MATERIAIS CERÂMICOS

Biomateriais

Classificação dos materiais cerâmicos baseada na aplicação

PROPRIEDADESPROPRIEDADES

dureza resistência a abrasão refratariedadeisolamento térmico isolamento elétrico não magnético resistência a oxidação quimicamente estável

frágil

USO CLÍNICO DAS BIOCERÂMICASUSO CLÍNICO DAS BIOCERÂMICAS Reparo craniano vidros bioativos Reconstrução maxilofacial Al2O3, HA, HA-PLA, biovidro Implantes dentários Al2O3, HA, recobrimento de HA, biovidro Aumento do rebordo alveolar Al2O3, HA, -TCP, HA+osso autógeno, HA-PLA, biovidro Dispositivos percutâneos vitro-cerâmica bioativa, biovidro, HA, recobrimento de carbono pirolítico Válvulas cardíacas recobrimento de carbono pirolítico Cirurgia da coluna vitro-cerâmica bioativa, HA Reparo da crista ilíaca vitro-cerâmica bioativa Preenchimentos ósseos -TCP, sais de fosfatos de cálcio, grânulos de biovidro Ortopedia Al2O3, zircônia, PE-HA, recobrimento de HA e de vitro-cerâmica

BiocerâmicasBiocerâmicas

Densas

BiocerâmicasBiocerâmicas

Porosas

BiocerâmicasBiocerâmicas

Vidro e vitro-cerâmicas

BiocerâmicasBiocerâmicas

Recobrimentos

Composições de BiocerâmicasCategoria Exemplo

Óxidos simples Alumina, zircôniaCovalentes Carbono LTI, TiN, SiC*, Si3N4

*

Sais de cálcio Hidroxiapatita, fosfatos de cálcio, tri-fosfato

de cálcio, etc.Silicatos BiovidrosVitro-cerâmicas Apatita/Wollastonita (A/W)Compósitos A/W vitro-cerâmica com

adição de zircônia tetragonal

FORMA, FASE E FUNÇÃO DAS BIOCERÂMICASLarry L. Hench, 1993

FORMA FASE FUNÇÃO

pó policristalina preenchimento, tratamento terapêutico, vítrea regeneração de tecidos

recobrimento policristalina ligação tecidual, tromboresistência, pro- vítrea teção contra corrosão vitro-cerâmica

sólido cristalina substituição e aumento de tecido, substi- policristalina tuição de partes de tecidos vítrea vitro-cerâmica compósito

BIOCERÂMICAS BIOINERTES E/OU

BIOTOLERÁVEIS

Óxidos

Comp. Química

DensidadeTipo de material

Norma

Módulo elásticoDurezaResist. a compr.Resist. a flexãoTenac. fraturaTam. de grão

ZrO2 + MgO

zirconia parcial/te estabilizada

210 GPa 1250 HV 0.1 > 500 MPa

10 MPa m1/2 30 m

Al2O3+MgO (<0.5%)< 0.02 SiO2+Na2O %3.98 g.cm-3

corindon policristalino

ISO 6474

380-420 GPa> 2000 HV 4000-4500 MPa> 595 MPa 4-6 MPa m1/2

< 2 m

ZrO2+ Y2O3

zirconia tetragonal policristalina

ISO/DIS 13356

210 GPa1250 HV > 900 MPa

8 MPa m1/2

< 0.5 m

Propriedades Alumina Y-TZP zircônia Mg-PSZ zirconia

ALUMINA

Composição - Al2O3

Processamento - prensagem e sinterização (1400- 1600ºC)

Aditivo de sinterização - MgO (< 0,5%), para aumentar a densidade e obter uma microestrutura com grãos mais finos

Estrutura - policristalina, hexagonal

Formas de aplicação - densa, como material estrutural

ALUMINA Características biológicas - inerte e/ou tolerável,

biocompatível

Propriedades

excelente resistência a corrosão alta resistência mecânica alta resistência ao desgaste: baixo coeficiente de fricção e desgaste boa resistência a flexão excelente resistência a compressão excelente resistência a fadiga resiste ao impacto

ALUMINA Aplicações

cabeça e copo de prótese de fêmur prótese de joelho com parte tibial de polímero (UHMWPE) em articulações: tornozelo, cotovelo, ombro, pulso, dedos implantes dentários substituição parcial ou total do ossículo do ouvido médio anéis de suporte para traquéia liberação controlada de fármacos parafusos reconstrução alveolar reconstrução maxilofacial

ALUMINA Durabilidade

previsão - menos de 1 em 100 componentes submetidos a máxima tensão de tração (<200MPa) falhariam em 30 anos

uso - > 100 mil cabeças de fêmur implantadas/ano - o primeiro registro de implante é de 1971 (Boutin)

vantagem - cabeça e copo de alumina produzem menos abrasão do que cerâmica e polímero

desvantagens - maior causa de falha está na perda de aderência do copo acetabular - problemas para fixação

ZIRCÔNIA

Composição - ZrO2

Estabilização da fase - CaO, MgO, Y2O3

Estrutura - policristalina

Fases - tetragonal, monoclínica, cúbica

Formas de Aplicação - densa, como material estrutural

Óxido de zircônio - fases

Fase

Monoclínica

Tetragonal

Cúbica

Temperatura detransformação (°C)

1000-2000

2000-2280

> 2280

Densidade (g/cm3)

5.56

6.10 (calc);5.72 (exp)

6.09 Transformação tetragonal-monoclínica no resfriamento (1000800°C) gera tensões aumento de 5% vol, mudança de forma e quebra ao longo dos grãos

Estabilização CaO, MgO, Y2O3 estabiliza a fase cúbica (total) ou cúbica-tetragonal (parcial) a T ambiente

Características biológicas - inerte e/ou tolerável, biocompatível

Propriedades boa tenacidade a fratura boa resistência a flexão menor módulo elástico excelente resistência a compressão excelente resistência a corrosão excelente resistência a fadiga

ZIRCÔNIA

BIOCERÂMICAS BIOTIVAS

biovidro vitrocerâmicas Fosfatos: HA, TCP, cimentos, recobrimentos

vidros que desencadeiam respostas biológicas específicas na interface com o implante resultando na formação de uma ligação do tecido com o material

vidros bioativos promovem reparação tecidual, não são tóxicos, não induzem respostas alérgicas ou carcinogênicas, como confirmado por meio de testes in vitro e in vivo.

Vidros Bioativos(Larry L. Hench 1968)

bioatividade = habilidade de ligação com os tecidos moles e duros

BIOVIDRO

Composição - SiO2, Na2O, CaO, P2O5, CaF2

Processamento - vidros fundidos - vidros por sol-gel

Composições Típicas

SiO2 Na2O CaO P2O5 CaF2

45S5.4F 46.1 24.4 16.2 2.6 10.8

45S5 46.1 24.4 26.9 2.6 0 58S 60.0 0 36.0 4.0 0 77S 80.0 0 16.0 4.0 0

Vidros fundidos: bioativos até 60% sílicaVidros por sol-gel: bioativos até 85% sílica

Processamento: Vidros FundidosPeças densas: Fusão de sílica, soda, cálcio e outros óxidos de

alta pureza a ~1300-1450°C em cadinhos de platina

Vertimento em moldes de grafite/aço e resfriamento

Tratamento térmico a 450-550°C Corte com ferramentas de diamante; polimento

Grânulos e pós: Vidro fundido é resfriado em ar ou água, seco

rapidamente para evitar corrosão, moído e separado em peneira

Biovidros Fundidos - Propriedades

módulo elástico 30- 35 GPa (~ osso cortical) boa resistência a compressão alta solubilidade baixa dureza baixa resistência mecânica baixa tenacidade a fratura baixa resistência a flexão 40- 60 MPa

Biovidros por Sol-Gel - Propriedades

Mesoporosidade (20-500 Å) intrínseca aumenta a bioatividade, permite rápida adesão celular, e adsorção de fatores de crescimento e proteínas para acelerar regeneração tecidual

A estrutura altamente porosa permite expandir a faixa de composição dos vidros com teores de álcali mais baixos e de sílica mais alto

Vitro-Cerâmicas

micro-cristais precipitam-se sobre a matriz vítrea durante tratamento térmico, de forma espontânea ou germinada (adições de Pt, ZrO2)

resistência mecânica aumenta de 34.5 MPa para 60-100 MPa ou mais

vitro-cerâmicas (Ceravital, A/W) apresentam solubilidade mais baixa devido ao menor teor de álcali, favorecendo a formação de tecido cartilaginoso.

Vitro-Cerâmicas Cerabone A/W Ceravital Bioverit

ISO 23317 – 2007 - Implants for surgery - In vitro evaluation for apatite-forming ability of implant materials.

Tadashi Kokuboand Hiroaki Takadama. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials 27 (2006) 2907–2915

Aplicações

raiz dentária, para minimizar absorção alveolar

espaçadores da vértebra

reconstrução maxilofacial

reconstrução do ouvido médio

preenchimento de defeitos ósseos

recobrimento

BIOVIDRO

Formas de aplicação

densa de tamanho reduzido (fusão), como material de baixa solicitação mecânica

partículas ou grânulos (20-700m)

compósito polímero-vidro

sistemas injetáveis com veículo solúvel

recobrimentos

vidros por sol-gel dopados com Ag (bactericida), proteínas e fatores de crescimento

forma de aplicação: grânulos, pó, densa e porosa

vantagem:

alta biocompatibilidade osteocondutiva

desvantagem:

baixa resistência mecânica quando de origem animal, problemas com impurezas e contaminações

Hidroxiapatita (HA)

Propriedades

Densidade

Resistência a compressão

Resistência a flexãoTenacidade a

fraturaMódulo elástico

DurezaPonto de fusão

Bioativo, Osteocondutor

Cor

Valor padrão

3.16 g/cm3

(teórica)100--200 MPa

< 100 MPa< 1 MPa m1/2

max. 100 GPa500 HV1650 °C

Branca, azulada

Observação

HA é sempre porosa

Depende da porosidade

Similar a do vidro de janelaDepende da porosidade

Similar ao vidro de janela

Decomposição > 1300 °C

Interage com o meio fisiológico

Depende da matéria-prima

Propriedades da HA

Métodos de recobrimento

CVD (chemical vapor deposition) Deposição por plasma (plasma-spraying) Imersão em soluções particuladas Método biomimético Deposição eletroquímica Deposição por sol-gel Recobrimento de monetita e conversão para HA

pela imersão em bases NH4OH, NaOH, KOH Deposição por laser pulsado

APLICAÇÕES CLÍNICAS DA HA raiz dentária para minimizar a reabsorção do rebordo alveolar e manter as dimensões alveolares

aumento do rebordo alveolar para melhor fixação de próteses dentárias

reconstrução maxilofacial

preenchimentos de defeitos ósseos ao redor de implantes

carga em compósitos e cimentos

recobrimento sobre próteses metálicas, poliméricas

cimento ósseo de fosfato de cálcio