materiais cerÂmicos biomateriais. classificação dos materiais cerâmicos baseada na aplicação
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PROPRIEDADESPROPRIEDADES
dureza resistência a abrasão refratariedadeisolamento térmico isolamento elétrico não magnético resistência a oxidação quimicamente estável
frágil
USO CLÍNICO DAS BIOCERÂMICASUSO CLÍNICO DAS BIOCERÂMICAS Reparo craniano vidros bioativos Reconstrução maxilofacial Al2O3, HA, HA-PLA, biovidro Implantes dentários Al2O3, HA, recobrimento de HA, biovidro Aumento do rebordo alveolar Al2O3, HA, -TCP, HA+osso autógeno, HA-PLA, biovidro Dispositivos percutâneos vitro-cerâmica bioativa, biovidro, HA, recobrimento de carbono pirolítico Válvulas cardíacas recobrimento de carbono pirolítico Cirurgia da coluna vitro-cerâmica bioativa, HA Reparo da crista ilíaca vitro-cerâmica bioativa Preenchimentos ósseos -TCP, sais de fosfatos de cálcio, grânulos de biovidro Ortopedia Al2O3, zircônia, PE-HA, recobrimento de HA e de vitro-cerâmica
Composições de BiocerâmicasCategoria Exemplo
Óxidos simples Alumina, zircôniaCovalentes Carbono LTI, TiN, SiC*, Si3N4
*
Sais de cálcio Hidroxiapatita, fosfatos de cálcio, tri-fosfato
de cálcio, etc.Silicatos BiovidrosVitro-cerâmicas Apatita/Wollastonita (A/W)Compósitos A/W vitro-cerâmica com
adição de zircônia tetragonal
FORMA, FASE E FUNÇÃO DAS BIOCERÂMICASLarry L. Hench, 1993
FORMA FASE FUNÇÃO
pó policristalina preenchimento, tratamento terapêutico, vítrea regeneração de tecidos
recobrimento policristalina ligação tecidual, tromboresistência, pro- vítrea teção contra corrosão vitro-cerâmica
sólido cristalina substituição e aumento de tecido, substi- policristalina tuição de partes de tecidos vítrea vitro-cerâmica compósito
Óxidos
Comp. Química
DensidadeTipo de material
Norma
Módulo elásticoDurezaResist. a compr.Resist. a flexãoTenac. fraturaTam. de grão
ZrO2 + MgO
zirconia parcial/te estabilizada
210 GPa 1250 HV 0.1 > 500 MPa
10 MPa m1/2 30 m
Al2O3+MgO (<0.5%)< 0.02 SiO2+Na2O %3.98 g.cm-3
corindon policristalino
ISO 6474
380-420 GPa> 2000 HV 4000-4500 MPa> 595 MPa 4-6 MPa m1/2
< 2 m
ZrO2+ Y2O3
zirconia tetragonal policristalina
ISO/DIS 13356
210 GPa1250 HV > 900 MPa
8 MPa m1/2
< 0.5 m
Propriedades Alumina Y-TZP zircônia Mg-PSZ zirconia
ALUMINA
Composição - Al2O3
Processamento - prensagem e sinterização (1400- 1600ºC)
Aditivo de sinterização - MgO (< 0,5%), para aumentar a densidade e obter uma microestrutura com grãos mais finos
Estrutura - policristalina, hexagonal
Formas de aplicação - densa, como material estrutural
ALUMINA Características biológicas - inerte e/ou tolerável,
biocompatível
Propriedades
excelente resistência a corrosão alta resistência mecânica alta resistência ao desgaste: baixo coeficiente de fricção e desgaste boa resistência a flexão excelente resistência a compressão excelente resistência a fadiga resiste ao impacto
ALUMINA Aplicações
cabeça e copo de prótese de fêmur prótese de joelho com parte tibial de polímero (UHMWPE) em articulações: tornozelo, cotovelo, ombro, pulso, dedos implantes dentários substituição parcial ou total do ossículo do ouvido médio anéis de suporte para traquéia liberação controlada de fármacos parafusos reconstrução alveolar reconstrução maxilofacial
ALUMINA Durabilidade
previsão - menos de 1 em 100 componentes submetidos a máxima tensão de tração (<200MPa) falhariam em 30 anos
uso - > 100 mil cabeças de fêmur implantadas/ano - o primeiro registro de implante é de 1971 (Boutin)
vantagem - cabeça e copo de alumina produzem menos abrasão do que cerâmica e polímero
desvantagens - maior causa de falha está na perda de aderência do copo acetabular - problemas para fixação
ZIRCÔNIA
Composição - ZrO2
Estabilização da fase - CaO, MgO, Y2O3
Estrutura - policristalina
Fases - tetragonal, monoclínica, cúbica
Formas de Aplicação - densa, como material estrutural
Óxido de zircônio - fases
Fase
Monoclínica
Tetragonal
Cúbica
Temperatura detransformação (°C)
1000-2000
2000-2280
> 2280
Densidade (g/cm3)
5.56
6.10 (calc);5.72 (exp)
6.09 Transformação tetragonal-monoclínica no resfriamento (1000800°C) gera tensões aumento de 5% vol, mudança de forma e quebra ao longo dos grãos
Estabilização CaO, MgO, Y2O3 estabiliza a fase cúbica (total) ou cúbica-tetragonal (parcial) a T ambiente
Características biológicas - inerte e/ou tolerável, biocompatível
Propriedades boa tenacidade a fratura boa resistência a flexão menor módulo elástico excelente resistência a compressão excelente resistência a corrosão excelente resistência a fadiga
ZIRCÔNIA
vidros que desencadeiam respostas biológicas específicas na interface com o implante resultando na formação de uma ligação do tecido com o material
vidros bioativos promovem reparação tecidual, não são tóxicos, não induzem respostas alérgicas ou carcinogênicas, como confirmado por meio de testes in vitro e in vivo.
Vidros Bioativos(Larry L. Hench 1968)
bioatividade = habilidade de ligação com os tecidos moles e duros
BIOVIDRO
Composição - SiO2, Na2O, CaO, P2O5, CaF2
Processamento - vidros fundidos - vidros por sol-gel
Composições Típicas
SiO2 Na2O CaO P2O5 CaF2
45S5.4F 46.1 24.4 16.2 2.6 10.8
45S5 46.1 24.4 26.9 2.6 0 58S 60.0 0 36.0 4.0 0 77S 80.0 0 16.0 4.0 0
Vidros fundidos: bioativos até 60% sílicaVidros por sol-gel: bioativos até 85% sílica
Processamento: Vidros FundidosPeças densas: Fusão de sílica, soda, cálcio e outros óxidos de
alta pureza a ~1300-1450°C em cadinhos de platina
Vertimento em moldes de grafite/aço e resfriamento
Tratamento térmico a 450-550°C Corte com ferramentas de diamante; polimento
Grânulos e pós: Vidro fundido é resfriado em ar ou água, seco
rapidamente para evitar corrosão, moído e separado em peneira
Biovidros Fundidos - Propriedades
módulo elástico 30- 35 GPa (~ osso cortical) boa resistência a compressão alta solubilidade baixa dureza baixa resistência mecânica baixa tenacidade a fratura baixa resistência a flexão 40- 60 MPa
Biovidros por Sol-Gel - Propriedades
Mesoporosidade (20-500 Å) intrínseca aumenta a bioatividade, permite rápida adesão celular, e adsorção de fatores de crescimento e proteínas para acelerar regeneração tecidual
A estrutura altamente porosa permite expandir a faixa de composição dos vidros com teores de álcali mais baixos e de sílica mais alto
Vitro-Cerâmicas
micro-cristais precipitam-se sobre a matriz vítrea durante tratamento térmico, de forma espontânea ou germinada (adições de Pt, ZrO2)
resistência mecânica aumenta de 34.5 MPa para 60-100 MPa ou mais
vitro-cerâmicas (Ceravital, A/W) apresentam solubilidade mais baixa devido ao menor teor de álcali, favorecendo a formação de tecido cartilaginoso.
ISO 23317 – 2007 - Implants for surgery - In vitro evaluation for apatite-forming ability of implant materials.
Tadashi Kokuboand Hiroaki Takadama. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials 27 (2006) 2907–2915
Aplicações
raiz dentária, para minimizar absorção alveolar
espaçadores da vértebra
reconstrução maxilofacial
reconstrução do ouvido médio
preenchimento de defeitos ósseos
recobrimento
BIOVIDRO
Formas de aplicação
densa de tamanho reduzido (fusão), como material de baixa solicitação mecânica
partículas ou grânulos (20-700m)
compósito polímero-vidro
sistemas injetáveis com veículo solúvel
recobrimentos
vidros por sol-gel dopados com Ag (bactericida), proteínas e fatores de crescimento
forma de aplicação: grânulos, pó, densa e porosa
vantagem:
alta biocompatibilidade osteocondutiva
desvantagem:
baixa resistência mecânica quando de origem animal, problemas com impurezas e contaminações
Hidroxiapatita (HA)
Propriedades
Densidade
Resistência a compressão
Resistência a flexãoTenacidade a
fraturaMódulo elástico
DurezaPonto de fusão
Bioativo, Osteocondutor
Cor
Valor padrão
3.16 g/cm3
(teórica)100--200 MPa
< 100 MPa< 1 MPa m1/2
max. 100 GPa500 HV1650 °C
Branca, azulada
Observação
HA é sempre porosa
Depende da porosidade
Similar a do vidro de janelaDepende da porosidade
Similar ao vidro de janela
Decomposição > 1300 °C
Interage com o meio fisiológico
Depende da matéria-prima
Propriedades da HA
Métodos de recobrimento
CVD (chemical vapor deposition) Deposição por plasma (plasma-spraying) Imersão em soluções particuladas Método biomimético Deposição eletroquímica Deposição por sol-gel Recobrimento de monetita e conversão para HA
pela imersão em bases NH4OH, NaOH, KOH Deposição por laser pulsado
APLICAÇÕES CLÍNICAS DA HA raiz dentária para minimizar a reabsorção do rebordo alveolar e manter as dimensões alveolares
aumento do rebordo alveolar para melhor fixação de próteses dentárias
reconstrução maxilofacial
preenchimentos de defeitos ósseos ao redor de implantes
carga em compósitos e cimentos
recobrimento sobre próteses metálicas, poliméricas
cimento ósseo de fosfato de cálcio