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Copy of Biomateriais 2

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Heitor Carneiro

on 4 November 2013

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Biomateriais
SMM0319 - Materiais Avançados

Heitor H. C. Carneiro
Luiz Felipe de S. Penteado
Renan A. Orelli

Introdução
A busca do homem por padrões de vida superiores e longevidade tem gerado cada vez mais a necessidade de alternativas para o reparo e substituição de tecidos vivos vitimados por traumas ou patogenias.

Neste cenário, a introdução de materiais sintéticos, denominados biomateriais, no corpo humano é realizada para minimizar desconfortos, ampliar expectativas de vida e valorizá-la.
Definição
Um biomaterial é qualquer tipo de matéria ou substância que interage com sistemas biológicos, com o objetivo de substituir, aumentar ou tratar qualquer tecido, orgão ou função do corpo, com a finalidade de manter e/ou alterar a qualidade de vida do paciente.
Biocompatibilidade
O conceito de biocompatibilidade refere-se à resposta do organismo à presença do biomaterial, e é caracterizada pelos seguintes aspectos:

1) Fenômenos físico-químicos de interface relacionados com os primeiros instantes de contato 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 (tecido, fluidos orgânicos) sobre o material: degradação e corrosão;

4) Reação de alguma parte do organismo, não diretamente em contato com o implante;
Propriedades
O campo de biomateriais se desenvolveu de forma a se obter uma combinação satisfatória de propriedades físicas próximas àquelas do tecido substituído, com uma resposta tóxica mínima.
Bioatividade
A bioatividade pode ser definida como sendo a capacidade de um material provocar a formação de uma ligação interfacial entre tecidos vizinhos e o material, sem a formação da cápsula fibrosa que separa o material do tecido.
Processamento
O processamento de biomateriais é extremamente dependente do tipo de material e sua aplicação. Contudo, possuem pontos em comum, que são a baixa toxicidade e elevada pureza das matérias primas, além do elevado controle de parâmetros determinantes das propriedades no processamento.
Articulações artificiais
Todos os anos são feitas no Brasil cerca de 14 mil cirurgias para colocação de próteses de joelho e quadril pelo sistema público de saúde, pois são fundamentais para recuperar movimentos perdidos em decorrência de acidentes, doenças degenerativas ou tumores ósseos.

Articulações artificiais cerâmicas substituíram o uso de metais tradicionais e do polietileno, eliminando preocupações de desgaste e liberação de íons metálicos, estendendo sua vida útil para até 20 anos.
Usos mais comuns
Próteses dentárias;

Próteses oculares;

Dentaduras;
Cabeça femoral artificial
A cabeça femoral artificial é usada em conjunto com uma junta artificial da bacia.

Como o produto tem um fino acabamento superficial e suporta grandes pressões, apresentando também uma grande precisão, este substitui articulações e juntas de polietileno cujo tempo de vida é curto.

O produto cerâmico possui maior expectativa de vida útil em relação ao mesmo produto em metal.
Materiais de preenchimento ósseo
Materiais utilizados para reparar e curar partes perdidas ou espaços vazios em ossos causados por doenças como tumores, fraturas ou devido ao tratamento de doenças.

As próteses são feitas por cerâmicas compostas de hidroxiapatita e fosfato de tricálcio.
Pasta óssea
O produto é uma cerâmica na forma de "pasta" que preenche os ossos. Suas características permitem que seja modelada severamente de acordo com a parte do corpo em que ocorreu uma fratura, ou que fora perdida.

O produto é uma mistura de pós (em sua maioria de fosfato bicálcico) e uma solução endurecedora (solução de sulfato de sódio).

Após o endurecimento a mistura torna-se hidroxiapatita.
Bibliografia
[1] R. L. Oréfice, M. de M. Pereira, H. S. Mansur. Biomateriais: Fundamentos e Aplicações. Editora Cultura Médica, Rio de Janeiro, 2006.
[2] L. Moroni, J. H. Elisseeff. Biomaterials engineered for integration. Materials Today, v. 11, n. 5, p. 44-51, 2008.
[3] B. D. Ratner, et al. Biomaterials science: an introduction to materials in medicine. Academic Press, San Diego, 1996.
[4] "Brazil Biomaterial Market 2010 - 2015 - The Brazil Market for Biomaterials is Expected to Reach $1.7 Billion in 2015." Medical Devices & Surgical Technology Week 29 May 2011: 63. Academic OneFile. Web. 12 Sept. 2013.
[5] "Global Biomaterials Market Worth US$58.1 Billion by 2014." Medical Devices & Surgical Technology Week 20 Sept. 2009: 451. Academic OneFile. Web. 12 Sept. 2013.
[6] S. MacNeil. Biomaterials for tissue engineering of skin. Materials Today, v. 11, n. 5, p.26-35, 2008.
[7] M. M. Stevens. Biomaterials for bone tissue engineering. Materials Today, v. 11, n. 5, p.18-25, 2008.
[8] W. L. Grayson, T. P. Martens, et al. Biomimetic approach to tissue engineering. Seminars in Cell & Developmental Biology, v. 20, n. 6, p.665-673, 2009.
Mercado
O mercado global de biomateriais possui um valor estimado de $28 bilhões de dólares (dados de 2009);

Há uma vasta gama de empresas fabricantes de biomateriais e sendo um mercado em crescimento, estudos indicam que seu valor de mercado crescerá para $58,1 bilhões de dólares em 2014.
Recobrimentos cerâmicos
Os recobrimentos cerâmicos bioativos sobre substratos metálicos são usados para contornar o problema do alto módulo de elasticidade e baixa tenacidade a fratura das cerâmicas bioativas;

São usadas camadas de DLC (diamond-like-carbon) para redução de fricção e prevenção da transferência de íons dos implantes metálicos.
Osteogênese
As cerâmicas esponjosas específicas foram desenvolvidas para concentrar as células osteoprogenitoras (que geram tecidos ósseos) a partir do aspirado de medula óssea em um biomaterial osteocondutor. É um biomaterial de suma importância na reconstrução de tecidos ósseos.
História
Há 50 anos, a tecnologia de biomateriais utilizada atualmente, assim como o termo, não existia;

Inexistência de fabricantes de instrumentos hospitalares e de regulamentos e normas;

Não havia conhecimento de biocompatibilidade e nem cursos acadêmicos sobre biomateriais.
História
Durante o período pós-Segunda Guerra Mundial, alguns cirurgiões sugeriram utilizar polímeros e aços inoxidáveis em operações vasculares e de substituição de quadril;

O termo foi reconhecido em simpósios sobre o tema realizados na Clemson University, entre 1960 e 1970. Esses simpósios levaram a fundação da Society for Biomaterials em 1975, responsável pela evolução deste campo científico;

No início dos anos 90, foi notado um grande crescimento na criação de cursos e departamentos acadêmicos sobre o tema, além da publicação de livros especializados.
Mercado Brasileiro
O mercado brasileiro de biomateriais atingiu o valor de $550,2 milhões de dólares em 2008;

Estudos indicam que o mercado crescerá a uma taxa anual de 19,5%, atingindo cerca de $1,7 bilhões de dólares em 2015.
Tipos de Biomateriais
Metais:
Apresentam elevados valores de resistência mecânica;
Permitem a confecção de peças em diferentes formatos;
Os valores de módulo elástico são muito superiores aos dos ossos, não permitindo que o osso fixado receba estímulo mecânico;
Corrosão.


Tipos de Biomateriais
Cerâmicas:
Elevada estabilidade química;
Biocompatibilidade melhor que a dos metais para diversas aplicações;
Excelentes propriedades tribológicas;
Necessidade de elevada pureza do material;
Matérias-primas e processamento mais caros.
Tipos de Biomateriais
Polímeros:
Baixa densidade;
Facilidade de fabricação em diversos formatos, permitindo bom acabamento;
Possibilidade de polimerização in vivo;
Resistência a corrosão;
Resistência mecânica e módulo elástico baixos.
Processamento
Em metais utilizados como biomateriais, geralmente realiza-se usinagem de ultraprecisão. Em polímeros, utilizam-se processos de manufatura aditiva (impressão 3D), além dos processos convencionais. Já em cerâmicas, faz-se uso de processos de síntese específicos ou de seleção e beneficiamento da matéria prima. Características físicas, como o tamanho das partículas e a distribuição de tamanho, devem ser controladas, pois afetam tanto o processamento quanto as propriedades finais do material.
Aplicações
Na engenharia de tecidos, utiliza-se um biomaterial de modelo tridimensional denominado "scaffold".

O scaffold, juntamente com a cultura de células, auxilia na reparação ou regeneração do tecido danificado.
Aplicações
Os scaffolds devem possuir uma rede de poros que permitam a difusão e a migração de nutrientes, além da formação de nervos ou vascularização;

Suas propriedades devem ser semelhantes à do tecido em que ele deve ser integrado, visando diminuir o tempo de cultura e os custos do processo, além de diminuir o tempo de repouso do paciente após o implante.
Aplicações
Atualmente, a integração de tecidos tem sido promovida por suturas ou adesivos, estes últimos baseados em cianoacrilatos, albumina-gluteraldeido e colas de fibrina. Estes adesivos apresentam bons resultados em tecidos finos e cartilagens, porém apresentam baixa biocompatibilidade e ligações frágeis quando usados em aplicações músculo-esqueletais.
Aplicações
Uma nova tendência na engenharia de tecidos é o uso de hidrogéis, tanto naturais quanto sintéticos, na confecção dos scaffolds. Estes podem ser injetados in situ, diminuindo tempos cirúrgicos. Além disso, essa injeção auxilia na integração de tecidos, pois o hidrogel permeia nos tecidos próximos.

Durante a formação do retículo na reação de gel, pode-se realizar o aprisionamento das células nos retículos, que devem aderir ao hidrogel para iniciar a integração e crescimento dos tecidos, e para facilitar este processo são incorporadas proteínas e peptídeos no hidrogel. Outra importante vantagem da utilização de scaffolds com base em hidrogel é a capacidade desses se remodelarem com o tempo, na aplicação.
Aplicações
(a) Gel adesivo baseado em sulfato de condroitina. Injeta-se uma solução de hidrogel contendo células endógenas, e a polimerização ocorre in situ, para preencher e restaurar funcionalidades da cartilagem. (b) Exemplo de hidrogel conectado à cartilagem. (c) A região esverdeada mostra que as células mantiveram sua viabilidade tanto no hidrogel quanto na cartilagem após cinco semanas de cultura. (d) Exemplo de regeneração de cartilagem com a aplicação de hidrogel em coelhos e sua integração com o ambiente histológico.
Aplicações dos Metais
Substituição de ossos;
Reparação de ossos;
Placas metálicas para fraturas, etc.;
Implantes dentários, enchimento e pinos;
Parafusos e grampos;
Partes de outros dispositivos:
Corações artificiais – bombas;
Marca-passos;
Cateteres;
Extensores (stents).

Aplicações
Aplicações
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