sebenta Biomateriais

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE CATÓLICA PORTUGUESA – VISEU 
Departamento de Ciências de Saúde 
 
MESTRADO INTEGRADO EM MEDICINA DENTÁRIA 
2014-2015 
 
 
 
 
 
 
 
 Christiane L. Salgado 
1º ANO, 2º Sem. 
2014/2015 
 
Ana Sofia Belchior 
Colaboração: Ana Raquel Pereira | Ana Rita Oliveira | Rita Grão | Sarah Goolamhussen 
Sebenta 
 
BIOMATERIAIS 
UBA III 
BIOMATERIAIS 
1 
 
 
INTRODUÇÃO AOS BIOMATERIAIS 
Alternativas disponíveis para os procedimentos cirúrgicos ligados à reconstrução de tecidos e 
órgãos: 
- Autotransplantes melhor solução devido ao fator resposta imunológica; 
- Autoenxertos utilizam-se cadáveres ou outros doadores (necessária administração de 
imunossupressores); 
- Xenoenxertos utilizam-se tecidos de outros animais (questão imunológica e doenças associadas 
a esses animais) 
- Biomateriais 
As propriedades quase ilimitadas de manipulação da estrutura e propriedades dos 
biomateriais e das suas interações com os sistemas vivos oferecem grandes oportunidades de 
concretização de várias metas associadas à reconstrução de tecidos e órgãos afetados por 
patologias e outros tipos de falhas. 
 
 Biomateriais material não variável, usado num dispositivo médico com o objetivo de interagir 
com os sistemas biológicos, permitindo o diagnóstico, tratamento ou substituição de algum 
tecido, órgão ou função corporal. 
 
Aplicação clínica 
Biomateriais devem conter uma combinação de propriedades mecânicas, químicas, físicas e 
biológicas que tornará viável a sua utilização no corpo humano. 
O sucesso na implantação de um biomaterial está associado à severidade do processo 
inflamatório desencadeado, ao nível de satisfação do paciente, ao tempo necessário para o 
restabelecimento das atividades básicas e ao tempo de permanência do implante no corpo. 
 
Os biomateriais sintéticos convencionais não se remodelam, regeneram ou expressam 
componentes biológicos necessários ao funcionamento de partes vivas do corpo, o que limita a 
sua capacidade de substituir perfeitamente tecidos naturais. 
 
Problemas inflamações crónicas, infeções e alergias; instabilidade interfacial tecido-implante; 
incompatibilidade biomecânica; desempenho insatisfatório a longo prazo; não são capazes de se 
auto-reparar; se não são específicos. 
 
Resultados perda do implante; deteorização dos tecidos; fratura; dor; cirurgias de revisão. 
 
Estratégias nova geração de implantes permite promover estabilidade interfacial entre tecidos 
e implantes; apresentar compatibilidade biomecânica; favorecer a regeneração de tecidos e 
órgãos; serem progressivamente substituídos por tecidos saudáveis; substituir parcial ou 
totalmente tecidos e órgãos a partir de cultivos “in vitro”. 
 
Biomateriais tradicionais são formados por materiais usados costumeiramente em outras 
aplicações que não biomédicas. 
Os novos biomateriais deverão ser projetados e construídos já especificamente programados 
para atuar numa determinada função. 
BIOMATERIAIS 
2 
 
A nova geração de biomateriais e implantes baseia-se na engenharia de tecidos (genética, 
engenharia de materiais, biologia molecular e bioquímica) 
 
Scaffolds matrizes artificiais e altamente porosas que servem de guia tridimensional para as 
células na formação de novos tecidos. 
Meio favorável para a fixação, a sobrevivência, a proliferação e a diferenciação das células. 
Precisam degradar conforme o novo tecido é formado. 
 Propriedades biocompatibilidade e bioatividade, bioreabsorvável, propriedades 
mecânicas adequadas, porosidade, fácil fabricação e superfície quimicamente favorável 
para a fixação celular 
 
Propriedades dos biomateriais 
 Biocompatibilidade e bioatividade Biocompativel era considerado aquele material 
totalmente inerte ao corpo humano, no entanto, atualmente sabe-se que qualquer tipo de 
material sempre elucida uma resposta do tecido vizinho 
o Interação biomateriais e tecidos 
1.Fenómenos físico-quimicos de interface relacionados com os primeiros instantes de 
contacto entre biomaterial, tecido e ambiente de implantação; 
2.Resposta dos tecidos e meio orgânico à presença do material; 
3.Mudanças ocorridas nos materiais como resultado da ação do meio sobre o material: 
degradação e corrosão; 
4.Reação de alguma parte do organismo não diretamente em contacto com o implante. 
 
A presença de grupos químicos específicos na superfície de um biomaterial pode orientar o 
mesmo a organizar o processo de adsorção de uma proteína específica. 
As proteínas adsorvidas de forma específica são reconhecidas pelo organismo como parte do 
corpo e podem interagir saudavelmente com as células. 
A superfície do biomaterial define a densidade e o modo de adsorção de proteínas. 
A interação entre células e proteínas adsorvidas definem a possibilidade de fixação da célula 
A célula fixada tem potencial capacidade de proliferar e regenerar o tecido anfitrião 
(biorreconhecida). 
 
o Estratégias de biorreconhecimento e adesão celular a biomateriais 
- Produção de biomateriais com superfícies capazes de adsorver, preferencialmente de forma 
específica, proteínas adesivas presentes no plasma; 
- Imobilização na superfície de biomateriais, antes da sua aplicação de proteínas adesivas ou 
polipéptidos contendo a sequência RGD (arginina-glicina-aspartato) de aminoácidos 
 
o Morfologia de biomateriais pode ser alterada de diversas maneiras 
1.Controlo do tamanho de poros em implantes porosos; 
2.Controlo do espaçamento ou formato entre ranhuras de dispositivos como em placas e 
parafusos para fixação; 
3.Atraves do tamanho e fração volumétrica de uma segunda camada na superfície de 
biomateriais 
 Mecânicas 
Dependem do tecido que se deseja regenerar; 
BIOMATERIAIS 
3 
 
Scaffolds devem garantir propriedades mecânicas similares aos dos tecidos adjacentes para 
evitar má formação tecidual; 
Distribuição adequada de tensões (solicitações mecânicas determinam a diferenciação 
celular); 
Maior desafio é manter propriedades mecânicas até a formação do novo tecido. 
 Porosidade 
Porosidade elevada de 50 – 1000 μm: < 150 μm : regeneração de pele; 200 – 400 μm: tecido 
ósseo. 
Poros arredondados e interconectados permitem vascularização, fluxo de nutrientes, migração 
das células 
Micro-porosidade aditivação: proteínas morfogenéticas, anti-inflamatórios e substâncias que 
liberam oxigênio. 
 
MATERIAIS EM MEDICINA: ESTRUTURA E PROPRIEDADES 
METAIS 
Estrutura cristalina do metal cúbico de face centrada, cúbico de corpo centrado e embalagem 
hexagonal compacta 
 
Solidificação dos metais os metais mais puros possuem um ponto de fusão especifico; quando 
medida considera-se a temperatura ambiente em ambiente inerte 
Formação do núcleo 
- Tensão de superfície dos metais líquidos é 10x maior que a da H2O (alta energia de 
superfície); 
- Início da solidificação: formação do Embryo (aglomeração de átomos), espontâneo (instável 
no estado liquido); 
- Abaixo da TF verifica-se uma menor energia de superfície (inicio da solidificação) e maior 
formação de embryos estáveis, o que origina a formação de núcleos pequenos e uniformes com 
arrefecimento muito lento e controlado; 
- Nucleação heterogénea (diminuição da energia de superfície por contato com uma partícula 
ou molde). 
 
Cristalização dos metais sólidos é a difusão atómica aleatória do metal fundido para o núcleo, 
formação do cristal em 3D com uma estrutura descontinuada e imperfeita. 
A cristalização ocorre a partir do núcleo de metais puros (ramificação chamada de dendritos) 
Uma menor temperatura permite a libertação da energia de fusão em forma de calor, com 
aumento do tamanho dos dendritos. 
Em ligas metálicas, a formação de dendritos é indesejável (zonas de tensão – propagação da 
fratura). 
 Ligas metálicas não nobres: formação dendrítica. 
 Ligas nobres: formação de grão equiaxial. 
Vantagens do grão equiaxial: maior facilidade do acabamento (polimento) e plano atómico 
descontínuona interseção dos grãos (maior resistência a deformação). 
 
 
 
 
BIOMATERIAIS 
4 
 
BIOMATERIAIS METÁLICOS 
Principais características 
- Alta resistência mecânica, à fadiga e ao desgaste; 
- Baixa resistência à corrosão em meio fisiológico, baixa biocompatibilidade, grande diferença 
de propriedades em relação aos tecidos; 
- Suportam altas cargas sem deformação permanente; 
- Para grandes solicitações → Deformação plástica → Remoção do implante; 
- Facilidade de produção; 
- Ótimo desempenho a nível de projeto, confeção e instalação. 
 
Principais aplicações próteses ortopédicas, implantes dentários, parafusos, elétrodos. 
 
Ligas metálicas 
Os metais têm uma ampla aceitação pois permitem suportar altas cargas sem deformação; 
facilidade de produção (Tecnicas convencionais e endurecimento posterior); ótimo desempenho 
a nível de projeto, confeção e instalação. 
 
 Aços inoxidáveis 
 Cromo: um dos principais elementos 
 Níquel e molibdênio: auxiliam na estabilidade do filme 
o Características sensitização, baixo custo, boa trabalhabilidade 
o Utilização componentes de próteses e endopróteses, dispositivos de osteossíntese 
 
 Ligas de Cobalto-Cromo Cromo Co-Cr-Mo – ASTM F 75-92 
o Características custo elevado, trabalhabilidade reduzida (microfundido, usinado) 
o Utilização principalmente componentes de próteses de articulação 
 
 Ligas de Titânio 
o Características 
O titânio possui elevada afinidade com o oxigénio, formando-se rapidamente na sua superfície 
uma camada de óxido; essa camada é estável e protege o material, sendo a responsável pela 
resistência do titânio à corrosão, o que permite uma grande possibilidade de aplicação, em 
diversos campos. Apresentam também uma alta resistência mecânica específica. 
 
o Desvantagens 
 O vanádio (V) é um material tóxico que pode causar problemas neurológicos. Para resolver 
problemas decorrentes da presença de vanádio algumas ligas foram desenvolvidas, 
especialmente para aplicação em implantes. 
O alumínio pode estar relacionado com algumas doenças (Alzheimer). A preocupação com o 
alumínio levou ao desenvolvimento da segunda geração de ligas ortopédicas, sem alumínio. 
O Ti possui elevada afinidade com o oxigênio, formando-se rapidamente, na sua superfície, 
uma camada de óxido (é estável e protege o material, sendo responsável pela resistência do 
titânio à corrosão); elevada resistência específica e elevada resistência à corrosão – grande 
possibilidade de aplicações, em diversos campos. 
 
 
BIOMATERIAIS 
5 
 
o Principais ligas 
Ligas de Ti apresentam excelente resistência/peso e resistência contra a corrosão, tal como 
resistência mecânica baixa 
 
Uso de ligas metálicas Materiais degradam, enquanto que os biológicos recuperam, os sintéticos 
não 
 
Problemas “cansaço do metal”, ou seja, apresentam uma vida útil; corrosão localizada ou 
generalizada: destruição ou deteorização de um material devido a reaçoes com o meio onde se 
encontra esse material. Este fenómeno é uma transformação química destrutiva de um metal ou 
liga ocasionada por um fluxo de eletrões. 
É então necessário selecionar materiais biocompatíveis, com mínimo de reações, desgaste e 
corrosão. 
As partículas nocivas extremamente prejudiciais poderão provocar dor, inflamabilidade, 
irritabilidade ou carcinogénese, afetando a saúde. 
A forma e capacidade de suportar esforços são importante na fixação e vida útil do implante. 
 
Além disso são importantes os cuidados na fabricação e colocação do implante, o projeto 
(cálculo de esforços), a seleção da liga entre as biocompatíveis, o controlo da matéria prima 
(normas), o processo de fabricação (encruamento, tensões, etc), técnicas de acabamento 
(remoção de irregularidades, filme protetor, jateamento com microesferas) e a técnica cirúrgica 
(deve ser a adequada com acompanhamento radiológico). 
 
POLÍMEROS conjunto de macromoléculas ou cadeias moleculares, cuja estrutura consiste da 
repetição de pequenas unidades ligadas através de ligações covalentes. 
 
Macromolécula molécula de alta massa molar. 
Monômero unidade repetitiva do polímero, ou seja, é uma molécula simples que dá origem ao 
polímero. 
Grau de polimerização número de unidades de repetição da cadeia polimérica. 
Oligômeros moléculas de baixa massa molar. 
 
Polímeros termoendurecíveis (polímero sintético) conformados numa forma permanente por 
aquecimento e curados através de uma reação química, não podem ser refundidos e 
reconformados. 
 Propriedades hidrofílico, elevada absorção de água, transparente, boa estabilidade, boa 
permeabilidade ao O2 e reticulado. 
 Aplicações lentes de contacto. 
 
Poliuretanos 
 Propriedades pode ser termoendurecível ou elastómero; boa resistência mecânica; boa 
resistência à fadiga e excepcional resistência à abrasão; excelente alongamento; muito boa 
resistência química; excelente hemocompatibilidade. 
 Aplicações isolamento em pacemakers e coração artificial;cateteres, tubuladuras; próteses 
vasculares e suturas e compressas. 
 
BIOMATERIAIS 
6 
 
Elastómeros 
 Propriedades materiais deformáveis sob aplicação de uma tensão baixa e que 
rapidamente retomam a forma original após remoção da tensão aplicada. 
 Aplicações Silicones 
o Propriedades único polímero com estrutura Si-O; inerte fisiologicamente e 
biocompatível; boa estabilidade térmica; resistência química excecional (inerte); boa 
resistência a agentes atmosféricos e oxidativos; excelente flexibilidade e baixa resistência 
mecânica. 
o Aplicações 
- Próteses: implantes articulados dos dedos, válvulas cardíacas e implantes mamários; 
- Reconstrução: cirurgia plástica e estética; 
- Cateteres e tubuladuras; 
- Isolamento de dispositivos implantáveis: pacemaker e coração artificial; 
- Cosméticos; 
- Lubrificação de instrumentos cirúrgicos; 
- Moldes para próteses dentárias; 
- Lentes de contacto. 
 
 
Hidrogéis materiais poliméricos que possuem a capacidade de inchar em água e de reter uma 
fração significativa na sua estrutura, mas que não se dissolvem em água. 
 Propriedades são hidrofílicos, tem uma natureza dinâmica (grupos pendentes), polaridade 
e volume livre entre moléculas vizinhas permite à água contactar o polímero, insolúveis em 
água e anfifílicos (regiões polares e não polares (hidrófobas) orientam-se conjuntamente 
de modo a formar clusters). 
 
 Vantagens elevada pureza, natureza expandida permite que as impurezas sejam 
facilmente expelidas, reduzindo as reações inflamatórias, minimizam irritação mecânica e 
friccional dos tecidos, tem uma resposta anfifílica e em meio não polares são expostas. 
 
 Limitações baixa resistência e mecânica e tenacidade, devido ao elevado teor em água, 
ultrapassada por maior reticulação. 
 
Comportamento biomimético das superfícies 
- Baixa adsorção de proteínas e adesão celular; 
- Elevada mobilidade das cadeias; 
- Livre entre cadeias (repulsão estérica). 
 
Aplicações biomédicas 
 Polímeros naturais 
o Materiais de implante substitutos de tecidos macios (cartilagem, tendão e músculos 
sensitivos), contacto com o sangue (cardiovasculares, intravasculares, cateteres, 
biossensores e revestimentos); 
o Compressas flexibilidade, resistência, não imunogénicos, permeabilidade à água, vapor e 
metabolitos e baixa adesão bacteriana; 
BIOMATERIAIS 
7 
 
o Libertação controlada de fármacos permeabilidade, propriedades difusionais, 
biocompatibilidade, absorção de água e taxa de absorção ajustáveis e adesão a tecidos; 
o Materiais sensíveis a estímulos – biossensores imobilização de espécies biologicamente 
ativas; 
o Órgãos artificiais rim, fígado e pâncreas tem capacidade para separar bio 
macromoléculas. 
 
BIOMATERIAIS POLIMÉRICOS 
Principais características Alta ductilidade, boa biocompatibilidade, facilidade de fabricação, 
baixa resistência mecânica e degradação com o tempo. 
 
Principais exemplos polietileno, polimetacrilato de metila, nylon,dracon, silicone e ácido 
politático. 
 
Principais aplicações superfícies articulares, cartilagens, cimento ortopédico e adesivos. 
 
CERÂMICAS 
As cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos 
geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas. 
 
BIOMATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITRO-CERÂMICOS 
Principais características Alta resistência à compressão e à corrosão em meio fisiológico; boa 
biocompatibilidade; baixa resistência à tração e tenacidade. 
 
Principais exemplos hidroxiapatita, xircônia, fosfato tricálcico; biovidro e carbono. 
 
Principais aplicações ossos artificiais, traqueia artificial, enchimento ósseo, fixador ósseo e raiz 
de dentes. 
 
Cerâmicas dentárias 
 Propriedades quimicamente muito estáveis, excelente estética que não sofreu com o 
tempo, condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica similares ao esmalte e à 
dentina. 
Dureza deve ser inferior ao esmalte, com uma superfície polida, por forma a minimizar o desgaste 
sobre o esmalte, quando em contactos oclusais. 
Uma cerâmica glazeada tem uma resistência à fratura aumentada e um potencial abrasivo 
reduzido. 
São mais resistentes à corrosão que os plásticos e metais, mas são menos resistentes que os 
metais pois estes apresentam maior tenacidade. 
Não reagem com a maioria dos líquidos, gases, ácidos e alcalinos. 
Apresentam uma estabilidade prolongada no tempo. 
São resistentes à temperatura e ao desgaste. Podem fraturar quando sujeitos a flexão ou 
quando são rapidamente aquecidos e arrefecidos. 
Têm a capacidade de serem “conformadas” em formas precisas, no entanto requerem por 
vezes equipamentos muito dispendiosos. 
BIOMATERIAIS 
8 
 
Cimentos de fosfato de cálcio 
Podem ser preparados misturando um sal de fosfato de cálcio com água ou com uma solução 
aquosa para que se forme uma pasta que possa reagir a temperatura ambiente ou corporal, 
dando lugar a um precipitado que contenha um ou mais fosfato de cálcio, ocorrendo a pega pelo 
intercruzamento dos cristais deste precipitado. 
Noções: Não é necessário dar forma ao preenchimento; Mínima cavidade do preenchimento; 
A preparação é realizada durante o ato cirúrgico; Existe um ótimo contato entre osso e implante; 
Biocompatibilidade e bioatividade. 
 
COMPARAÇÃO ENTRE CERÂMICAS E METAIS 
Metais Cerâmicas 
Melhores condutores térmicos e elétricos 
que as cerâmicas 
Mais estáveis química e termicamente que os 
metais 
Resistências à tração e à compressão 
comparáveis 
Resistências à tração e à compressão 
comparáveis 
Podem sofrer fratura dúctil, frágil ou mista 
 
Podem sofrer fratura frágil 
Normalmente bifásicos 
Na sua maioria, polifásicos 
 
 
COMPARAÇÃO ENTRE CERÂMICAS E POLÍMEROS 
Polímeros Cerâmicas 
Cristalizam-se mais dificilmente que os 
metais devido à complexidade estrutural de 
ambos. 
 
Cristalizam-se mais dificilmente que os 
metais devido à complexidade estrutural de 
ambos. 
 
Estabilidade térmica é menor que a dos 
materiais cerâmicos, porque partilham 
eletrões somente com um ou dois vizinhos 
 
Maior rigidez e menor plasticidade que os 
polímeros 
 
 
BIOMATERIAIS COMPÓSITOS combinação das propriedades do polímero e da cerâmica 
Principais características Boa biocompatibilidade, resistência à tração e à corrosão, difícil 
fabricação. 
 
Principais exemplos teflon – carbono; fibra de carbono e nylon – poliuretano. 
 
Principais aplicações cartilagens, odontologia e tecidos moles; reforçam uma matriz ara 
melhorar as propriedades mecânicas, ou seja, são utilizam-se onde as propriedades mecânicas 
são importantes como na fixação de fraturas (biodegradável ou não) e substituição de juntas 
(anca, joelho, etc). 
 
 
 
 
BIOMATERIAIS 
9 
 
BIOMATERIAIS FUNCIONAIS 
RESPOSTA BIOLÓGICA À PRESENÇA DO BIOMATERIAL 
Resposta biológica 
Processo inflamatório: biomaterial praticamente inerte → resposta severa; Implantes 
biodegradáveis; Fixação bioativa; Fixação biológica. 
 
Resposta inflamatória 
- Biomateriais não são “rejeitados”; 
- Rejeição de transplante de órgão: resposta imune específica; 
- Biomateriais: resposta inflamatória não específica; 
- Biomateriais a base de tecidos: pode levar a resposta imune (anticorpos e antígenos de 
células T); 
- Resposta imunogénica e disfunção do dispositivo implantado: não estão necessariamente 
relacionados; 
- Resposta imunológica: causa e consequência de falha do implante; 
- Presença de células mononucleadas que podem estar associadas a rejeição de órgão e 
tecido, mas de maneira não específica. 
 
Reação a um corpo estranho (FBR) 
- Células mais comum: macrófago (ativo pelo biomaterial; liberta citocinas que estimulam a 
inflamação e a fibrose); 
- Formação de células multinucleadas gigantes (evidência da FBR), ocorrendo desgaste das 
partículas libertadas (fagocitose frustrada (FF)), que vai originar a libertação de enzimas e 
citocinas) para encapsulamento do tecido fibroso (colagénio e fibroblastos). 
 
Efeitos remotos e sistémicos 
- Implantes metálicos: libertação e degradação de elementos tóxicos; 
- Transporte pelos macrófagos até aos nódulos linfáticos regionais; 
- Alergia ao metal: iões metálicos sozinhos fornecem complexidade estrutural para desafiarem 
o sistema imune, causando uma resposta imune quando combinado com proteínas. 
 
Formação de Trombos 
Nenhum material é tão resistente à formação de trombos como um endotélio funcional 
completo. 
Eventos na superfície do biomaterial adsorção de proteínas plasmáticas; adesão de plaquetas 
e leucócitos; formação de fibrina (coagulação) 
Nota: adsorção é o processo pelo qual moléculas ou iões de um fluido são atraídos ou retidos 
numa superfície sólida. 
 
Infeção 
5-10% são infeções associadas a implantes; resistência a antibióticos (infeção desaparece após 
a remoção do implante); infeções iniciais (1-2 meses) devido a contaminação intra ou pós – 
operatória; infeções tardias devido a bacteriemia causada por tratamentos dentários ou 
procedimentos geniturinários. 
BIOMATERIAIS 
10 
 
Mecanismos destruição do tecido causado pelo biomaterial (acesso facilitado aos tecidos 
posteriores); limitação da migração fagocitária; interferência com mecanismos fagocitários (ex. 
libertação de produtos solúveis); facilidade de adesão bacteriana. 
 
Processos mediados por proteínas na superfície do biomaterial 
 Coagulação sanguínea ativação de sistemas de coagulação; ativação e adesão de 
plaquetas. 
 Reparação/Regeneração adesão, proliferação e diferenciação celular. 
 Inflamação ativação e adesão de leucócitos; ativação de sistemas de complemento. 
 
MATERIAIS INTELIGENTES E SISTEMAS DE LIBERTAÇÃO CONTROLADA DE 
FÁRMACOS 
Alvo da libertação de fármacos 
Qualquer via de administração de fármacos conduz à exposição diferencial para órgãos e 
tecidos; Libertação oral resulta em maiores concentrações de GIT; Administração intravenosa 
diminui a exposição a GIT; Administração local reduz a exposição sistémica; Inalação promove 
aumento da exposição dos pulmões; Injeção sinovial resulta numa resposta aprimorada dentro 
da articulação. 
Todos estes mecanismos de administração de fármacos não são considerados de libertação 
dirigida, ainda que se pense que têm o mesmo objetivo. 
 
Tipos de libertação de fármacos 
 Biológica desenvolvimento de um fármaco que é biologicamente seletivo para uma região 
alvo 
 
 Química desenvolvimento de um fármaco que é biologicamente inerte e se torna ativo na 
região alvo (pró-fármaco) 
Um pró-fármaco é uma forma farmacológica inerte de um fármaco ativo que deve ser 
submetido a uma transformação ‘in vivo’, por uma reação química ou enzimática para ter o efeito 
terapêutico desejado. 
Os pró-fármacos podem ser usados para realizar uma libertação direcionada; o 
desenvolvimento de um pró-fármaco tem por objetivo ser um meio de transporte/entrega. 
Para um pró-fármaco ser usado na libertação direcionada deve ter acessopreferencial ao local 
alvo e ser ativo nesse meso local e não noutros. 
O desenvolvimento de L-dopa é um exemplo de um pró-fármaco para libertar de forma 
direcionada dopamina no cérebro. 
 
 Física utilização de um sistema carregador (ou de um dispositivo) que transporta o fármaco 
ao local alvo. 
Sistema carregador de fármacos: utiliza macromoléculas biologicamente inertes para libertar 
um fármaco numa região alvo; podem ser classificados como sendo partículas ou solúveis (ex: 
partículas, micropartículas, nanopartículas, lipossomas, carregadores celulares, solúveis, 
proteínas, hormonas, polissacarídeos, anticorpos, DNA, polímeros). 
 
 
BIOMATERIAIS 
11 
 
Sistema de libertação de agentes terapêuticos 
A libertação de agentes terapêuticos (fármacos) na dosagem e nos tempos ótimos torna-os 
mais eficazes e poderosos. 
O sistema de libertação de agentes terapêuticos é importante para controlar a quantidade de 
fármaco libertada – concentrações elevadas numa só toma podem ser prejudiciais e 
concentrações baixas limitam a eficácia do fármaco. 
 
Controlo do sistema de libertação de fármacos 
Otimização dos níveis do fármaco ‘in situ’; redução da degradação – aumento da semi-vida do 
fármaco; libertação contínua por períodos de tempo variáveis; número de administrações é 
reduzido; segmentação. 
 
Classificação dos sistemas de libertação de fármacos 
Os sistemas de libertação de fármacos podem ser classificados de acordo com os mecanismos 
de controlo da libertação: 
 Sistemas de difusão controlada: fármacos libertados através de poros ou entre as cadeias 
poliméricas. 
 Sistemas de penetração através da água: a água é o agente principal para a libertação do 
fármaco; neste sistema as moléculas do fármaco não se difundem sem que as moléculas 
de água se difundam. 
 Sistemas de libertação biodegradáveis 
 Sistemas de libertação responsivos 
 
Aplicações 
Em dispositivos de reserva controlados por uma membrana o fármaco está num núcleo, que 
é rodeado por uma membrana polimérica, e é libertado através da taxa de controlo membranar. 
Em dispositivos de matriz o fármaco está uniformemente disperso/dissolvido numa matriz não 
degradável (polimérica) e é libertado por difusão a partir do polímero. 
 
Aplicação: sistemas controlado por água 
Dispositivos de libertação controlados osmoticamente: têm uma membrana semi-permeável 
que permite a movimentação da água mas impede a movimentação de sais e do fármaco para 
fora; o fármaco sai através de um poro devido ao aumento da pressão causada pelo aumento 
volumétrico. 
Dispositivos controlados por swelling: incorporam fármacos num polímero hidrofílico que é 
rígido e vítreo quando seca e incha quando colocado em ambiente aquoso. 
Fármaco disperso numa matriz biodegradável: os dispositivos biodegradáveis são formados por 
polímeros que corroem ou degradam como resultado da exposição a agentes químicos (agua) ou 
biológicos (enzimas); o fármaco é libertado quando o polímero começa a erodir ou degradar. 
 
ENGENHARIA DE TECIDOS 
Persuasão do corpo para se curar através da libertação, em locais apropriados, de sinais 
moleculares, células e estruturas de suporte. 
Útil para o desenvolvimento de substitutos biológicos que restauram, mantêm ou melhoram 
a função do tecido. 
BIOMATERIAIS 
12 
 
Engenharia de tecidos como uma abordagem 
 Métodos de injeção celular: autólogo (paciente) ou alogénico (dador). 
 
 Vantagens: evita complicações cirúrgicas; pode ser direta a um órgão específico pela 
transfusão de sangue; substituição de funções metabólicas (fígado). 
 
Estratégias na engenharia de tecidos 
Recorre a scaffold biodegradáveis: solução permanente; sistema fechado; implantados 
(microesferas); extracorporal (diálise); injeção celular; na corrente sanguínea ou órgão alvo 
(cirurgia é evitada);eficácia limitada em muitos casos; requer quantidades elevadas de células. 
 
Engenharia de tecidos usando scaffolds 
 Vantagens: biocompatível; biodegradável; permite troca de nutrientes e de gases; 
manufaturável. 
 
 Materiais: polímeros naturais (colagénio e fibrina); matrizes sem células (válvulas do 
coração); polímeros sintéticos (PGA, PLA). 
 
Células 
 Fonte: autogénicas, alogénicas, xenogénicas. 
 
 Tipos: diferenciadas; progenitoras; indiferenciadas (células estaminais embrionárias ou de 
adultos) 
 
 Manipulação genética: transferência de material genético para prevenir imuno-rejeição. 
São necessários vários tipos de células: algumas células têm rápida proliferação 
(queratinócitos, fibroblastos e células endoteliais e do músculo liso) enquanto que algumas tem 
uma proliferação mais lenta (hepatócitos, cardiomiócitos); 
 
 Órgãos dificuldades com células estaminais. 
 
 Isolamento de uma população de células; 
 
 Preservação de células em cultura por longos períodos de tempos; 
 
 Expansão de células epiteliais. 
 
Células estaminais – ‘construção’ de órgãos 
Células estaminais tipo: incapacidade para dividir nas quantidades requeridas; não podem ser 
diferenciadas totalmente. 
Células embrionárias: podem provocar resposta imune (dependendo da origem). 
Células clonadas: levantam questões éticas. 
 
 
 
BIOMATERIAIS 
13 
 
Vascularização 
Fornece influxo de O2 e nutrientes para as células e permite a saída de produtos metabólicos; 
essencial para garantir o funcionamento do órgão; desafio chave na ‘construção’ do órgão; 
transferência em massa de O2 e nutrientes para a estrutura 3D; neovascularização de tecidos 
vivo. 
 
Inervação 
Comos os órgãos viscerais são inervados; o papel dos nervos em cada órgão está longe de ser 
compreendido; a complexidade da estrutura nervosa de cada órgão continua a ser muito difícil, 
se não impossível, para incorporara em órgãos artificiais. 
 
Fatores solúveis 
Atualmente mais disponíveis e em quantidades suficientes – através da engenharia de tecidos; 
muito caros para a utilização generalizada; funcionam; exigem um sistema de libertação 
(polímeros ou cerâmicas); ex. BMPs; para posicionar, localizar e libertar o BMP para interagir com 
as células. 
 
Papel dos scaffolds na engenharia dos tecidos 
Imitação da matriz celular; fornecer células com suporte físico e mecânico para manter os 
tecidos na orientação necessária; assegurar propriedades de sinalização de componentes 
solúveis e insolúveis na matriz extracelular; promover o crescimento celular e restaurar a função 
diferenciada. 
 
Sacffolds poliméricos 
 Funções: carregadores celulares; promover a estrutura 3D para a regeneração celular. 
 
 Propriedades: biocompatível, biodegradável, redutível em vários formatos e tamanhos; 
estrutura porosa e alta relação superfície-voluma para permitir a difusão e o intercâmbio 
de O2, nutrientes e produtos metabólicos, assegurando assim a sobrevivência da célula 
antes da neovascularização; propriedades mecânicas adequadas para suportar a 
compressão causada pela invasão de fibroblastos. 
 
Biorreatores 
Sistema vascular artificial que proporciona troca de O2, nutrientes e produtos metabólicos de 
um elevado número de células; sistema ideal ‘in vitro’ para estudar doenças; não há biorreatores 
suficientemente desenvolvidos para a maturação ‘in vitro’. 
 
Impacto da engenharia de tecidos 
A engenharia de tecidos pode ter um impacto mais profundo do que podemos prever 
atualmente como a alteração da prática médica. 
 
Novas formas de tratamento médico: Regeneração de tecidos e órgãos doentes: fornecer a 
funcionalidade completa; melhorar os processos de recuperação (melhorar qualidade de vida, 
custos de saúde inferiores) - novas formas de produtos para diagnóstico e tratamento; elucidação 
do desenvolvimento dos mecanismos biológicos; aplicação de células estaminais; elevado 
potencial do impacto social. 
BIOMATERIAIS 
14 
 
 
Regulação da engenharia dos tecidos 
Quando o processo de desenvolvimento de tecidos e órgãos funcionais está completo,estes 
devem ser aprovados por autoridades médicas o que pode levar anos. 
Objetivo: garantir que os produtos sejam seguros e eficientes e atinjam o púbico assim que 
possível. 
 
Grande variedade de tipos de produtos regulamentados: órgãos e tecidos humanos 
transplantados; tecidos e órgãos animas; células de mamíferos processadas, selecionadas e 
expandidas com ou sem biomateriais; materiais sintéticos de concessão biomimética; alguns 
produtos do mercado e outros em avaliação; analisados numa base caso-a-caso; requer a 
cooperação entre diferentes identidades; falta de normas. 
 
Critérios para a regulação em engenharia de tecidos: Avaliação do pré-mercado; segurança 
(doenças transmissíveis) e eficácia; manufatura (consciência e estabilidade, controlo de 
qualidade, segurança dos trabalhadores, reprodutibilidade); segurança pré-clínica (toxicidade, 
biocompatibilidade, caracterização de materiais); segurança clínica; avaliação pós-mercado; 
desempenho do produto. 
 
Dificuldades na regulação da engenharia de tecidos: Dificuldade em definir como um produto: 
resultado da aplicação dos princípios de engenharia e ciência da vida para criara substitutos 
biológicos para restaurar, manter ou melhorar as funções; produtos compostos; grande 
variedade de produtos; requer cooperação entre diferentes identidades; área em constante 
evolução; definição dos métodos e avaliação da eficiência; falta de normas. 
 
RESPOSTA CELULAR: ESTRATÉGIAS PARA MODIFICAR SUPERFÍCIE DOS 
BIOMATERIAIS 
Topografia e química da superfície 
A superfície revelou química e topografia de biomateriais que induzem resposta celular in vitro 
e in vivo (adesão, viabilidade) 
 
 Propriedades da superfície hidrofobicidade e cargas são importantes na adsorção 
proteica, que influencia atividades celulares. 
o Efeitos das propriedades: diferenças nas espécies proteicas adsorvidas, concentração e 
atividade biológica 
 
Sinais biológicos e químicos 
Libertação controlada de fatores de crescimento, responsáveis por diferentes estádios de 
diferenciação. Podem fornecer sinais importantes para a diferenciação de células estaminais. 
Podem ser adsorvidos no biomaterial ou na superfície scaffold (dentro da superfície) 
Fatores de crescimento solúveis (BMP,FGF) podem ser diretamente encapsulados ou 
incorporados durante o processo de fabrico do scaffold. 
 
 
 
BIOMATERIAIS 
15 
 
Alteração física da superfície do material 
 Modificação da superfície: camadas, colocar o biomaterial em vários químicos, usar 
proteínas de adsorção, carregar os biomateriais ou superfícies de scaffold. 
 
Mecanismo usado para aumentar a resposta celular a superfícies hidrofílicas é alterar as 
proteínas adsorvíveis a materiais hidrofílicos e hidrofóbicos. 
 
Conjugação covalente de moléculas bioativas da superfície do biomaterial 
Incorporação de moléculas bioativas nos BM é uma maneira importante de regular 
diferenciação celular. Fornece sinalização e concentração de biofatores 
Biomateriais alterados e multi-biofatores são libertados via difusão, proteólise mediada por 
células, em resposta a estímulos mecânicos 
 
Nano topografia e superfície osso-implante 
Sistemas de coordenação num organismo são: 
- Sinalização usando citocinas e hormonas; 
- Interação direta entre células; 
- Interação entre células e o tecido não celular. 
 
Função celular 
- Células detetam gradiente de compostos químicos e evitam/seguem uma alta concentração; 
- Quimiotaxia permite que organismos encontrem fonte de nutrientes e que se afastem de 
compostos tóxicos; 
- Reconhecimento de ligandos por um recetor especifico; 
- Produzem e libertam ligandos durante o processo de regeneração e inflamação. 
 
BIOSENSORES Dispositivo analítico, que deteta analites. Combina componente biológica com 
detetor físico-químico 
 
Aplicação 
 Biossensor de glucose sanguínea, que usa a enzima glucose oxidase para a quebra da glucose. 
É o transdutor e a enzima é ativa; 
 Usa organismos que respondem a substâncias tóxicas a concentrações muito mais baixas que 
os humanos. Podem ser usados em monitorização ambiental, deteção de gás e locais de 
tratamento de água; 
 Contém proteína geneticamente modificada ou enzima, configurada para detetar analites. 
Exemplo: deteção da concentração de AMPc no citoplasma