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OS BIOMATERIAIS
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O que são?São substâncias ou misturas de
substâncias, de origem sintética ou natural que estão em contacto com tecidos e/ou fluidos biológicos.
Por isso devem ser/são:Biocompatíveis, isto é:1) Não tóxicos;2) Não promovem reacções imunológicas nem alérgicas;3) Não causam cancros.
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Porque surgiram?
• Melhorar a qualidade de vida
• Aumentar a longevidade e o conforto
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BIOMATERIAIS
Química Física Biologia
Eng. Materiais Eng. Química
Biomateriais como resultado da interacção de várias ciências
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Para que servem?Os biomateriais têm actualmente funcões:
Prostéticas (substituir partes do corpo ou orgãos)
Diagnósticas (ajudar na determinação de anomalias, experiências)
Terapêuticas (ajudar na cicatrização, tratamento)
Armazenamento (guardar substâncias)
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Estudo dos biomateriais
Materiais
Propriedades mecânicas
Propriedades térmicas
Propriedades da superfície
Propriedades eléctricas
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Classificação dos biomateriaisOs biomateriais podem ser
classificados segundo:
Natureza
Metais
Cerâmicos
Polímeros
Compósitos
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Classificação dos biomateriais
Resposta do tecido
Bioinertes
Bioactivos
Bioabsorvíveis
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Classificação dos biomateriais• Bioinertes: não interagem ou interagem
minimamente com o tecido circundante. Formação de uma cápsula fibrosa à volta do implante.
• Bioactivos: interagem com o tecido circundante.
• Bioabsorvíveis: incorporam-se nos tecidos e dissolvem-se completamente passado algum tempo.
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Biomateriais metálicos• Os metais são materiais formados por
apenas um elemento e apresentam uma estrutura geométrica bem definida.
• Na ligação metálica , os electrões de valência movem-se entre os iões formando ligações não direccionais bastante fortes.
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Biomateriais metálicos -propriedadesDevido ao tipo de ligação química, estes biomateriais
apresentam:
Pontos de fusão altos;
Dureza elevada;
Elevada condutividade eléctrica e térmica;
Deformação plástica;
Reactividade química
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Corrosão • Alguns metais podem sofrer corrosão
electroquímica num ambiente in vivo.
• Corrosão é a deteriorização dos materiais pela acção química ou electroquímica do meio.
• O meio corrosivo são os fluidos corporais porque contêm água, oxigénio dissolvido, proteínas e alguns iões.
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Exemplos de biomateriais metálicosAço inoxidável: • Actualmente o mais utilizado no fabrico de
implantes. • Uma liga de Fe-Cr-Ni. Pode conter outros
metais• Não sofre corrosão em contacto com o O2
porque se forma uma película aderente de Cr2O3.
• Em zonas de grande tensão e na ausência de O2 pode sofrer corrosão. Recorre-se à anodização e passivação.
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Exemplos de biomateriais metálicosLigas de Titânio-Níquel (TiNi):• Possuem grande resistência à corrosão;• Comportamento termoelástico: podem
voltar a apresentar a forma original se, após terem sido deformadas forem submetidos a aumentos de temperatura (shape memory effect);
• Superelasticidade:
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Superelasticidade
TiNi
Aço Inoxidável
Tensão
EsforçoPosição contínua
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Biomateriais Cerâmicos• Compostos, maioritariamente inorgânicos,
policristalinos e refractários.• Resultam da ligação entre um metal e um
não metal. • Podem estabelecer ligações iónicas:
Forças electrostáticas bastante fortes;Estabelecem-se entre um ião positivo (proveniente de um átomo metálico) e um ião negativo (proveniente de um átomo não metálico);Nos sólidos iónicos, os iões positivos estão rodeados de iões negativos, e vice versa, para reduzir a repulsão entre iões do mesmo sinal
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Exemplos de alguns cristais iónicos
NaCl CsCl CaF2
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Biomateriais cerâmicosDevido ao tipo de ligação química, estes biomateriais
apresentam:
• Pontos de fusão altos;
• Pontos de ebulição altos;
• Dureza elevada;
• Facilidade em quebrar;
• Baixa condutividade eléctrica e térmica;
• Baixa reactividade química.
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Deformação plástica
Traduz a capacidade que os cristais têm em rearranjar-se quando submetidos a forças que provocam o deslizamento dos planos de átomos
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Exemplos de biomateriais cerâmicosHidroxiapatite (Ca10(PO4)6(OH)2):• Sintetizado e usado no fabrico de implantes e
superfícies para outros implantes;• Componente principal da fase mineral do osso;• Bioactivo – induz uma actividade biológica
específica;• Porosa – o crescimento dos tecidos efectua-se
por entre os poros;• Degradação bastante lenta;
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Biomateriais compósitos• Sólidos heterogéneos constituídos por
dois ou mais constituintes ou fases.
• Como as propriedades dos materiais dependem da sua estrutura, é possível, em compósitos, controlar a sua estrutura para que tenham as propriedades desejadas;
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Biomateriais compósitosPara a maioria das suas aplicações, estes materiais
apresentam:
• Elevada resistência e rigidez;
• Grande capacidade de amortecimento;
• Baixo coeficiente de expansão térmica;
• Resistência a temperaturas extremas, corrosão e desgaste.
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Tipos de biocompósitos
Biocompósitos
Fibrosos(fibras incorporadas
numa matriz polimérica)
Porosos(uma das fases são os
espaços vazios)
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Exemplos de biomateriais compósitos
Compósitos fibrosos
Compósitosporosos
Fibras de carbono em polietileno de alta densidade (substituição do joelho)Fibras de carbono numa matriz de polisulfona e PEEK (substiuição dos metais)
Hidroxiapatite (implantes ósseos)Poliuretano (aplicações em tecidos moles)Polipropileno (ligamentos artificiais)
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Biomateriais poliméricos• Cadeias muito longas de moléculas
(monómeros) que se ligam entre si por ligações covalentes.
-Ligações primárias (intramoleculares)
Ligação covalente: Estabelece-se quando há partilha de
electrões de valência entre os átomos;
Geralmente ocorre entre não metais.
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Biomateriais poliméricos• As reacções de polimerização podem ser:
–Adição: monómeros insaturados que reagem entre si passando por várias etapas: iniciação, propagação e terminação.
R• + M → RM•
RM• + M → RMM•
RMnM• + R• (RM•) → RMn+1R
Iniciação
Propagação
Terminação
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Biomateriais poliméricos- Condensação: remoção de uma molécula
de água, ácido clorídrico, metanol ou dióxido de carbono.
R-NH2 + R’COOH → R’CONHR + H2O
Nota: o método de polimerização afecta o tipo de polímero obtido
• As cadeias poliméricas podem ser:– Lineares– Ramificadas– Ligações cruzadasDependendo do número de ligações activas nos
monómeros
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Biomateriais poliméricos
-Polímeros obtidos por adição
-Polímeros obtidos por condensação: copolímeros
• Polímeros
Homopolímeros
Copolímeros
AleatóriosAlternado
sblocos
CristalinosAmorfos
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Biomateriais poliméricos- Ligações secundárias
(intermoleculares)
Forças de van der Waals
Forças por pontes de hidrogénio
Forças ião-dipolo
Dipolo-dipoloDipolo-dipolo induzidoForças de dispersão de London
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Propriedades dos polímeros•As propriedades dos polímeros dependem:–Peso molecular do polímero;–Distribuição do peso molecular na cadeia;–Tipo de monómeros.
Vantagens do uso de polímeros em relação aos outros biomateriais
– Facilmente processados; - Propriedades físicas e mecânicas desejadas;– Formas variadas;– Economicamente acessíveis.
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Exemplos de biomateriais poliméricos
PMMA (polimetilmetacrilato)• Linear, amorfo e hidrofóbico• Vítreo à temperatura ambiente• Duro;• Estável;• Resistente a soluções inorgânicas• Transmite bem a luz;• Pode ser facilmente trabalhado, moldado• Utilizado em lentes intraoculares, lentes
rígidas, dentaduras, prótese maxilofaciais, cola para unir as próteses ao osso.
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Exemplos de biomateriais poliméricosPP (polipropileno)• Elevada rigidez;• Boa resistência química;• Pode suportar forças elevadas de tracção;• Alguns antioxidantes, estabilizadores de luz,
agentes nucleadores podem ser usados para melhorar as propriedades físicas do polímero;
• Utilizadas para seringas hipodérmicas descartáveis, membranas oxigenadoras, embalagens de materiais, soluções e drogas, enxertos vasculares ...
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Polímeros biodegradáveis• Materiais poliméricos que quando em contacto com
organismos vivos, começam a degradar-se devido a mecanismos electrolíticos ou enzimáticos.
Vantagens dos polímeros biodegradáveis em biomateriais
• São absorvidos pelo corpo humano;• Não deixam vestígios de resíduos nos sitios onde
foram implantados;• Não é necessário fazer uma segunda cirurgia para o
remover;• São capazes de regenerar tecidos através das suas
interacções com as células imunológicas (macrófagos)
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Polímeros biodegradáveis
1) Polímeros naturais: são produzidos por plantas, animais e microorganismos através de reacções químicas.São exemplos:Proteínas, Hidratos de carbono, Poliésteres (bactérias).
São biodegradáveis e a sua estrutura química difere da dos polímeros sintéticos: quase sempre têm oxigénio e azoto na cadeia polimérica enquanto que muitos dos polímeros sintéticos contêm carbono o que os torna dificeis de degradar
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Polímeros biodegradáveis2) Polímeros sintéticos: provêm de monómeros
que existem na natureza mas que não são produzidos pelos seres vivos. Têm, no entanto propriedades de biopolímeros e são biodegradáveis.
Aplicações dos polímeros biodegradáveis
• Implantes em que há regeneração dos tecidos;• Cicatrização (suturas e agrafos);• Artigos de fixação ortopédicos (parafusos...);
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Exemplos de polímeros biodegradáveis PGA (Ácido poliglicólico)• Poliéster alifático linear;• Monómero sintetizado a partir da dimerização do
ácido glicólico;• Altamente cristalino;• Elevado peso molecular;• Não é solúvel em solventes orgânicos• Suas fibras têm forças e resistências elevadas;• São completamente absorvidas entre 4-6 meses;• Pode ser copolimerizado com outros monómeros
para reduzir a rigidez.
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Plásticos: matérias primas não renováveis vs matérias primas renováveis
Polímeros
Os plásticos são utilizados em todas as áreas na sociedade porque são versáteis, baixo custo e desempenham boas performances
Plásticos
Termoplásticos
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• Nos últimos anos o uso de plásticos aumentou bastante e tornou-se inevitável estudar o impacto ambiental:Preocupações:
1) Uma vez que as fontes de matérias primas utilizadas para produzir plásticos estão a escassear, como resolver o problema?
2) O que fazer aos plásticos quando deixam de ser úteis?
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• A solução é recorrer a fontes de energia e de matérias primas renováveis: energia solar, eólica, geotérmica, hidroeléctrica e biomassa.
• Os plásticos produzidos a partir da biomassa (matéria gerada devido ao crescimento de organismos vivos- plantas, animais e microorganismos) poderiam ser decompostos por uma processo que controla a decomposição microbiana do material biodegradável e a formação de dióxido de carbono, água, minerais e humus.