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Transcript

Biovidros

45S5

"Vidro projetado para provocar uma específica resposta biológica através de reações controladas de superfície"

ORÉFICE, R. L; PEREIRA, M. D. M.; MANSUR, H. S. Biomateriais: Fundamentos e Aplicações. Rio de Janeiro: Cultura Médica

Larry L. Hench

  • 1969
  • Universidade da Florida

Histórico

Bioglass®

  • 45% SiO2, 24,5% Na2O, 24,5% CaO e 6% P2O5
  • Ca10(PO4)6(OH)2

Propriedades

  • Baixa resistência mecânica à fratura;
  • Tendência à cristalização, o que limita a produção de peças tridimensionais (3D), scaffolds e fibras.

  • Classe A;
  • Totalmente absorvido e substituido pelo osso.

Aplicações

Perioglass

  • Regenera o osso em volta da raiz de um dente saudável, com o intuito de salvá-lo;
  • Repara o osso da mandíbula para que este se torne suficientemente resistente para ancorar implantes de titânio;
  • Juntamente a uma membrana polimérica, pode ser utilizado para guiar a regeneração de tecidos;
  • Em consistência de pasta pode ser utilizado para esterilizar o canal da raiz, podendo também atuar como bactericida.

Nova Min

  • Partículas de biovidro aderem à dentina e formam uma camada de HCA similar a composição do dente, bloqueando canais que transportam fluido.

Nova Bone

  • Partículas entre 90 e 710μm dispersas de forma aleatória em uma pasta feita utilizando sangue do próprio paciente;
  • Causa menos infecções (2% vs. 5%) e menos falhas mecânicas (2% vs 7.5%) do que o auto-enxerto.

MEP - Prótese de reconstrução ossicular desenvolvida para tratamentos acerca da perda de audição

  • Estrutura sólida de biovidro fundido que conduz o som da membrana do tímpano para a cóclea, substituindo os pequenos ossos da orelha média .
  • Implantes para recuperação do movimento total dos olhos.

Fusão

  • Mistura dos óxidos ou carbonatos
  • Vazado em moldes ou Fritas

Rotas de produção

Sol-gel

TEOS + ÁGUA/ÁLCOOL

1 - Mistura de precursores alcóxidos + catalisadores

Hidrólise e condensação para formação do sol

2 - Casting ao ar

3 - Formação do gel

Aglomeração e ligação

4 - Envelhecimento

Aumento de resistência e encolhimento

5 - Secagem

Remoção dos produtos de condensação

6 - Estabilização

Remoção de nitratos /silanois

.

.

  • Maior resistência mecânica
  • Baixas temperaturas (600-800ºC)
  • Barato
  • Homogeneidade
  • Preparação de filmes finos e coberturas
  • Estrutura porosa
  • Maior bioatividade e Pureza
  • Versatilidade
  • Menor resistência mecânica
  • Altas temperaturas (>1300)
  • Caro
  • Impurezas
  • Cristalização parcial ou completa
  • Menor bioatividade
  • Limitação composicional
  • Silicatos
  • Fosfatos

Diferentes composições

  • Formador da estrutura - P2O5
  • Fusão ou sol-gel
  • A solubilidade é altamente dependente da composição

TiO2, CuO, NiO, MnO e Fe2O3

Scaffolds

Fibras

  • Tecido duro

  • Tecido mole

  • Delivery sistem

Ag, Cu, Ga

  • Boro e Borosilicato
  • Cultura estática

Boretos

  • Cultura dinâmica
  • Metálicos

  • B2O3

  • Baixa durabilidade química
  • Proliferação celular, diferenciação e infiltração do tecido
  • Drug release

  • Silício Boro

Boro

Baixa dissolução do metal durante o processo de repassivação

Polimerização cíclica. Possui propriedades superiores ao Ti-6Al-4V e 316L

  • Resistência mecânica, limite elástico, tenacidade a fratura e baixo módulo de Young

  • Zr-Cu-Ni-Al

  • Zr-Ti-Ni-Cu-Be

  • Zr-Al-Ti-Cu-Ni

  • Zr-Cu-Fe-Al

  • Mg-Zn-Ca

Biocompatível

Zr

Ni

Biocompatível

Radioelementos

Resistência

Mecânica e Tenacidade a Fratura

ZrO2

Alta tensão de ruptura

Interação biológica

Mecanismos de Bioatividade e Fatores que afetam a Bioatividade

2

Mecanismos de Bioatividade

  • Há 11 estágios no processo de completa ligação do biovidro com o tecido.

1-5 químicos; 6-11 biológicos

1

Troca iônica entre cátions de Na e Ca do material com íons de H e H3O da solução. Há hidrólise dos grupos de sílica criando silanóis. Há aumento do pH como resultado dos íons de H serem substituidos por cátions.

2

A troca de cátions aumenta a concentração de hidroxilas na solução, isso promove o ataque ao reticulado de sílica no material. A sílica solúvel é perdida para a solução na forma de Si(OH)4, continuando a formação de grupos silanóis na superfície do material.

2

3

3

Condensação e repolimerização de camada rica em SiO2 na superfície do material.

3

4

Grupos de e migram para a superfície através da camada rica em SiO2, formando um filme rico em CaO-P2O5 acima da camada de sílica. Este filme amorfo cresce pela incorporação de cálcio e fósforo da solução.

5

Cristalização da camada amorfa de pela incorporação dos ânions e da solução formando uma camada de hidroxila de apatita carbonatada (HCA).

6

6

Adsorção e dessorção de fatores de crescimento biológico na camada de HCA, ativando a diferenciação de células.

6

7

Macrófagos atuam na remoção de detrítos, permitindo a ocupação dos espaços pelas células.

Ligação das células com a superfície bioativa.

8

9

9

Diferenciação das células para formar células de crescimento celular, os osteoblastos.

9

Osteoblastos geram matriz extracelular para formar o osso.

10

Cristalização de matriz inorgânica de fosfato de cálcio para cercar as células ósseas em uma estrutura composta viva.

11

.

.

Mecanismos

Fatores que afetam a dissolução do biovidro

Mecanismos

  • Dois tipos de meios líquidos foram usados em experimentos de dissolução dos vidros bioativos: solução tampão de Tris; SBF.
  • Biovidro 45S5 reage mais rápido e forma cristais maiores de HCA em solução tampão de Tris.

Zhong and Greenspan

Fluído de simulação corporal

Pereira et al.

  • HCA nucleia mais rápido em SBF, devido a maior concentração inicial de fósforo (40ppm).
  • Aumentando o pH ou os níveis de íons de cálcio de SBF contendo vidro poroso de sílica-gel reduz o tempo de indução para formação de camada heterogênea de HCA.
  • Taxa de liberação de sílicio é aumentada em duas ordens de magnitude para cada unidade aumentada do pH.

Wirth and Gieskes

  • Precipitação de camada homogênea de HCA em SBF quando a quantidade de íons de cálcio aumenta acima de uma valor crítico de 300ppm.

Hench

i

Biovidros: Sol-gel X Fusão

  • A bioatividade maior dos biovidros produzidos via sol-gel é atribuída a maior liberação de silica solúvel que nucleia os cristais de HCA nos poros nanométricos do vidro.

oi

oi

A resposta biológica não depende apenas da composição química, mas também da textura da superfície, porosidade, tamanho de grão e cristalinidade. Porém, há evidências de que os produtos da dissolução iônica destes materiais inorgânicos, como os biovidros, são a chave para entender o comportamento destes materiais in vitro e in vivo.

Efeito de alguns íons metálicos no metabolismo ósseo e angiogênese:

Vidros bioativos a base de silicatos

  • São capazes de estimular osteogênese e também angiogênese. Seus produtos de dissolução estimulam as células para um caminho de regeneração e auto-reparo.

Vidros bioativos a base de silicatos dopados

Ag

Mg

Zn

Sr

F

B

  • CaF2;
  • aumenta a biocompatibilidade;
  • controla o aumento de pH;
  • favorece a formação de camada de fluorapatita (FAp) que é quimicamente mais estável que a HAp.
  • bactericida e antiinflmatório.
  • melhora as propiedades biológicas;
  • há um aumento da quantidade de tecido ósseo formado em volta de partículas de biovidro dopados com boro.
  • aumenta a formação da camada de fosfato de cálcio acelular na superfície do biovidro;
  • propriedades antiinflamatórias.
  • liberação de íons de Sr aumenta a atividade celular óssea;
  • aumenta a atividade de osteoblastos e inibe a diferenciação de osteoclastos;
  • forma ligação óssea forte através da camada de HCA sem efeitos inflamatórios.
  • melhora o comportamento de dissolução do biovidro pois interrompe a rede de sílica, porém diminui a cristalinidade da camada de HCA.

Vidros bioativos a base de fosfatos

  • Composição básica: (CaO)-(Na2O)-(p2O5)
  • Quimicamente similar a porção inorgânica do osso humano.
  • Promovem suporte adequado para os osteoblastos.

  • Baixa quantidade de CaO menor taxa de dissolução melhora a proliferação regulada de osteoblastos.
  • Quantidades variadas de reduz a adesão e proliferação das células e aumenta a mortalidade das células.

Avanços recentes

  • F18
  • Quitosana
  • Hap
  • Componentes naturais
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