BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA TQ-064 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA TQ-064

1 Cerâmicos e Vidros • Materiais inorgânicos/não metálicos • Aplicações médicas – Óculos – Utensílios domésticos, etc. – Fibra óptica para biosensores e endoscópios – Suportes porosos para biomoléculas • Naturalmente inertes e quimicamente resistentes – Cerâmicas usadas em odontologia, para dentaduras e coroas – Implantes • Geralmente utilizados para reparo em tecidos conectivos duros do esqueleto • Requerem cimentos/adesivos estáveis

2 Interações de Ossos com Biocerâmicos • Resposta dos tecidos aos implantes – Toxicidade: Morte do tecido – Inertes: Formação de cápsulas – Bioativo: Formação de ligação interfacial – Ex.: Osteointegração – Dissolução: Substituição por tecido • Biocerâmicos – Fixação aos tecidos – Denso (não poroso) e inerte: osso cresce nas irregularidades da superfície (press fit), cimentação (fixação morfológica) – Movimento relativo e cápsula causam falha – Poroso e inerte: crescimento ósseo conecta mecanicamente os materiais (fixação biológica) – Mais estável, estruturalmente fraco (rachaduras de corrosão), melhores como revestimento, – Denso, não poroso e com superfície reativa: ligação química ao osso (fixação bioativa) – Superfície ativa, biovidros, HA, e compósitos – Densos, não porosos e reabsorvíveis: substituição lenta pelo osso – Taxa de reabsorção, metabólicos (fosfato tricálcico)

3 Propriedades dos Materiais Cerâmicos • Composição e Características básicas Vem do grego “keramikos” que significa “material queimado”, indicando a necessidade de tratamento térmico para adequar as propriedades. Ligação atômica essencialmente iônica entre metais e não metais. Menos densas do que metais. Cerâmicas tradicionais barro, argila, porcelanas, tijolos, ladrilhos e vidros Cerâmicas avançadas Utilizadas em inúmeras aplicações tecnológicas tais como encapsulamento de chips, isolamento térmico do ônibus espacial, revestimento de peças, e Biomateriais.

3 Propriedades dos Materiais Cerâmicos (cont.) Estruturas BaTiO3

A genealogia das cerâmicas Materiais cerâmicos Avançadas Vidros Argilas Refratários Abrasivos Cimentos Vidros Vidros cerâmicos Estru- turais Porce- lana Argilas Queimadas Sílica Básica Especial

4 Cerâmicos e Vidros • Superfície • Forma e processamento • Microestrutura – Numero de fases – Percentagem das fases – Distribuição das fases – Tamanho das fases – Conectividade das fases • Estado de Fase – Estrutura cristalina – Defeito estrutural – Estrutura amorfa – Estrutura porosa • Superfície – Rugosidade superficial – Acabamento – Composição – Fase secundária – Porosidade • Forma e processamento

4 Cerâmicas e Vidros (cont.) • Cerâmicas inertes – Alumina ou Safira - Al2O3 • Resistentes à corrosão, a esforços mecânicos, biocompatíveis e resistentes ao desgaste • Requerida alta pureza e granulometria fina e consistente • Usados em implantes de quadril basicamente • Também usada no joelho, parafusos e reconstrução óssea. – ZrO2 Zircônia • Alta resistência mecânica e baixo modulo de elasticidade • Implantes de articuláveis de quadril • Cerâmicas porosas – Corais (como moldes) – Al2O3, TiO2, CaCO3, CaxPy – Mais fracos estruturalmente

Vidros Misturas de SiO2 com Na2O e CaO Quando utilizados em ótica, deve-se ter especial cuidado na eliminação de poros. Isto implica no controle da viscosidade na fase líquida. vidro fundido placa de vidro ar comprimido molde vidro fundido queimador

5 Vidros Bioativos • Tipicamente, a superfície forma camada de hidroxiapatita carbonatada (HA) • Composição – altamente reativa –SiO2 menos de 60% –Na2O e CaO em níveis elevados –CaO/P2O5 Relação elevada • Osso formado diretamente sobre Osso – Também em alguns tecidos moles e colágenos • Vidro normal forma cápsulas • Também vidros bioreabsorvíveis • Usado tipicamente como repositórios de ossos

6 Fosfato de Cálcio • Hidroxiapatita (HA) – Ca10(PO4)6(OH) • Mineral idêntico ao encontrado nos ossos • Fraco em resposta sob tensão mecânica • Usado inicialmente como pó, pequenos implantes sem carga, revestimentos, implantes porosos para crescimento ósseo • Material aplicável para engenharia do tecido ósseo • Pode facilmente ser degradado se as condições forem favoráveis – pH, ataque Químico, fagocitose • HA pura degrada rapidamente