Bioceramicas

Prévia do material em texto

ESTRUTURA E PROPRIEDADES DE CERÂMICAS
EM95C 
Prof. Dr. Márcio Florian
02/2017
Biocerâmicas
A utilização de biomateriais com a finalidade terapêutica, se iniciou há
milhares de anos. Relatos históricos da utilização de suturas, por exemplo,
fazem referência há mais de 32 mil anos.
Histórico
Quanto aos materiais médicos usados pelo menos há 2000 anos, os
romanos, chineses e astecas usavam ouro em Odontologia; olhos de vidro e
dentes de madeira eram materiais de uso comum; e óleos minerais eram
utilizados para "colar" a pele, como bandagens.
Após a 2ª Guerra Mundial, médicos observaram em ex-combatentes feridos
que alguns materiais de projéteis promoviam uma menor reação de corpo
estranho. Assim, muitos materiais passaram a ser utilizados em técnicas de
transferência de tecidos ou ainda como materiais para próteses e dispositivos
médicos. A aplicação mais elaborada foi a utilização de gesso de Paris
particularmente para fixar fraturas ósseas internas.
Segundo a Conferência do Instituto de Desenvolvimento de Consenso em
Saúde, em 1982, “Biomaterial seria qualquer substância (outra que não
fármaco) ou combinação de substâncias, sintética ou natural de origem, que
possa ser usada por um período de tempo, completa ou parcialmente como
parte de um sistema que trate, aumente ou substitua qualquer tecido, órgão ou
função do corpo”.
O critério de seleção de biomateriais é baseado principalmente na aplicação a
que se destinam. Por exemplo, para dispositivos que fiquem em contato com o
sangue, esses materiais são:
• componentes de dispositivos extracorpóreos que removem e retornam
sangue do corpo;
• dispositivos que são inseridos em um vaso sanguíneo;
• dispositivos que ficam permanentemente implantados.
A primeira geração de Biomateriais é caracterizada por metais e ligas
metálicas resistentes à corrosão utilizadas nas cirurgias dentária e ortodentária
e tecidos ou malhas de poliéster nas próteses vasculares. Eram materiais
bioinertes, ou seja, não interagem ou interagem minimamente com o tecido.
Observava-se maior preocupação com a eficiência do material, por isso a
grande utilização do ouro, marfim e madeira.
A primeira geração também é fortemente associada aos implantes ósseos,
com a primeira articulação artificial da quadril desenvolvida em 1961. Seus
exemplos são extremamente abrangentes, desde a histórica perna-de-pau, até
outros tipos de próteses, preenchimento de uma cárie de um dente comum e
lentes de contato.
Dificuldade: obter a combinação das propriedades físicas 
com o mínimo de resposta tóxica do organismo
O termo biocompatibilidade foi redefinido em 1987 por Williams como sendo a
habilidade de um material desempenhar com uma resposta tecidual
apropriada em uma aplicação específica.
A segunda geração iniciou-se nos anos 70, e é associada a materiais bioativos
(incluindo camadas de superfície) que encorajam a regeneração do tecido
natural. Foi introduzido os materiais cerâmicos e componentes de alumina.
Descoberta de materiais com respostas bioativas, 
entre elas a osteocondução
Desenvolvimento de materiais bioreabsorvíveis, como 
suturas, placas e parafusos
A terceira geração se estende até a atualidade e se caracteriza pelo
aprimoramento dos biomateriais. Composta por sistemas adaptáveis
inteligente, a preocupação não é apenas na biocompatível, mas também ser
biofuncionalidade. Inclui os materiais capazes de estimular respostas celulares
específicas no nível molecular.
A Biomimética é uma área da ciência que tem por objetivo o estudo das
estruturas biológicas e das suas funções, procurando aprender com a
Natureza e utilizar esse conhecimento em diferentes domínios da ciência.
Engenharia de Tecidos é a ciência aplicada que utiliza para desenvolver
tecidos artificiais. Pode ser aplicada à produção de pele artificial, cartilagens e
tecidos ósseos. Os tecidos podem ser produzidos fazendo crescer células
sobre um substrato biodegradável, sendo esse, um Biomaterial
Então o que é um biomaterial ?
É um material sintético, natural ou natural modificado, 
destinado a estar em contato e interagir com o 
sistema biológico.
ISO 10993-1:1997 
Biological evaluation of medical devices
Part 1: Evaluation and testing
Como são feitos os testes e estudos?
Aplicações Clínicas dos Biomateriais
Aplicações Clínicas dos Materiais Cerâmicos
https://www.
youtube.com
/watch?v=qY
TL67qYY6o
A seleção do material a ser utilizado deve levar em consideração as
propriedades físicas, químicas e mecânicas do material. As principais
propriedades que devem ser levadas em conta 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, torsão ou flexão): o módulo de torsão e de flexão é de interesse
para materiais como catéteres, 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 torsão, 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.
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 hidrogels são permeáveis a água e são muito utilizados como liberadores de drogas.
Absorção de água: alguns materiais sofrem mudanças dramáticas em sua resistência a
tração, à fadiga, à fluência, em seu módulo de elasticidade, torsão 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.
Bioestabilidade: dispositivos como fios de sutura e liberadores de drogas devem ter sua
degradação controlada, enquanto implantes permanentes devem ser estáveis.
Bioatividade: a bioatividade se refere à propriedade inerente a alguns materiais de
participarem em reações biológicas específicas. Camadas bioativas podem ser formadas a
partir de moléculas que previnem coágulo sangüíneo ou iniciam a degradação enzimática
de um trombo. Algumas superfícies negativamente carregadas iniciam a degradação de
componentes complementares com o potencial para menores efeitos colaterais para
tratamentos como diálise. A hidroxiapatita é muito utilizada como recobrimento para
implantes endoósseos. Essa camada constitui uma superfície bioativa para o ancoramento
de osso neoformado.
CLASSIFICAÇÃO DOS BIOMATERIAIS
quanto a origem
quanto a resposta do organismo
quanto ao tipo de aplicação
quanto as características dos materiais
VANTAGENS DESVANTAGENS
AUTÓGENOS 
Próprio
Paciente
• menor rejeição
• maior eficácia
• duas intervenções
• pouco material 
ALÓGENOS
Doador
• única intervenção
• quantidade razoável
• risco rejeição
• contaminações
• custo elevado
XENÓGENOS
Animal
• não necessita de 
cirurgia
• quantidade à vontade
• maior rejeição
• contaminações
Origem
Metal Polímero Cerâmica Compósito
Resposta do Organismo
Aplicação
Característica do Material
Estrutural
Não Estrutural
Denso
PorosoBiocerâmicas são destinadas a ser utilizadas como implantes em
organismos vivos, ou mais geralmente, durante o contato prolongado com
fluidos biológicos ou tecidos. esta ampla definição inclui cerâmica que sejam
ou possam ser utilizadas em sistemas de circulação extracorpórea (diálise,
por exemplo) ou biorreatores.
Porque as cerâmicas tem grande utilidade em 
biomateriais?
Inércia Química: ajuda a minimizar as reações orgânicas do organismo hospedeiro
Dureza e resistência à abrasão: Torna-os adequados para a substituição de tecidos
duros (ossos e dentes).
Tribologia: São utilizados em pares de fricção destinado a substituir juntas de mau
funcionamento.
Isolante elétrica e aparência: determinam certas aplicações biomédicas
Alumina é um dos mais amplamente cerâmica polivalentes utilizados. É
essencialmente utilizada em ortopedia para suas boas propriedades
tribológicas e sua excelente químicos inércia. Uma das vantagens de alumina é
que é um substrato muito mau para o crescimento cristalino de fosfatos de
cálcio, o que pode alterar outros pares de fricção.
A vida útil de cabeças de alumina é agora muitas vezes maior do que o do
paciente. A principal causa para o fracasso era o desgaste de polietileno de alta
densidade utilizados na cabeça do acetábulo.
Alumina é, de fato considerado como sendo um bioinerte cerâmico e não se
ligam diretamente com o osso. Existe sempre uma fina camada de tecido
fibroso entre o tecido ósseo e alumina, que pode causar osteólise, dor e
afrouxamento.
Outro utilizações de cerâmica de alumina para ser mencionados são: ossículos
do ouvido interno, próteses oculares, isolação elétrica para marcapasso,
orifícios de cateteres, bombas cardíacas (em estudo).
ALUMINA
https://www.ceramtec.com/biolox/pa
tient-information/materials/
Aluminosilicatos e Vidros
Alumino-silicatos são essencialmente utilizados em próteses dentárias, quer
como maciço cerâmico, ou cermet ou em compósitos cerâmica-polímero.
Polímeros, geralmente associadas com alumino-silicatos, também são cada vez
mais utilizados no enchimento de cavidades substituem amálgamas suspeito de
ter efeitos tóxicos.
(prata+mercúrio) 
Os alumino-silicatos são caracterizado por uma estrutura vítrea com fases
cristalinas incorporadas (Vitrocerâmica).
No que diz respeito propriedades mecânicas, a microestrutura desempenha um
papel importante na resistência da cerâmica, em especial o tamanho e natureza
das fases cristalinas que estão associados com alumino-silicatos (mica,
aluminia, zirconita, etc).
Vidros de Aluminosilicato foram também propostos como substitutos para os
ossos e a sua composição química é então adaptada para estes materiais se
tornarem bioactivos .
Zircônia dopada com óxido de ítrio também tem sido proposta como um
substituto para o alumina nas cabeças de próteses osteoarticulares. A
principal vantagens da zircônia em comparação com alumina são: a melhor
resistência à flexão, bem como uma boa resistência à fadiga.
Zircônia
Estas propriedades permitem o uso de cabeças de próteses de dimensões
muito pequenas, reduzindo assim os detritos de desgaste. Além disso, a
zircônia tem um melhor coeficiente de atrito e uma melhora resistência ao
desgaste. Uma propriedade desfavorável é o papel da zircônia na nucleação
de fosfatos de cálcio, uma vez que a alumina tem a vantagem de um uso
prolongado e, atualmente, com resultados satisfatórios.
Zirconia femoral heads provide increased fracture
strength, but 343 zirconia head failures have been
documented since 2000.
Carbono vítreo tem várias propriedades físicas e biológicas
interessante: é leve, resistente ao desgaste e tem
hemocompatibilidade.
Carbono Vítreo
Ele é essencialmente usado para a tomada de válvulas cardíacas e
substitui válvulas naturais retiradas de suínos, que têm um tendência a
calcificar e ter uma vida mais limitada.
Problemas a serem resolvidos: formação de trombose e hemorragia,
devido à degradação da junção entre a prótese e a artéria.
Apesar do nome carbono vítreo, esse material não é um vidro do ponto de vista
de sua estrutura cristalográfica, pois o arranjo dos átomos de carbono
apresenta uma ordenação a longa distância em duas direções. O nome vítreo
deve-se ao aspecto brilhante que o material adquire quando recebe polimento
e também pelo fato de sua fratura ser semelhante à do vidro.
An overview of zirconia 
ceramics: Basic 
properties
and clinical applications
journal of dentistry 35 
(2007) 819–826
Cerâmicas Naturais
Diferentes tipos de substitutos naturais para o tecido ósseo estão disponíveis
no mercado, geralmente de origem animal. Estes estão sujeitos a agentes
físicos, químicos ou bioquímicos processos antes de utilização como
biomateriais. Carbonatos de cálcio, especialmente aqueles produzidos por
organismos marinhos (corais, madrepérola, etc), têm sido utilizados para
muitos anos como substituto de osso.
Madre-pérola, também composto
de carbonato de cálcio e uma
matriz orgânica, tem sido proposta
como um substituto para o osso.
Pó madre-pérola implantado em
um osso defeito tem demonstrado
um comportamento semelhante ao
de um coral.
http://193.51.50.30/master/Biblio%20D9/Hench-The%20story%20of%20Bioglass.pdf
BioVidros
Foi desenvolvido por L. Hench et al., (Bioglass®) vários tipos de vidros e
vitrocerâmicas, em particular as que pertencem à família de Na2O-CaO-
SiO2-P2O5, demonstraram uma certa capacidade de aderir ao osso.
No entanto, esta ligação química real com o tecido ósseo ocorre apenas
para uma pequena gama de conteúdo de SiO2 (42-52%). Para SiO2
conteúdo superior a 60%, o biovidro aparece de forma isolada a partir do
osso pela formação de uma cápsula fibrosa não aderente, que conduz à
falha do implante.
O mecanismo de ligação do biovidro/osso mostram que os grupos Si-OH na
superfície destes materiais induzem a formação de uma camada de apatita
análoga à de minerais nos ossos, garantindo a integração durável dos
biomateriais
Além disso, a dissolução lenta de silicatos melhoraria a proliferação celular
e a formação de uma matriz óssea. Além disso, a liberação de cálcio e do
fósforo contido no biovidros encoraja a nucleação heterogênea dos minerais
do osso da matriz óssea, formando assim o novo osso muito rapidamente.
Biovidros constitui uma grande variedade de materiais, dependendo da sua
composição e estrutura. No entanto, o implante de biovidro não pode ser
considerada em uma área de elevada tensões mecânica por causa da sua
fragilidade. Para superar esta desvantagem, estes vidros podem ser tratados
termicamente de modo a obter um vitrocerâmico, ou mesmo para usar este
biovidro, sob a forma de um depósito sobre um substrato metálico
BioVidros
Assim, a pesquisa considerável foi direcionada para o desenvolvimento de
materiais vitrocerâmicos multifase, de modo a reforçar as propriedades
mecânicas dos biovidros.
Um material bifásico com excelentes propriedades mecânicas, chamado
vitrocerâmica A/W e constituída por uma fase de apatita (Ca10(PO4)6.(OH,F)2),
uma fase de wollastonita (CaO.SiO2) e uma fase vítrea residual de MgO-CaO-
SiO2 são clinicamente utilizados, particularmente na cirurgia de reconstrução
vertebral.
Cerâmicas à base de Fosfato de Cálcio
Cerâmicas à base de fosfato de cálcio constituem, no momento, o material
preferido para substituir o osso em ortopedia e cirurgia maxilo-facial. Eles são
muito semelhantes à fase mineral do osso, devido à sua estrutura e / ou a sua
composição química.
Cerâmicas à base de fosfatos de cálcio normalmente são encontrados nas
seguintes fases:
- Hidroxiapatita (HAP): Ca10(PO4)6(OH)2;
- β-Fosfato tricálcio (β-TCP): Ca3(PO4)2;
- Misturas de HAP e β-TCP.
Essas cerâmicas são bioativas e pode ser degradada em vários graus.
A estequiométrica da HAP, caracterizadapor uma relação atómica Ca/P = 1,67
apresenta uma estrutura hexagonal, é a forma mais próxima dos cristais de
apatita biológicos.
Além disso, o HAP é o menos solúvel e menos reabsorvível que o fosfato de
cálcio. Quando um HAP cerâmico é implantado num sítio ósseo, a formação
de tecido ósseo é observado na sua contato (osteocondução).
HAP
HAP
HAP
HAP implantes aparecem sob a forma de cerâmica densa ou com porosidade
variável, ou de novo, em o caso de próteses, como revestimentos finos
depositados por plasma pulverizado sobre um metal.
HAP
Search results: 54,364 results found. Abril/15
Fev/13
Esquema de Produção de HAP
Foram sintetizados pós nanométricos
com razão Ca/P = 1,67, 
estequiométrica, e pós com razão 
Ca/P = 1,59 não estequiométrica
HAP via KH2PO4
HAP via H3PO4
O β-TCP, caracterizado por uma relação atômica Ca/P = 1,5, é perfeitamente
biocompatível e reabsorvível. Como HAP, é capaz de desenvolver uma
ligação química com o osso e estimular o seu crescimento, mas a sua
reabsorção é mais rápida.
β-TCP
É difícil produzir HAP puro ou β-TCP e materiais bifásicos HAP/β-TCP foram
desenvolvidos inicialmente por acidente e depois deliberadamente, eles
combinam a propriedades físico-químicas de cada um dos compostos. Estes
podem ser vantajosamente utilizado para preparar os materiais com
reabsorção controlada e substituição óssea
A presença de poros em materiais fornece pontos de ancoragem para o osso e
melhora a qualidade mecânica do osso/interface do implante, o aumento do
superfície específica incentiva a colonização celular e revascularização.
Enquanto biocerâmicas à base de fosfato de cálcio são excelentes materiais
para reconstrução do osso, eles apresentam uma baixa resistência mecânica
(menor do que o osso).
Biomaterial estimula formação de 
células ósseas
http://agencia.fapesp.br/17543 12/07/13
O Biosilicato é um biovidro desenvolvido no LaMaV –
coordenado pelo professor da UFSCar Edgar Dutra Zanotto
– na década de 1990 e patenteado em 2004.
O material é composto basicamente por sódio, potássio,
cálcio, fósforo, oxigênio e silício. Pode ser implantando no
local a ser tratado na forma de grânulo, de scaffold, de fibras
ou como uma peça única (monolítica), feita sob medida para
substituir, por exemplo, um dos ossículos do ouvido.
“O material é parcialmente solúvel no plasma sanguíneo e
se liga ao osso, ao dente ou à cartilagem. Na sua superfície,
ocorre a formação de uma camada de
hidroxicarbonatoapatita, substância que possui a mesma
composição química do tecido mineral dos dentes e ossos”,
afirmou Zanotto.
Estudos recentes têm revelado que o Biosilicato –
um material bioativo implantável, desenvolvido no
Laboratório de Materiais Vítreos (LaMaV) do
Departamento de Engenharia de Materiais
(DEMa) da Universidade Federal de São Carlos
(UFSCar) – é capaz de estimular a formação de
tecido ósseo e pode ser um importante aliado no
tratamento de fraturas de ossos e da sensibilidade
dentária.
Agora, pesquisadores da Universidade Federal de
São Paulo (Unifesp), do campus Baixada Santista,
mostraram que esse efeito osteogênico do
material pode ser potencializado com aplicações
de laser de baixa intensidade no local do implante.
Novo biovidro reduz risco de falhas em 
implantes de titânio
De acordo com Chinaglia, o novo material, denominado
informalmente de F18, é composto por sílica, cálcio,
sódio, potássio, magnésio e fósforo, e possui as
propriedades de acelerar a formação de tecido ósseo
(osteoindutor), controlar inflamações (ação anti-
inflamatória) e facilitar a formação de vasos
sanguíneos (angiogênica) encontradas em
determinados organismos vivos como o ser humano,
por exemplo.
Ao serem implantadas, as partículas de biovidro na
superfície das próteses de titânio começam a se
dissolver e a liberar íons importantes para a
osseointegração, desaparecendo totalmente após o
término dos estágios iniciais do processo – que levam
de 7 a 10 dias –, explicou Chinaglia.
http://agencia.fapesp.br/novo_biovidro_reduz_risco_de_falhas_em_im
plantes_de_titanio/20807/ 13/03/15
Compósitos
O desenvolvimento de materiais compósitos orgânico-minerais oferece a
possibilidade de combinar as propriedades favoráveis de biocerâmica como
a HAP, alumina ou dióxido de titânio, com a capacidade de moldagem de
polímeros biocompatíveis PMMA (polimetilmetacrilato) e PLLA poli ácido (L-
láctico).
Também é concebível atingir um valor do módulo de elasticidade próximo
com a do osso.
Os compósitos não-bioabsorvíveis são o resultado da combinação de um de
cálcio (HAP) não-reabsorvível fosfato, com um polímero não-reabsorvível
(PMMA, PE).
Compósitos biorreabsorvíveis combinam um polímero reabsorvível (PLLA,
ácido poliglicólico e ácido polibutírico) com partículas de HAP ou de fosfato de
cálcio reabsorvível. A fim de garantir uma combinação bem sucedida de
fosfatos de cálcio com um polímero reabsorvível, é importante adaptar a
reabsorção dos dois componentes para evitar reações inflamatórias, devido à
liberação de cerâmica partículas.
Compósitos
Pode-se diferenciar compósitos como bioreabsorvível ou não-reabsorvível.
Estes materiais devem crescer no futuro por conta do grande número
possibilidades de combinação e sua aptidão em combinar uma atividade
biológica com propriedades mecânicas semelhantes às do osso.
Atenção!!!
Vários elementos presentes na cerâmica, seja como impureza ou como
constitutiva elementos, pode causar toxicidade. É costume distinguir
oligoelementos essenciais, oligoelementos necessários para a vida, de
elementos tóxicos. No entanto, que todos estes elementos têm diferentes
limites tóxicos.
Verificar a toxicidade dos elementos presentes na cerâmica
http://acesurgical.com/home.html
“Engenharia de tecidos - scaffolds”
células apropriadas cultivadas in 
vitro sobre suporte apropriado
(scaffold) diferenciando-se no 
tecido específico e depois
implantado no corpo.
Aplicações:
Cartilagem, osso, fígado, nervos e vasos sanguíneos – vários estágios de
pesquisa e desenvolvimento.
Pele e cartilagem – algumas aplicações já em fase comercial.
E.T = Representa o “casamento” entre a 
biologia celular e a engenharia de
materiais que visa manipular e 
reconstituir tecidos ou órgãos 
lesados. 
Primeiro hambúrguer feito em laboratório é provado em Londres
05/08/13
http://www.bbc.com/portuguese/noticias/2015/10/151017_carne_artificial
_mercado_fn.shtml
Vídeo