CLASSES DE MATERIAIS USADOS EM MEDICINA- BIOMATERIAIS <25 anos - só alguns polímeros e metais; 15-20 anos diversidade materiais/tecnologia METAIS EUA -

Apresentação em tema: "CLASSES DE MATERIAIS USADOS EM MEDICINA- BIOMATERIAIS <25 anos - só alguns polímeros e metais; 15-20 anos diversidade materiais/tecnologia METAIS EUA -"— Transcrição da apresentação:

1 CLASSES DE MATERIAIS USADOS EM MEDICINA- BIOMATERIAIS <25 anos - só alguns polímeros e metais; 15-20 anos diversidade materiais/tecnologia METAIS EUA - 1991: 2098 milhões dólares em implantes; 1379 milhões em próteses metálicas ortopedia, cirurgia oral, cardiovascular (pace-makers) Composição, estrutura e propriedades dos metais usados em implantes Processamento implantes metálicos metais aparecem na natureza como óxidos Ex: TITÂNIO em areias com quartzo, Zr, Ti, Fe, areia + água separação gravítica de TiO 2 e FeTiO 3 extrair Ti do TiO 2 + cloretos magnésio e sódio esponja de Ti refinar Ti puro Implantes com vários componentes  refusão, adição elementos de liga Ex: ligas de Co  com Cr, Mo, C e Ni Produtos (barra, chapa, fio, tubos, pó) fabrico de implantes refusão vazamento deformação(laminagem, forjagem ou embutição) tratamentos térmicos Tecnologias podem incluir método pós (Ex: ligas Co), solidificação em atmosfera inerte, maquinagem CAD/CAM) BIOMATERIAIS

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3 APLICAÇÃO DE REVESTIMENTOS (aumentar dureza e resistência ao desgaste)  sinterização - aquecimento T=1/2 Tfusão - difusão estado sólido  plasma - plasma com pó metálico incide sobre algumas zonas do implante; o pó funde, cai no substracto e solidifica  implantação iónica  nitruração - feixe de iões de N 2 incide no implante e penetra na superfície Tratamentos finais:limpeza química, passivação, electrolítico MICROESTRUTURA/PROPRIEDADES - fases/microestrutura propriedades - distribuição fases e orientação

4 AÇOS INOX COMPOSIÇÃO: mais usado - 316L (ASTM F138, F139) L=baixo carbono C<0.03%; Fe- 60-65%; Cr (17-19%), Ni(12-14%), N 2, Mn, Mo, P, Si, S crómio - resistência à corrosão devido à formação de Cr 2 O 3 Cr, Mo e Si - estabiliza fase ferrítica ccc - menos resistente Ni - estabiliza fase austenítica cfc - mais resistente C>0.03% formação de Cr 23 C 6 precipita nos limites de grão zonas adjacentes aos limites de grão ficam sem crómio e não se forma o óxido protector Cr 2 O 3 CORROSÃO Microestrutura pretendida = austenite Tamanho de grão recomendado ASTM 6 Nº de tamanho de grão ASTM=n N=2 n-1 N=nº de grãos/polegada quadrada n=6 tamanho de grão < 100  m  =  i +kD -1/2  =tensão de cedência D= tamanho de grão 316L- 30% deformação a frio = resistência mecânica elevada, ductilidade menor

5 LIGAS DE COBALTO F75- Co-Cr-Mo F799- Co-Cr-Mo- forjado F90 - Co-Cr-W-Ni F562- Co-Ni-Cr-Mo-Ti F75- boa resistência à corrosão em ambientes com cloretos (aplicações aeroespaciais e implantes) (forma-se Cr 2 O 3 ) obtem-se por vazamento T f =1350-1450ºC em moldes cerâmicos (ancas, implantes orais) 1) liga vazada - matriz rica em Co (fase  ) c/ carbonetos (interdendríticos e nos limites de grão) (pode ter est. zonada) - regiões interdendríticas ricas em Cr, Mo, C - regiões dendríticas - pobres em Cr e ricas em Co desfavorável electroliticamente; regiões s/Cr - anódicas fazer tratamento térmico T=1225ºC - 1h 2) solidificação - dendrites e tamanho de grão grande   cedência baixa

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7 Evitar 1) 2) e 3) MÉTODO DOS PÓS HIP (HOT ISOSTATIC PRESSURE) pó compactado e prensado (P=100 MPa, T=1100ºC-1h) e forjagem  tamanho de grão menor (8  m) do que vazado maior resist. mecânica  distribuição mais fina de carbonetos 3) defeitos de vazamento- inclusões (Ex: partículas do molde cerâmico) baixa resistência à fadiga Processo de revestimento pode diminuir resistência mecânica (mudanças de fase) F799 - liga F75 + forjagem a quente após vazamento forma-se fase hc devido às tensões da deformação resistência mecânica e à fadiga = 2* liga F75 F90 - Co-Cr-W-Ni W e Ni melhorar a maquinabilidade e o processo de fabrico propriedades F90 recozido = propriedades F75 F 90 deformado a frio 44% propriedades 2*F75

8 F562=MP35N (cobalto e níquel) MP=fases múltiplas (tratamento térmico e def. a frio) cobalto puro: T>419ºC  cfc T<419ºC  hc -cfc hc = transformação tipo martensítica; fase hc forma os seus planos basais {0001} paralelos aos planos {111} da estrutura cfc -Ex: deformação a frio 50% aumenta a facilidade de transformação de fase cfc retida em fase hc *grãos iniciais cfc pequenos resist. mec. elevada *placas de hc impedem mov. deslocações - aumento da resistência mecânica também por tratamento de envelhecimento 430-450ºC precipitação de Co 3 Mo nas placas hc LIGAS DE TITÂNIO F67=Ti puro - 98.9 a 99.6% Ti F136=Ti- 6Al-4V

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10 F67: c/0.18% O 2   cedência =170 MPa c/0.40% O 2   cedência =485 MPa c/0.085% O 2  limite de fadiga (10 7 ciclos) =88.7 MPa c/0.27% O2  limite de fadiga (10 7 ciclos) = 216 MPa F136: Al - estabiliza fase hc  V - estabiliza fase ccc   implantes com fases  e  F67: implantes dentários fase  hc, deformação a frio (30%)  diâmetros 10 a 150  m O, C, N  aumentam a resitência (solução sólida intersticial) óxido Ti superfície (TiO 2 ) = boa resistência à corrosão  bom desempenho anível molecular e de tecidos F136: liga  e  microestrutura depende tratamentos térmicos e deformação Ex: T>1000ºC  fase  ccc estável - arrefecimento  estrutura Widmanstatten fase  precipita em placas na matriz de grãos de  F136 aquecida e def. quente = microesturura fina de  com  nos limites de grão elevada resistência mecânica e alteração da estrutura com revestimento

11 POLÍMEROS - PROPRIEDADES MECÂNICAS TRACÇÃO - baixo módulo de Young = rigidez reforço FLUÊNCIA RELAXAÇÃO DE TENSÕES FRACTURA

12 HIDROGEL polímeros - estrutura com cross-links - pontes de hidrogénio e ligações de van der Waals entre cadeias biocompatíveis compatíveis c/ sangue Aplicações:  tendões  cartilagens  cordas vocais MATERIAIS BIOERODÍVEIS polímeros degradáveis usados em implantes temporários (Ex: suturas) quando o tecido natural cresce, o implante desaparece Ex: fixação de ossos - parafusos

13 CERÂMICOS E VIDROS Várias composições: não metálicos/inorgânicos APLICAÇÕES: lentes intraoculares, instrumentos de diagnóstico, termómetros, fibras ópticas para endoscopia vidros porosos insolúveis: transportadores de enzimas, anticorpos (resistentes a micróbios, variações de pH, temperatura) cerâmicos: dendistas (coroas de porcelana/ouro, dentaduras) BIOCERÂMICOS reparam ou substituem tecidos de ligação entre próteses e esqueleto mecanismo de ligação do tecido depende da resposta da interface/implante 4 tipos de resposta da ligação tecido/implante 4 modos de ligação prótese/esqueleto A reactividade do implante está relacionada com a espessura da interface. Fractura ocorre na interface

14 quase inerte - interface não está ligada nem quimica nem biologicamente cápsula fibrosa deterioração do implante Ex: Al2O3 - tecido pouco espesso (fibroso) na interface; implante “justo” se for submetido a compressão funciona bem se for submetido a compressão e movimento a cápsula não se ajusta e o implante fica largo microporosos quase inertes - crescimento de tecido nos poros ou no implante (fixação biológica) resistente  poros> 50 a 150  m -permite a passagem do sangue  metal poroso  elevada área de superfície  corrosão  revestir c/ cerâmico bioactivo - hidroxiapatite (HA)  poros  menor resistência mecânica substituição (resorbable) - degradam-se gradualmente e são substítuidos pelo tecido natural  solução óptima complicações : manutenção da resistência e estabilidade da interface durante o período de degradação e substituição Ex: suturas; fosfato tricálcico bioactivos - intermédios entre bioinertes e de substituição; formam-se ligações entre o tecido e o implante Ex: biovidros, biovidros-cerâmicos, HA densa, compósitos bioactivos HA-polietileno

15 CERÂMICOS CRISTALINOS QUASE INERTES Alumina muito densa; elevada pureza (>99.5%) próteses anca, implantes dentários resistência à corrosão elevada biocompatibilidade - formação de cápsula fina elevada resistência ao desgaste boa resistência mecânica, ao impacto e fadiga Zircónia usada na articulação da prótese da anca baixo módulo Young elevada resistência mecânica

16 Cerâmicos porosos Cerâmicos porosos - osso cresce nos poros usados em aplicações que não necessitam suportar cargas elevadas : Ex: TiO 2, fosfato de cálcio, HA porosa poros>100  m  osso cresce e mantém vascularidade poros  menor resist. mecânica Vidros bioactivos e vitro-cerâmicos Vidros bioactivos e vitro-cerâmicos - ligam-se com o osso ou c/ tecidos - interface aderente c/ tecidos superfície forma camada biologicamente activa de HA vidros activos: SiO 2, Na 2 O, CaO e P 2 O 5

17 Cerâmicos Cerâmicos-fosfato de cálcio utilizações: implantes dentários, cirurgia maxilofacial T=37ºC forma-se HA por reacção c/água resist.à tracção  t resist.à compressão  c dependem da porosidade resist.à fadiga V=volume de poros  c =700exp(-5V)  t =220exp(-20V) baixa resistência mecânica MATERIAIS NATURAIS não têm problemas de toxicidade colagénio = proteína (pele, cartilagens) elastina = proteína menos solúvel no corpo (est. 3D; cross-link)

18 COMPÓSITOS Aumentar a resistência mecânica, rigidez, tenacidade, resistência à fadiga com fibras com partículas problemas: Ex: um constituinte tem dimensões à escala celular  “ingestão celular”  produção enzimas Fibras de carbono  produzidas: estabilização, carbinização, grafitização  reforçam politetrafluoroetileno poroso para tecidos macios  revestem ligações de implantes ortopédicos  reforçam PE de elevado peso molecular  tendões e materiais de ligamento Fibras de vidro não são usadas em biomateriais

19 Fibras poliméricas  fibras aramídicas = kevlar  elevada resistência, rigidez, resist. à fadiga  próteses de tendões e ligamentos  fibras poliméricas absorvíveis em suturas Cerâmicos  fosfato de cálcio, e de aluminio  hidroxiapatite cerâmica - ligação c/osso polímeros não absorvíveis sintécticos: polisulfona, PE elevada densidade, PMMA +fibras carbono ou cerâmicos = próteses anca, dispositivos de fixação, raízes de dentes artificiais polímeros absorvíveis = poliglicol polímeros absorvíveis de origem natural = colagénio de boi prrificado (biocompatibilidade, disponibilidade) Processo de fabrico de compósitos: pultrusão, enrolamento filamentar

20 COMPÓSITOS DE MATRIZ ABSORVÍVEL Com matriz absorvível pretende-se:  expor superfícies  libertar antibióticos  fixação de fracturas Ex: fixação de fracturas  se a fixação for rígida  osteoporose, porque: Eosso=17 a 24GPa e Eparafusos corrosão ETi =110 GPa e Eaço316L=210GPa  Eosso  Eligas parafusos corrosão 2ª operação para remover fixação  fixação absorvível   o dispositivo de fixação degrada-se c/ o tempo reduzindo o risco de osteoporose  não há necessidade de segunda operação Ex: PLA reforçado c/ fibras de fosfato de cálcio COMPÓSITOS DE MATRIZ NÃO ABSORVÍVEL Usam-se fibras e partículas para aumentar a resistência mecânica substituição de parte do femur: Ex: matrizes poliméricas reforçadas c/fibras de carbono  E= 18 a 76 GPa

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22 FILMES E REVESTIMENTOS A resposta biológica é controlada pela estrutura dos materiais e pela sua superfície  modificação da superfície:  alterar química ou fisicamente os átomos da superfície  revestimento da superfície

23 TECIDOS Produzidos com fibras naturais ou sintécticas Ex: colagénio regenerado (suturas), seda Fibras naturais degradam-se T<120ºC utilizações:  tendões  recontrução de mandíbulas  unidades de diálise/filtros de sangue  membranas  adesivos com filmes elastoméricos  próteses cardiovasculares

24 Materiais Celulares: naturais ou artificiais è Espumas è células abertas è células fechadas Espumas de poliuretano células abertas Espumas de poliuretano células fechadas Espumas cerâmicas de hidroxiapatite

25 Cell size (foams) - < 1  m - microcellular materials - 10 -20  m - biological materials - 20 - 300  m - artificial materials (polyurethane) Cell thickness - 1- 3  m for cork