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LABIOMEC O uso de biomateriais cerâmicos e poliméricos em implantes com auxílio da prototipagem rápida Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia Departamento.

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2 LABIOMEC O uso de biomateriais cerâmicos e poliméricos em implantes com auxílio da prototipagem rápida Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia Departamento de Engenharia de Materiais FEM-UNICAMP

3 LABIOMEC Sumário da Apresentação 1. Labiomec 2. Equipe 3. Atividades principais dentro do INCT 4. Prototipagem rápida auxiliando o preenchimento de defeitos crânio-faciais 5. Futuro

4 LABIOMEC Laboratório de Biomateriais e Biomecânica da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP Principais linhas de pesquisa: Biomateriais Biomecânica

5 LABIOMEC Biomateriais Desenvolvimento e caracterização de biomateriais Biomateriais metálicos (ligas de titânio) ( parceria com CTA) Biomateriais cerâmicos (biocerâmicas): hidroxiapatita -TCP e cimentos de fosfato de cálcio ( parceria com UFRGS) Biomateriais poliméricos: hidrogéis (pHEMA e PVAl) e polímeros bioreabsorvíveis (PGA, PLLA, PLGA, PCL); blendas e compósitos ( parcerias com PUC SP, FCM e FEQ)

6 LABIOMEC Biomateriais Recobrimentos cerâmicos: carbono tipo diamante, dióxido de titânio e hidroxiapatita ( parceria com IFWG) Suportes porosos para engenharia de tecidos ( parceria com FCM, EESC-USP) Prototipagem rápida aplicada aos biomateriais ( parceria com CTI) Avaliação biológica in vitro e in vivo( parcerias com Sobrapar, FCM e UNIFESP) Avaliação de implantes ortopédicos (Participante da Rede Multicêntrica de Avaliação de Implantes Ortopédicos - REMATO)

7 LABIOMEC Biomecânica Sistemas de retenção para crianças em veículos Ergonomia e segurança dos acentos infantis

8 Labiomec

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11 LABIOMEC

12 Equipe

13 LABIOMEC Equipe: professores da FEM NomeFormaçãoÁrea de atuação Cecília ZavagliaEng. materiais Biocerâmicas Celso ArrudaEng. mecânico Cimentos de fosfato de cálcio Marcos d’AvilaEng. materiais Polímeros ( processamento)

14 LABIOMEC Equipe: pos- doutorandos NomeFormaçãoÁrea de atuação Carmo R.P. Lima Eng. mecânico Ligas de titânio ( caracterização) Cristiane B. Ulbrich Eng. mecânica Prototipagem rápida Elisabete S. Sanchez QuímicaPolímeros (processamento e caracterização )

15 LABIOMEC Equipe: doutorandos NomeFormaçãoÁrea de atuação Christiane L. Salgado Dentista Polímeros bioreab. para engenharia de tecidos ósseos ( concluindo) Mariana Motisuke Eng. químicaCimentos de fosfato de cálcio ( concluindo) Cláudio C. Carvalho Médico e eng. Mec. Dispositivos para liberação de fat. de crescimento ósseo ( concluindo) Leonardo Rodrigues Tecnólogo mecânico Compósitos nanoestruturados cerâmica-cerâmica ( iniciando)

16 LABIOMEC Equipe: mestrandos em fase de conclusão NomeFormaçãoÁrea de atuação Carlos H. Villela DentistaProtocolo tridimen- sional para o diagnóstico de assimetria facial Gisela MartinezDentistaScaffolds de compósitos HA- TiO2 Lonetá LimaQuímicaFalhas em instrumentação cirúrgica

17 LABIOMEC Equipe: mestrandos iniciando NomeFormaçãoÁrea de atuação Hugo A. Cardoso Eng. Mec.Desenvolvimento e Caracterização de Cimento de Alfa-TCP com Reagentes Obtidos em Laboratório Kátia L. Silva Eng. CivilCompósitos nano- estruturados ( Al2O3- ZrO2) Danielle F. Feliciano BiólogaScaffolds caprolactona ( SLS)

18 Equipe: mestrandos iniciando NomeFormaçãoÁrea de atuação Fernanda H. Santos DentistaScaffolds hidrogéis ( fab&home) Guinéa CardosoDentistaScaffolds de Policaprolactona Reforçados com Fibras e Whiskers de Hidroxiapatita Zenaide SolomãoQuímica Membranas densas e prorosas de Poli caprolactona- β-TCP LABIOMEC

19 Equipe :Alunos de graduação fazendo estágio no exterior, que irão entrar no mestrado NomeFormação ( concluindo) Área de atuação Sérgio RamosEng. de Materiais Produção de scaffolds cerâmicos e poliméricos por electrospinning Priscilla Brandão Silva Eng. mecânica Compósitos Poli caprolactona- β- TCP

20 LABIOMEC Equipe: colaboradores de outras instituições NomeFormaçãoÁrea de atuação Vinicius A.R. Henriques Eng.(CTA)Desenv. ligas de titânio por metalurgia do pó Carlos de Moura Neto Eng. Aeronáutico (CTA) Ligas de titânio Ana Beatriz A. Almeida Bióloga (Sobrapar) Ensaios in vivo, eng. de tecidos Samuel H. Barbanti Eng. Químico e Médico Pol. bioreb. e eng. de tecidos

21 LABIOMEC Biomateriais Implantes Autógenos (enxerto ósseo) Cerâmicas Sintéticos Compósitos Metais Biológicos Homógenos (transplantes) Heterógenos (pericárdio bovino) Polímeros Biotoleráveis Bioinertes Bioativos Bioreabsorvíveis

22 LABIOMEC articulação para maxilar marcapasso articulação de cotovelo pinos de material polimérico articulação de quadril articulação de joelho parafusos para fixação de fraturas dispositivo intra-uterino mamas Exemplos de Implantes ImplantesSintéticos lentes intra-oculares implantes dentários coração temporário válvulas cardíacas tubo para diálise pênis e testículos ligamentos de joelho articulação e dedos

23 LABIOMEC Atividades do Labiomec dentro do INCT Biofabris

24 Atividades 1. Desenvolvimento e caracterização de biomateriais para preenchimento de defeitos ósseos ( pelo método indireto) – próteses maciças 2. Desenvolvimento e caracterização de biomateriais bioreabsorvíveis para a confecção de próteses porosas para engenharia de tecidos LABIOMEC

25 Atividades ( continuação) 3. Utilizar os biomateriais aqui desenvolvidos diretamente nos equipamentos de prototipagem rápida 4. Fazer scaffolds diretamente nos equipamentos de prototipagem rápida, com os biomateriais desenvolvidos LABIOMEC

26 Objetivos dentro do INCT Biofabris Desenvolvimento e caracterização de biomateriais para ortopedia e odontologia ( tecidos ósseos)) Materiais cerâmicos Polímeros e compósitos Liga de titânio biomédica

27 LABIOMEC Materiais cerâmicos • Materiais para preenchimento de defeitos ósseos: hidroxiapatita,  TCP, cimentos de fosfato de cálcio compósitos cerâmica-cerâmica, como por exemplo: HA+ZrO 2, HA+ TiO 2,HA+Al 2 O 3, ZrO 2 +Al 2 O 3 • Revestimentos cerâmicos sobre metais: hidroxiapatita e TiO 2 sobre ligas de titânio por aspersão térmica a plasma e Carbono DLC sobre ligas de titânio por imersão a plasma.

28 LABIOMEC Novos Materiais Metálicos Ligas de titânio biomédicas ( com elementos de liga mais inertes que a liga aeronáutica) Exemplos: Ti-13Nb-13Zr, fornecida por Vinicius Henriques do CTA- por metalurgia do pó

29 LABIOMEC Biomateriais Poliméricos Polímeros : Poli(  - Hidróxi ácidos) Poli ( L- ácido láctico) (PLLA) Poli ( ácido glicólico) (PGA) Poli ( caprolactona) (PCL) Poli ( para-dioxanona) ( PPD) Blendas ( poli-  caprolactona com poli (ácido sebácico) Hidrogéis ( para substituir cartilagem) Poli ( HEMA) (PVAI) e blendas

30 LABIOMEC Novos Biomateriais Não Metálicos Biocerâmicas: Cimentos de Fosfato de Cálcio Compósitos Cerâmica-Cerâmica Exemplos : alumina-zircônia hidroxiapatita-zircônia hidroxiapatita-titânia hidroxiapatita-alumina

31 LABIOMEC Cimento de Fosfato de Cálcio (CFC) Um cimento CFC pode ser preparado misturando-se um sal de fosfato de cálcio com água ou com uma solução aquosa para que se forme uma pasta que possa reagir à temperatura ambiente ou corporal a fim de dar lugar a um precipitado que contenha um ou mais fosfato de cálcio e dê pega por meio do intercruzamento dos cristais deste precipitado.

32 LABIOMEC Cimento de Fosfato de Cálcio (CFC) Os cimentos de fosfato de cálcio são constituídos por um componente ácido e outro básico, os quais, quando se misturam com água, reagem para formar um ou vários produtos com uma acidez intermediária à dos produtos de partida.

33 LABIOMEC Vantagens do Cimento de Fosfato de Cálcio não é necessário de dar forma à cavidade; mínima cavidade; o fato de sua preparação ser realizada durante o ato cirúrgico; um ótimo contato entre osso e implante; biocompatibilidade e bioatividade.

34 LABIOMEC Requisitos ideais de um CFC para reparações ósseas : O tempo requerido para a mistura deve ser curto: 1 min ou menos O tempo de pega deve ser tal que permita a manipulação apropriada do material sem ser demasiadamente longo: a pega deve iniciar- se por volta de 5 min e finalizar-se entre 15 ou 20 min; O tempo de preparo da massa (tempo durante o qual se pode moldar o material sem afetar sua resistência final) deve ser próximo ao tempo de pega inicial: por volta de 5 min;

35 LABIOMEC Requisitos ideais de um CFC para reparações ósseas ( cont.): O tempo de coesão (o momento a partir do qual o cimento não se incha nem se desintegra em contato com os fluidos corporais) deve ser mais curto que o tempo de preparo e de pega inicial. A resistência à compressão final deve ser pelo menos similar à do tecido reparado; Não deve produzir calor durante a pega; O pH deve ser neutro (6,5 - 8,5) durante e depois da pega para evitar efeitos citotóxicos.

36 LABIOMEC Compósitos cerâmica- cerâmica desenvolvidos hidroxiapatita-zircônia ( 50%-50%) hidroxiapatita-titânia (50%-50%) hidroxiapatita-alumina( 40%-50%) Alumina –zircônia ( diversas composições) Possibilidades de aplicações : cabeças de fêmur e acetábulo, pilar cerâmico ( em implantes)

37 LABIOMEC Engenharia de tecidos A engenharia de tecidos é um novo ramo da ciência voltada para a pesquisa e desenvolvimento(P&D) de substitutos biológicos de reparação, reconstrução e regeneração de tecidos É uma área de pesquisas multidisciplinar, que envolve a medicina, a biologia e a engenharia

38 Engenharia de tecidos LABIOMEC

39 O princípio metodológico mais utilizado, para se fazer engenharia de tecidos, envolve as seguintes etapas: 1ª Etapa) Construção de arcabouços tridimensionais, biocompatíveis, porosos e biodegradáveis, chamados também de “Scaffolds”. Entre os arcabouços(ou scaffolds) mais usados, tem - se: os polímeros sintéticos bioreabsorvíveis (PLLA, PGA e PLGA) os polímeros naturais (colágeno e derivados do ácido hialurônico) os cerâmicos (hidroxiapatita, beta fosfato tricálcico, biovidros.

40 LABIOMEC Continuação: 2ª)Etapa: O cultivo de células em ambiente laboratorial próprio. Há dois tipos de células cultivadas: as células maduras e diferenciadas (condrócitos ou osteócitos isolados de uma área doadora, exemplo: condilo femural; e as células tronco mesenquimais indiferenciadas adultas (origem:medula óssea, tecido gorduroso e sangue).

41 LABIOMEC Continuação: 3ª) Etapa: Adição de fatores de crescimento à matriz. Os fatores mais usados são as BMPS ( proteínas morfo-genéticas) que podem ser de origem animal, como as BMPs bovinas, ou de origem recombinada (tecnologia do DNA recombinante).

42 LABIOMEC Continuação : 4ª) Etapa: Implantação do arcabouço no local da lesão. Este arcabouço pode ser implantado de várias formas a saber : a) Implantado sozinho b) Implantado juntamente com as células cultivadas fora do paciente (semeadas sobre o arcabouço). c) Implantado associado com fatores de crescimento (proteína morfogenética do osso(BMP), fator de crescimento derivado de plaquetas (PDGF) e outros

43 LABIOMEC Desenvolvimentos realizados sobre scaffolds

44 LABIOMEC MEVs de Scaffolds de PLGA, respectivamente com 8, 20, 32, 52 semanas

45 LABIOMEC MEVs de Scaffolds de PCL, respectivamente com 8, 20, 32, 52 semanas

46 LABIOMEC Exemplos de Scaffols cerâmicos ( HA-TiO 2 )

47 Membranas porosas de compósito poli(-caprolactona) e - fosfato tricálcico produzidas pela dissolução em clorofórmio LABIOMEC

48 Corpos de prova 50%HA-50%TiO2 1250°C 1300°C 1350C

49 Exemplo de scaffold metálico : espuma de titânio expandida a vácuo

50 LABIOMEC Prototipagem rápida auxiliando o preenchimento de defeitos crânio- faciais

51 LABIOMEC Definição do Problema Reconstrução Craniofacial FEM

52 LABIOMEC Futuro

53 LABIOMEC Futuro do nosso trabalho Continuar os estudos in vitro e in vivo dos biomateriais em desenvolvimento : a)biocerâmicas ( cimentos de fosfatos de cálcio, compósitos HA-ZrO2, Al2O3- ZrO2) b) polímeros e compósitos c)ligas de titânio biomédicas para futuramente serem utilizadas pelos cirurgiões que participam deste projeto. Continuar o desenvolvimento da engenharia de tecidos para aplicações em preenchimento de defeitos ósseos. Junto com equipe do CTI e EESC-USP, fazer protótipos diretamente com ) materiais biocompatíveis

54 LABIOMEC FEM Obtenção de Próteses Personalizadas Envisiontec - Bioplotter


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