é um elemento químico de símbolo Zr de número atômico 40. A fórmula 
química do óxido de zircónio é ZrO. A Zircônia produzida industrialmente ela 
apresenta a estrutura cristalina cúbica, e são utilizadas como implantes ortopédicos, 
onde é mais aplicada para o crânio e o fêmur. Foram realizados testes e resultou-se 
que o UHWMPE se mostrou eficaz em corpos acetabulares em cabeças de ZrO do 
que em cabeças da liga de Co-Cr, onde o desgaste é menor ao polietileno. Na 
odontologia, a ZrO é utilizados como implante dentário. É classificado como material 
bioativo.(2) 
 
 
 30 
Ligas de titânio 
As ligas de titânio são usadas por décadas na fixação de fraturas e reconstrução de 
articulações pois preenche os requisitos necessários às aplicações biomédicas, 
como: resistência à corrosão, biocompatibilidade, indução do crescimento dos tecido 
ósseo, módulo de elasticidade próximo ao do osso humano (entre 10 a 30 GPa) e 
de quebra, possui resistência à fadiga e boa processabilidade (18). O metal titânio 
apresenta estrutura hexagonal compacta (HC), correspondente à fase 𝛼 (alfa), 
podendo sofrer modificação de alotropia na temperatura de 881 °C para e estrutura 
cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), fase 𝛽 (beta). 
Os elementos de liga que pode compor a fase 𝛼 são: alumínio, estanho e zircônio. 
E a fase 𝛽 pode ser estabilizada por vanádio, molibdênio, nióbio, cromo, ferro e 
manganês (19). 
O titânio apresenta resistência à corrosão devido a formação de de uma camada 
superficial de óxido de titânio, protegendo o metal, sendo responsável pela 
biocompatibilidadedo material. Biomateriais feitos de titânio são usados traumas 
severos que exigem grande número de placas e parafusos,implantes ortopédicos 
como hastes intramedulares para fratura exposta e fechada de tíbia e também em 
stents para cirurgias cardíacas.(20) 
 
Figura 20 - Representação do stents na artéria (21) 
 
 
 
Materiais semicondutores 
Os materiais semicondutores são materiais que possuem condutividade 
intermediária entre a dos materiais condutores e isolantes. Os principais materiais 
semicondutores utilizados no ramo da eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), 
 31 
sendo este último o mais utilizado, sendo uma subclasse da cerâmica. Nos materiais 
semicondutores, a camada de valência possui 4 elétrons, como o material tende a 
possuir oito elétrons na camada de valência, e o elemento semicondutor só possui 
quatro, este acomoda os seus átomos, simetricamente entre si, constituindo uma 
estrutura cristalina, através de ligações covalentes. A fabricação de semicondutores 
emprega-se em componentes eletrônicos como diodos, transistores, 
microprocessadores, sendo primordial para indústria eletrônica (22). 
Os semicondutores para possuir características necessárias para aplicação, o gap 
entre as bandas de energia devem ser pequena, assim facilitando a condução de 
elétrons quando há um ganho de energia, quanto maior o espaçamento, menos 
condutor.(23) 
 
 
Figura 21 - Bandas eletrônicas de materiais isolantes e materiais semicondutores, 
indicando banda de condução, banda de valência e entre elas espaçamento de 
bandas energia (GAP). (22) 
 
Os semicondutores se dividem em intrínsecos e extrínsecos: 
Intrínseco: São encontrados na sua forma natural, onde os portadores de carga 
positivas são iguais a concentração de cargas negativas. Portanto, um material que 
apresenta poucos defeitos no retículo cristalino. 
Extrínseco: Semicondutores extrínsecos ou dopados são semicondutores 
intrínsecos onde introduz impureza para controle de características elétricas do 
semicondutor. As impurezas inseridas são elementos da coluna 3A (trivalentes) ou 
da coluna 5A (pentavalente) da tabela periódica. Este processo é chamado de 
dopagem tipo N e tipo P. (22) 
 
 
 32 
Na dopagem tipo N, ocorre a inserção de um átomo trivalente (Boro ou Índio), onde 
faltam três elétrons para completar a camada de valência, logo é rompida as ligações 
entre silício-silício, gerando uma lacuna, deixando material com características 
isolantes. (15) 
No tipo P, é inserido um átomo pentavalente (Fósforo, Arsênio ou Antimônio), e na 
rede cristalina, ocorre as ligações covalentes, sendo que elétron excedente torna-se 
livre para conduzir. 
 
 
 
Figura 22 - Diagrama representando um 
conjunto de átomos de silício, apresentando 
um átomo central trivalente, gerando uma 
lacuna na rede. (23) 
 
 
 
Figura 23 - Diagrama representando um 
conjunto de átomos de silício, impureza 
pentavalente central, gerando um elétron livre. 
(23) 
Nanomateriais 
São uma classe de materiais onde possuem estruturas cristalinas na ordem de 10-9 
m (1 nanômetro), onde se diferem das propriedades quando são estudadas em maior 
escala. Devido às suas dimensões, são empregados em projetos de nanotecnologia. 
(21) 
Os nanomateriais têm obtido grande interesse no ramo científico nos últimos tempos 
devidos às suas propriedades, tais como mecânicas, elétricas, ópticas e magnéticas, 
alguns exemplos como: 
● Nanocerámicos : apresentam ductilidade a altas temperaturas do que os usuais e 
comuns cerâmicos. 
 33 
● Nanosemicondutores: têm diversas propriedades ópticas não lineares, um 
exemplo materiais usados em células solares. 
● Pós metálicos nanométricos têm sido usados para produção de diversos materiais, 
partes densas e incluindo coberturas porosas. As propriedades da soldagem a frio 
combinadas com a sua maleabilidade, fazem destes nanomateriais perfeitos para 
soldagem entre metais especialmente na indústria eletrónica.(24) 
● Os nanomateriais, por terem uma relação área-volume enorme, tornam-se muito 
mais eficientes e reativos em comparação a outros materiais de dimensões 
superiores, isto porque torna-os mais reativos e com outras propriedades que podem 
jogar a favor de uma evolução neste emergente campo da Ciência, e da Engenharia. 
(25,26) 
Outra classe de nanomateriais são os nanocompósitos, onde o elemento de reforço 
tem características nanométricas, tais como nanotubos de carbono, grafeno, 
nanoferritas dispersas numa matriz. (27) 
 
 
Figura 24 - Nanomateriais a base de carbono. (28) 
 
 
 
 
 
 
 
 34 
4. CONTEXTO ATUAL 
 
4.1 PESQUISA (PROJETOS DE NOVOS MATERIAIS) 
 
Os biomateriais tiveram uma grande evolução com o tempo devido ao 
desenvolvimento científico e tecnológico multidisciplinar de diversas áreas. Nas 
últimas décadas teve um aumento na utilização dos biomateriais, pois ocorreu o 
aumento da expectativa de vida da população e com isso aumentou o índice de 
traumas e doenças que demandam a necessidade de se realizar tratamentos cada 
vez mais eficazes (4). 
Os biomateriais possuem diversas aplicações, sendo as suas principais: 
olhos, boca, dentes, face, crânio, ossos e membros, rosto e corpo, coração, seios, 
panturrilhas e nádegas, pele, coluna vertebral, dedos, vasos sanguíneos e 
cartilagens (4). Abaixo será mostrado como são as atuais pesquisas para algumas 
dessas aplicações: 
4.1.1 Ossos 
A maioria dos implantes são autoenxertos devido à aceitação pelo 
hospedeiro. No entanto, devido à baixa disponibilidade deste tipo de enxertos, os 
investigadores da área de Engenharia de Tecidos têm procurado desenvolver novos 
biomateriais para aplicação. As estruturas temporárias tridimensionais (3D) 
denominadas de scaffolds têm sido as estudadas para o tratamento do tecido ósseo, 
de forma a promover a reparação deste tecido, conferindo-lhe características físicas 
e biológicas essenciais ao seu correto funcionamento (29). 
Podem ser produzidos de diferentes formas de acordo com o defeito ósseo 
que se destina a ser tratado. Os scaffolds temporários são atualmente os mais 
estudados, uma vez que podem apresentar diferentes taxas de degradação, 
permitindo o desenvolvimento de um novo tecido. Para conseguir isso, a taxa de 
degradação de um scaffold deve corresponder à taxa de formação de novos tecidos. 
Além disso, a degradação também depende do local de implantação e da idade do 
paciente (29). 
Diferentes materiais podem ser utilizados para a produção dos scaffolds, 
desde polímeros naturais e sintéticos a cerâmicas, metais e compósitos. No entanto, 
 35 
todos eles apresentam vantagens e limitações, como pode ser observado na tabela 
abaixo: 
 
Tabela 1: Vantagens e Desvantagens dos diferentes materiais utilizados na 
produção de scaffolds (Adaptado de [25]) 
 
Tipo de Material Exemplo Vantagens Desvantagens 
Polímeros Naturais Quitosana, Colágeno Biocompatibilidade, 
biodegradabilidade 
Difícil 
processamento, 
Propriedades 
Mecânicas baixa. 
Polímeros Sintéticos Polimetil-metacrilato, 
Policaprolactona, 
poliácido láctico 
Disponibilidade 
Biocompatibilidade 
Fácil de modificar e 
processar 
Baixo custo 
 
Fixação na célula 
reduzida 
Os subprodutos 
resultantes da sua 
degradação podem 
interferir com o 
processo de cura. 
Cerâmicas fosfato tricálcico 
(TCP) 
Biocompatibilidade 
Osteocondutibilidade 
 
Frágil e propenso a 
fratura 
Metais 
Ti, ligas de cobalto 
 
Resistência à fratura 
Força mecânica 
 
Não permite o 
crescimento de 
tecidos 
ImunogenicidadeProdutos de 
degradação tóxica 
 
Compósitos alginato / TCP 
scaffolds 
Gelatina / PCL 
scaffolds 
 
 
Composição 
específica 
Projeto estrutural 
específico 
 
Processo complexo 
Propensão à 
degradação 
Força mecânica fraca 
 36 
 
 
Os scaffolds são estruturas biomiméticas e sua caracterização deve cumprir 
todos os requisitos exigidos pelas entidades reguladoras (25). 
 
4.1.2 Vasos Sanguíneos 
 
Um auto-enxerto possui vários benefícios como disponibilidade, 
biocompatibilidade, diminuição da resposta do corpo e não requer certificado de 
aprovação de agências reguladoras. No entanto, os auto-enxertos não apresentam 
propriedades mecânicas adequadas quando são usados para substituir vasos 
arteriais de alta pressão. Isso pode causar dilatação excessiva (Aneurisma), 
hiperplasia intimal e aterosclerose acelerada. Consequentemente, vários 
procedimentos cirúrgicos são necessários para evitar essas lesões, onde o número 
de intervenções são limitadas pela quantidade de tecido disponível no hospedeiro 
para realizar o implante (25). 
Com isso, redes nanofibrosas ocas com parecidas com um vaso sanguíneo 
têm sido estudadas para o tratamento das doenças vasculares. Esses novos 
enxertos estão sendo desenvolvidos atualmente utilizando materiais sintéticos, como 
o polietileno Tereftalato (Dacron), politetrafluoroetileno expandido (Teflon) e 
poliuretano. Dacron e o Teflon foram relatados como enxertos viáveis para substituir 
vasos com diâmetros maiores (> 6mm diâmetro interno). No entanto, quando o 
diâmetro do vaso sanguíneo é inferior a 6mm, esses enxertos são rejeitados pelo 
sistema imunológico do corpo (25). 
Os scaffolds nanofibrosos de poliuretano (TPU) apresentaram propriedades 
adequadas para suportar a funcionalidade das células endoteliais, proporcionando 
propriedades mecânicas adequadas. No entanto, apenas alguns estudos relataram 
a caracterização de tais materiais em ensaios in vivo, o que nos mostra que o estágio 
de desenvolvimento desses enxertos está no início. Eles precisam de maior 
otimização e avaliação em ensaios clínicos (25). 
 
 37 
4.1.3 Materiais dentários 
A ciência dos materiais dentários visa pesquisar e desenvolver biomateriais 
sintéticos a serem empregados na cavidade bucal. A maior parte dos biomateriais 
utilizados são os sintéticos, ao invés dos naturais, pois eles apresentam maiores 
vantagens, tais como: evitar a coleta de materiais autógenos ou o uso de materiais 
alógenos a partir de um banco de tecidos; redução de tempo clínico no tratamento; 
diminuição da extensão da ferida cirúrgica, evitando complicações como danos nos 
nervos e vasos sanguíneos, formação de hematoma ou desenvolvimento de um 
processo inflamatório, proporcionando maior conforto para o paciente; e o fato dos 
materiais sintéticos serem sintetizados sob condições controladas, sendo suas 
composições químicas e propriedades físicas e químicas conhecidas, além de 
estarem disponíveis em qualquer tempo e quantidade (30). 
 Três tipos de biomateriais são comumente utilizados: metais, polímeros e 
cerâmicas (Tabela 2). Estes biomateriais são utilizados de acordo com suas 
propriedades físico-químicas e mecânicas. 
 
Tabela 2 : Biomateriais utilizados em materiais dentários e suas aplicações. 
 
Material Exemplo Aplicação 
Metal Titânio CP, ligas de titânio, 
ligas de cobalto-cromo, ligas 
de níquel-cromo, ligas à base 
de prata, ligas de ouro, aço 
inoxidável 
 
Próteses unitárias, próteses 
parciais removíveis, 
aparelhos ortodônticos, 
núcleos metálicos, implantes, 
fixação 
óssea em cirurgias 
bucomaxilofaciais 
 
Cerâmica Vidros bioativos, óxidos 
de alumínio e zircônia, 
fosfatos de cálcio 
 
Restaurações diretas e 
indiretas, próteses fixas, 
cimentos endodônticos 
obturadores e retro-
obturadores, cirurgias 
periodontais 
 
 38 
Polímero Silicone, monômeros 
resinosos, teflon, 
poliéster, polietileno, 
poliuretano, 
politetrafluoretileno 
 
Sistemas adesivos,resinas 
compostas, materiais de 
moldagem, fios de sutura, 
material de obturação 
radicular, próteses totais e 
parciais, dentes artificiais, 
próteses faciais 
 
 
Todos esses biomateriais devem passar por análises em todo seu percurso 
de avaliação científica englobando, desde os ensaios laboratoriais in vitro, até os 
estudos clínicos in vivo (31). 
 
4.1.4 Olhos 
 
Os hidrogéis são os biomateriais mais utilizados na confecção de lentes intra-
oculares (LIO), pois é um material acrílico hidrofílico com diferentes composições 
químicas e uma porcentagem de água que pode variar de 18% a 30% (32). 
Apesar de ser biocompatível e ter baixa adesividade, tem ocorrido de uma 
opacificação tardia destas lentes causadas por precipitados de cálcio. Essa 
opacificação tem causado piora da acuidade visual. Vários fatores têm sido avaliados 
com o objetivo de se determinar a causa deste fenômeno, são eles: a embalagem 
da LIO, soluções intra-oculares, viscoelásticos, técnica cirúrgica e patologias 
sistêmicas e oculares associadas (33). 
 
4.1.5 Crânio 
 
O esqueleto craniofacial é um sistema complexo e tem partes que recebem 
elevada tensão, enquanto outras partes tem a função de definir a forma. Os 
elementos que suportam tensão podem ser idealizados como estruturas 
unidimensionais e serem restauradas por meios unidimensionais: placas. Os 
elementos que não suportam tensão são tipicamente bidimensionais ou maiores: 
superfícies planas ou curvas. Juntas elas criam os elementos de estrutura da face. 
 39 
Os sistemas reabsorvíveis são aplicados quando a reconstrução de superfícies 
bidimensionais ou tridimensionais é de baixa solicitação de carga. O uso combinado 
de sistemas reabsorvíveis e não reabsorvíveis em pacientes de trauma facial 
promove boa estabilização e restauração do contorno sem enxertos de osso cranial 
e reduz a quantidade de materiais aloplásticos permanentes. A reconstrução facial 
possui uma ampla variedade de materiais classificados em três grupos: (32) 
1. Cerâmica: onde os mais utilizados são a Hidroxiapatita e Cimentos, pois 
não impedem a reabsorção de longo prazo, mas possuem pouco crescimento interno 
ósseo. São recomendados para reconstrução sobre camadas (34). 
2. Polímeros: onde os mais utilizados são o polietileno e os polímeros 
reabsorvíveis. O polietileno poroso não degrada, não reabsorve em extensão 
significativa e apresenta a vantagem de permitir o crescimento interno vascular e de 
tecido mole após uma semana e crescimento interno ósseo após três semanas. É 
utilizado geralmente na reconstrução ou preenchimento da região maxilofacial. Já os 
polímeros reabsorvíveis são utilizados na distração osteogênica craniofacial, 
principalmente na distração mandibular de neonatos e crianças com sequência de 
Pierre Robin (33). 
 3. Metais: O mais utilizado é o titânio. Geralmente são utilizados para fixação 
rígida são confiáveis para promover resistência e estabilidade do esqueleto (33). 
 
4.1.6 Pele 
Na área de regeneração de pele, os biomateriais sintetizados geralmente 
possuem quatro diferentes formas: filmes, espumas, géis ou compósitos e devem 
apresentar como características fundamentais: leveza, ausência de odor, 
impermeabilidade a microrganismos, permeabilidade ao vapor d’água e ao oxigênio, 
biodegradabilidade, propriedades mecânicas e biológicas adequadas além de 
facilidade no processamento. Um dos exemplos desses biomateriais é o curativo 
Omiderm®, que consiste em um copolímero de poliuretano enxertado com 
acrilamida e metacrilato de hidroximetila, onde suas principais característicassão: 
transparência, o ajuste à região lesada (curativo aderente, porém sem ser adesivo), 
a flexibilidade, a resistência mecânica, a durabilidade, a permeabilidade ao vapor 
d’água, ao oxigênio e aos medicamentos, a impermeabilidade aos microrganismos 
além de sua pequena espessura (35). 
 40 
Os curativos atuais são classificados em: convencionais, hidrogéis, 
hidrocolóides, polímeros, bioativos, enzimas proteolíticas, curativos antiodor e filmes 
adesivos (35). 
Onde os convencionais são aqueles que utilizam compressas de gazes, já os 
hidrogéis são utilizados em ferimentos com crostas secas, e são constituídos por 
polímeros hidrofílicos. Os hidrocolóides são curativos que contém gelatina, 
partículas de carboximetilcelulose suspensas em poli-isobutileno e pectina, sendo 
cobertos por uma espuma ou filme de poliuretano. São utilizados em conjunto com 
compressão elástica nas úlceras venosas (35). 
Os polímeros geralmente são poliuretano produzidos na forma de espumas, 
com isso possuem alto poder de absorção. São indicados para as lesões com muita 
secreção. Os curativos bioativos são curativos com substâncias que interagem 
diretamente com as fases da cicatrização para promover da aceleração da mesma. 
Devem ser indicados somente em situações especiais e têm seu alto custo como 
maior limitação para o uso. As enzimas proteolíticas mais utilizadas são: fibrinolisina, 
colagenase, desoxiribonuclease e papaína. Os curativos antiodor amenizam o odor 
que alguns ferimentos produzem, são constituídos por duas camadas absorvíveis: 
uma interna de carvão ativado, com inclusão ou não de prata (como agente 
bactericida) e uma externa semipermeável (nylon, curativo em filme ou espuma de 
polímeros). Os filmes adesivos foram desenvolvidos com a utilização de polímeros 
(poliuretano e polietileno), os quais formam uma membrana, conjuntamente com 
uma camada de adesivo acrílico. São usados comumente como curativos primários 
sobre cateteres de acesso venoso e queimaduras superficiais, mas também podem 
ser utilizados como curativos secundários sobre outros materiais (35). 
 
4.2 MERCADO 
 
Os biomateriais estão inseridos numa das categorias de mercado que mais 
crescem atualmente, a medicina. Devido ao elevado número de feridos em guerras 
e acidentes em geral, e ao envelhecimento da população mundial, viu-se a 
necessidade de investimentos nessa área, visando a reconstrução e regeneração de 
tecidos danificados e também a melhoria da qualidade de vida. 
Em 2000, foi estimado o valor de US$ 23 bilhões com taxa de crescimento de 
12% ao ano para o mercado de biomateriais. A participação dos EUA foi de 
 41 
aproximadamente 40%, enquanto o mercado europeu investiu cerca de 25%. 
Segundo a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), os maiores gastos 
estão concentrados nas áreas cardiovascular e ortopédica. (36). Em 2017, a previsão 
de gastos com biomateriais gira em torno de US$ 88,4 bilhões com taxa de 
crescimento de 15% ao ano. (31). Já em 2021, estima-se investimentos em torno de 
US$ 150 bilhões com crescimento de 16% ao ano. (32) 
Em 2010, houve um caso na França em que o silicone utilizado por uma 
empresa que fabricava próteses mamárias começou a apresentar problemas. Com 
isso parte dos investimentos mudou e priorizou a qualidade nos processos que 
envolviam biomateriais, garantindo assim, mais qualidade nos produtos 
comercializados. Com o conhecimento desse fato, a ANVISA intensificou a 
fiscalização dos produtos produzidos e comercializados no Brasil, garantindo assim, 
maior qualidade nos produtos comercializados. (37) 
No Brasil, os investimentos em pesquisa e desenvolvimento foram de US$ 
550 milhões entre os anos de 2008 e 2010. E como esse mercado é muito promissor, 
estima-se que até o final de 2017 os investimentos ultrapassem US$ 1,7 bilhão. A 
maior área de investimentos é em materiais ortopédicos, que atingiu cerca de 36% 
do total investido entre 2010 e 2015. (37) 
A bioimpressão 3D, ou bioprinting 3D, é uma área que ainda está em estágio 
inicial no mundo todo, mas tem um dos maiores potenciais de crescimento na área 
de biomateriais, pois os pesquisadores da área estão recebendo cada vez mais 
investimentos, tanto público quanto privado. Foi estimado que em 2021 os 
investimentos em bioimpressão 3D atingissem cerca de US$ 1,3 bilhão com 
crescimento de 26,5% ao ano. (38) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 42 
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	1. CONCEITOS BÁSICOS
	1.1. Evolução no desenvolvimento e aplicação de biomateriais
	1.2. PROPRIEDADES E DEFINIÇÕES DOS BIOMATERIAIS
	2. CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
	2.1 Estrutura
	Estrutura atômica
	Ligações químicas
	2.1.1 - Sólidos Cristalinos e Não Cristalinos
	2.1.2 - Definição de Rede, Base e Célula Unitária
	2.1.3 - Sistemas Cristalinos e Redes de Bravais
	Sistemas cristalinos
	Redes Bravais
	2.2 Propriedades Mecânicas
	Curva Tensão versus Deformação
	Ductilidade
	Resiliência
	Tenacidade
	Dureza
	Fadiga
	Comportamento elástico
	Comportamento plástico
	As principais propriedades mecânicas para os biomateriais
	2.3 Processamento
	2.4 Seleção e aplicação
	3. CLASSIFICAÇÃO
	3.1. Polímeros
	3.2. Metais
	3.3. Cerâmicas
	3.4 Compósitos
	Compósito
	Tipos de Compósitos
	3.5. Biomateriais
	UHMWPE
	Hidroxiapatita
	Alumina
	Bio Vidros
	Zircônia
	Ligas de titânio
	Materiais semicondutores
	Nanomateriais
	4. CONTEXTO ATUAL
	4.1 PESQUISA (PROJETOS DE NOVOS MATERIAIS)
	4.1.1 Ossos
	4.1.2 Vasos Sanguíneos
	4.1.3 Materiais dentários
	4.1.4 Olhos
	4.1.5 Crânio
	4.1.6 Pele
	4.2 MERCADO
	Referências bibliográficas