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Introdução à Ciência de Materiais. 2 Biomateriais Biomateriais são materiais (sintéticos ou naturais; sólidos ou, às vezes, líquidos) utilizados em dispositivos.

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1 Introdução à Ciência de Materiais

2 2 Biomateriais Biomateriais são materiais (sintéticos ou naturais; sólidos ou, às vezes, líquidos) utilizados em dispositivos médicos ou em contacto com sistemas biológicos, ou ainda, segundo a definição clássica, estes seriam parte de um sistema que trata, aumenta ou substitua qualquer tecido, órgão ou função do corpo

3 3 Biomateriais Biocompatibilidade; Biocompatibilidade; Funcionalidade; Funcionalidade; Aplicação industrial; Aplicação industrial; Custo; Custo; Viabilidade industrial. Viabilidade industrial. Excipientes são biomateriais????

4 4 Biomateriais Operação unitáriaStatus atualMelhoriasAvaliação Qualificação do ativoUtilização de especificações Farmacopeicas e internas Inclusão de novos parâmetros como rugosidade, geometria e densidade real Métodos preditivos como difração de raio X ou similares SecagemErro no ciclo de secagem Caracterização do material no estado sólido durante a secagem Controle de polimorfos na secagem MisturaVariação do tipo de misturador e amostrador Determinação do ponto ideal de mistura NIR GranulaçãoPonto final de granulação Determinação do ponto de granulação por corrente elétrica ou resistência Controle das características do granulo em tempo real como geometria e rugosidade

5 5 Biomateriais/excipientes Propriedades físicas, imuno-compatibilidade, rugosidade, carga, inércia química entre outras propriedades. Propriedades físicas, imuno-compatibilidade, rugosidade, carga, inércia química entre outras propriedades. Metais: titânio, aço, platina; Metais: titânio, aço, platina; Silicatos e vitro cerâmicas; Silicatos e vitro cerâmicas; Polímeros – grande maioria dos materiais atuais. Polímeros – grande maioria dos materiais atuais.

6 6 – Berzelius, 1827 – Berzelius, 1827 NATURAL ou SINTÉTICO - elastômeros - elastômeros - proteínas - termoplásticos - polissacarídeos - termorrígidos - gomas amorfos cristalinos cristalinos Elastômeros: polímeros, que na temperatura ambiente podem ser alongados até duas ou mais vezes seu comprimento e retornam rapidamente ao seu comprimento Elastômeros: polímeros, que na temperatura ambiente podem ser alongados até duas ou mais vezes seu comprimento e retornam rapidamente ao seu comprimento Os termoplásticos são aqueles que amolecem ao serem aquecidos, podendo ser moldados, e quando resfriados ficam sólidos e tomam uma nova forma. Esse processo pode ser repetido várias vezes. Correspondem a 80% dos plásticos consumidos. Os termoplásticos são aqueles que amolecem ao serem aquecidos, podendo ser moldados, e quando resfriados ficam sólidos e tomam uma nova forma. Esse processo pode ser repetido várias vezes. Correspondem a 80% dos plásticos consumidos. Os termorígidos ou termofixos são aqueles que não derretem e que apesar de não poderem ser mais moldados, podem ser pulverizados e aproveitados como carga ou serem incinerados para recuperação de energia. Os termorígidos ou termofixos são aqueles que não derretem e que apesar de não poderem ser mais moldados, podem ser pulverizados e aproveitados como carga ou serem incinerados para recuperação de energia.

7 7 – Classificações – Classificações Monômero Monômero Oligômero Oligômero Polímero Polímero

8 8 – Classificações – Classificações Forma molecular:

9 9 Comportamento mecânico:

10 10 Estrutura química: # Poliolefinas - polipropileno, polibutadieno, poliestireno # Poliésteres - poli(tereftalato de etileno), policarbonato # Poliéteres - poli(óxido de etileno), poli(óxido de fenileno) # Poliamidas - nylon, poliimida # Polímeros celulósicos - nitrato de celulose, acetato de celulose # Polímeros acrílicos - poli(metacrilato de metila), poliacrilonitrila # Polímeros vinílicos - poli(acetato de vinila), poli(álcool vinílico) # Poliuretano # Resinas formaldeídicas - resina fenol-formol, resina uréia-formol

11 11 Variedade de meros: - homopolímeros - copolímeros estatístico/aleatório/randômicoalternado em bloco graftizado

12 12 – Nomenclatura – Nomenclatura - baseada no(s) monômero(s) de origem – polietileno - baseada na estrutura do polímero - nylon - nomes comerciais (*) - isopor

13 13 – Nomenclatura – Nomenclatura *para copolímeros; -co- = estatístico -alt- = alternado -b- = bloco -g- = graftizado

14 14 – Peso molecular e distribuição de peso molecular - Em compostos simples = cte! - Em sistemas poliméricos distribuição de peso molecular e peso molecular médio – Massa molar em g/mol -1 PESO MOLECULAR NUMÉRICO MÉDIO – Mn PESO MOLECULAR PONDERAL MÉDIO – Mw PESO MOLECULAR VISCOSÍMETRICO MÉDIO – Mv Mw > Mv > Mn

15 15 – Peso molecular e distribuição de peso molecular - Se: cadeias iguais Mn = Mw Mw/Mn = 1 monodisperso Mw/Mn = 1 monodisperso - Se: cadeias diferentes Mw > Mn Mw/Mn > 1 polidisperso Mw/Mn > 1 polidisperso - Distribuição estreita: 1,0 < Mw/Mn < 2,0 - Distribuição larga: Mw/Mn > 2,0

16 16 - Para polímeros lineares e ramificados: normalmente são encontrados líquidos que dissolvem o polímero completamente para formar uma solução homogênea - Para polímeros reticulados: quando em contato com líquidos compatíveis irão apenas inchar Em um bom solvente (altamente compatível com o polímero) as interações líquido-polímero expandem novelo polimérico. Em um mau solvente há pouca interação líquido-polímero e a expansão do novelo polimérico ou perturbação é restrita.

17 17 O estado sólido dos materiais poliméricos pode ser dividido, quanto ao estado ordenado das cadeias: - estado cristalino - estado amorfo

18 18 Estado cristalino A cristalinidade pode ser conceituada como um arranjo ordenado e uma repetição regular de estruturas atômicas ou moleculares, no espaço. Os tipos de cadeias as quais esperam que recristalizem são: - cadeias simétricas, as quais permitem o empacotamento regular; - cadeias possuindo grupos que estimulam fortes atrações intermoleculares.

19 19 Estado cristalino *Tm = temperatura de fusão cristalina Fatores que afetam a cristalinidade e a Tm: - um arranjo empacotado das cadeias possa ser alcançado em 3 dimensões ; - uma variação favorável na energia interna seja obtida durante este processo.

20 20 Estado amorfo Uma cadeia polimérica linear pode ser tratada como um sistema cooperativo uni-dimensional no qual a rotação de um segmento de cadeia é limitado ou auxiliado por segmentos vizinhos. Qualquer movimento significativo de uma cadeia como tal é gerado por rotação em torno das ligações simples que conectam os átomos na cadeia. À medida que o movimento molecular em um polímero amorfo aumenta, a amostra passa de um estado vítreo para um borrachoso e até, finalmente, tornar-se fundido.

21 21 Estado amorfo *Tg = temperatura de transição vítrea Quando um polímero está a uma temperatura abaixo da sua Tg, o movimento de cadeia está congelado (~ sólido). À medida que a temperatura vai aumentando, um número maior de cadeias começa a se mover com maior liberdade. A transição do estado vítreo para o borrachoso é uma característica importante do comportamento do polímero. As mudanças são completamente reversíveis, entretanto a transição de um vidro para uma borracha é função do movimento molecular, NÃO da estrutura do polímero.

22 22 Estado amorfo Fatores que afetam a Tg: - flexibilidade da cadeia - estrutura molecular (efeitos estéricos) - peso molecular - ramificação e ligações cruzadas

23 23 Flexibilidade da cadeia

24 24 Estrutura molecular Os fatores estéricos que afetam a flexibilidade da cadeia são, simplesmente, contribuições adicionais aos efeitos da cadeia principal. *grupos laterais: tamanho, flexibilidade e polaridade

25 25 Peso molecular (massa molar) A massas molares elevadas, a temperatura de transição vítrea é essencialmente cte quando medida por qualquer método, mas diminui à medida que a massa molar da amostra diminui.

26 26 Massa Molecular Numérica Média (Mn): pelo número de cadeias pelo número de cadeias massa molecular de todas as cadeias, dividida pelo número total de cadeias massa molecular de todas as cadeias, dividida pelo número total de cadeias Mn = NiMi / Ni Ni = número de cadeias Mi = massa molecular das cadeias Massa Molecular Ponderal Média (Mw): pela massa das cadeias pela massa das cadeias massa molecular de cada fração contribui de maneira ponderada para o cálculo da média. massa molecular de cada fração contribui de maneira ponderada para o cálculo da média. Mw = Ni(Mi)2 / NiMi Massa Molecular Viscosimétrica Média (Mv) e Massa Molecular Média Z (Mz):

27 27 Ligações cruzadas Quando ligações cruzadas são introduzidas no polímero, a densidade da amostra é aumentada proporcionalmente. À medida que a densidade aumenta, o movimento molecular na amostra é restringido e a Tg aumenta. Para uma alta densidade de ligações cruzadas, a transição é larga e mal definida, mas para valores mais baixos, a Tg aumenta linearmente com o número de ligações cruzadas.

28 28 - Tração (E) - Cisalhamento (G) - Compressão (K)

29 29 Curvas tensão-deformação:

30 30 A Tm é uma transição de 1a ordem e é a temperatura de fusão dos domínios cristalinos de uma amostra de polímero. A Tg é uma transição de 2a ordem e é a temperatura na qual o domínio amorfo de um polímero readquire progressivamente a sua mobilidade. Determinam a faixa de temperatura na qual o polímero pode ser empregado Determinam a faixa de temperatura na qual o polímero pode ser empregado O fato de uma amostra de polímero exibir as duas transições ou apenas uma delas depende da sua morfologia: polímeros completamente amorfos apresentam apenas Tg; polímeros completamente cristalinos apresentam apenas Tm.

31 31 Nanocompósitos Nanocompósitos

32 32 Nanopartículas Nanopartículas = Relaciona-se com a pesquisa, o desenvolvimento e a produção de materiais e sistemas cujas propriedades físicas, químicas e biológicas são novas devido ao tamanho nanométrico.


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