Materiais poliméricos – ciência e aplicação como biomateriais

Polímeros para aplicação biomédicas

A maioria são sintéticos (poucos são naturais)As propriedades variam de:

macios (hidrogéis, lentes)elastômeros (cardiovasculares)rígidos (ortopedia, odontologia)

Propriedades físicas e mecânicas apropriadasDevem ser livres de monômeros e materiais permeáveisSer biocompatíveis:

Não deve induzir mudanças clínicas no ambiente implantadoNão deve produzir substâncias tóxicas na degradaçãoSe biodegradável, deve ser bioabsorvívelSe biodegradável, velocidade de degradação compatível com aplicação

Propriedades químicas, físicas e mecânicas estáveis durante implanteDeve ser esterilizávelBaixo custo

Polímeros para aplicação biomédicas

Alguns polímeros usados como biomateriais

Polietileno (PE)Polimetilmetacrilato (PMMA)Politetrafluoroetileno (PTFE)PoliuretanoPoli(cloreto de vinila) (PVC)Polidimetilsiloxano (Silicone)NylonsPoliesteres

PolietilenoPEAD

n CH2 = CH2 → ... – CH2 – CH2 – ...n

n CH2 = CH2 → ... – CH2 – CH2 – ...n

PEBD

PEUAPM

Massas molares de 3 a 6 milhõesConfecções de fibras tão resistente que substituem o kevlarGrandes chapas podem ser utilizadas no lugar de gelo em pistas de patinaçãoRevestimentos de caçambas, tanques para banho químicoindústria de papel e celuloseDefensas marítimas

Aplicações

SuturasCateteresMembranasPróteses ortopédicas e maxilofaciais

O PMMA (Poli Metil Metacrilato ), conhecido como acrílico, é um plástico de engenharia, cujas principais características são suas propriedades ópticas, transparência, e resistência às intempéries, dureza e brilho.

Poli(metil metacrilato)PMMA

Aplicação

Lentes ocularesDentes postiçosCimento ósseoBombas sanguíneasMembranas para diálisePoli(hidroxietil)metacrilato (PHEMA) é usado em lentes de contato macias (forma hidrogel)

Aplicações

São resistentes em ambientes químicos agressivosMecanicamente são úteis entre -200 a 260ºCApresentam excelentes propriedades de isolamento elétrico, baixo coeficiente de atrito, autolubrificantes e de não aderênciaConhecido como teflon

Politetrafluoretileno - PTFE

- [ CF2 – CF2 ]n

Aplicações

Vasos artificiaisClipes e suturasRecobrimentosTendões e ligamentos artificiais

Poliuretano

Grande família de polímeros Aplicação biomédicas – elastômerostermoplásticosAlta resistência a abrasão, cisalhamento e fadiga Boa biocompatibilidadeResistência a degradação em ambientes biológicos

Aplicação

Prótese vascularVálvulas cardíacasimplantesReconstrução facial

Poli(cloreto de vinila)Material bastante rígido (naturalmente) e transparente;Atóxico;Auto-extinguível;Alta capacidade de aceitação de aditivos

Os compostos flexíveis contêm plastificantes na proporção de 20 a 90 partes percentuais;

Aplicação

Polidimetilsiloxano (Silicone)

Excelente biocompatibilidadeFlexibilidadeResistência a degradaçãoPermeabilidade ao oxigênioBaixa resistência ao cisalhamento e abrasão

Aplicação

Cosmético e cirurgia reconstrutivaProteses de olho e orelha Materiais para curativos

Poli(tereftalato de etileno) (PET)

apresenta uma molécula linear, e existe nas formas amorfo e cristalino. Quando amorfo, o PET étransparente; quando cristalino, ele é opacoas boas propriedades mecânicas são atribuídas aos efeitos de orientação. Quando as moléculas são alinhadas e orientadas numa direção, o polímero fica mais forte no sentido da orientação

Aplicação

SuturasTecidosVasos artificiaisVálvulas

Poliamidas

Poliamidas

--80111108 -120Escala RDureza Rockwell

300130-85 -300

60 -300%Alongamento

550800570600630 -840Kgf / cm2Resistência à tração

PA 11PA 6PA 6.12

PA 6.10PA 6.6

TipoUnidade

Propriedades Mecânicas

Nota: PA 4.6 – Tg = 80ºC e Tm = 290ºC

-0,5 –1,5-1,2 -

1,81,5 -1,8%Contração no molde

-50--75ºCTemp. Trans. Vítrea (Tg)

185 -187

215 -225212220260 -

280ºCTemperatura de fusão (Tm)

0,41,60,250,41,5%Absorção de água

1,04 -1,05

1,12 -1,161,081,07 -

1,091,13 -1,15g/cm3Densidade

PA 11PA 6PA 6.12

PA 6.10PA 6.6

TipoUnidadePropriedades Físicas e Térmicas

Aplicações

SuturasTecidosmembranas

Degradação de Polímeros

TérmicaImportante no processamento de polímeros

OxidativaReações de radicais livres com oxigênio

FotooxidativaLuz ultravioletaRadiação de alta energia (raios x, γImportante na esterilização de materiais

HidrolíticaAtaque de molécula da água

Efeito Geral dos polímeros no organismo

Toxicidade sistêmica:toxidez, acumulação de produtos de degradação e elevada magnitude de resposta inflamatória e imunológica

Esterilização de polímeros

Uso de pressões e temperaturas elevadasUso de ondas eletromagnéticas de elevada energia (raios x, γ)Uso de gases como óxido de etilenoUso de filtração com membrana porosa

Futuro de Polímeros

Eles devem degradar quando necessário – cinética compátivel com a regeneração de tecidosNão deve resultar na produção de produtos tóxicos durante a degradaçãoDevem interagir com proteínas – guiar o processo de adsorçãoDevem interagir com células – favorecer a adesãoDevem ser capazes de responder a algum sinal produzido no ambiente corpóreo

Estratégias

Alteração na superfície dos polímerosAlteração no volume do polímeroFormulação de polímeros capazes de responder a estímulos do corpo

Aplicação

Suportes para o crescimento in vitro e in vivode tecidosNovos sistemas de liberação controlada de drogasMembranas para o encapusalamento de células, enzimas e outras biomacromoléculas(órgãos artificiais)

Modificação na superfície de Polímeros –Interface polímero - tecido

Estratégias de se modificar a superfície estávinculada à idéia de reter as características físicas do material, ao mesmo tempo em que biointerações são manipuladas visando adequadas respostas material-tecido


Métodos mais comuns:RecobrimentosImplantação iônica ou difusão de uma segunda espécieDeposição de filmesUso de aditivos que migram para superfícieReações químicas de superfíciesAtaque químico ou mecânico

Alteração no volume do polímero

Objetivo: desempenho satisfatório de funções ou mecânicas, ou ópticas, ou térmicasEstratégia:

produção de compósitos e nanocompósitos;Polímeros biodegradáveis com cinéticas de biodegradação controlada

Formulação de polímeros capazes de responder a estímulos do corpo

Polímeros inteligentesRespondem a estímulos químicos (pH, concentração iônica) e físicos (temperatura, luz, pressão e campo magnético)Polímeros termossensíveis – capazes de apresentarem grande variação de volume com alteração da temperatura – separação de fase da mistura de polímeros


Polímeros sensíveis a mudanças de pH são polieletrólitos – polímeros dotados de grupos ionizáveis como ácido carboxílico ou sulfônicos

Um hidrogel é um polímero inchado em águaUm gel de polímero é uma molécula integrada por cadeias longas do polímero conectadas por reticulados (entrecruzamentos)

Os reticulados podem ser:Degradáveis ou não degradáveisInterações iônicas entre as cadeias do polieletrólito

Formação dos reticulados Durante a polimerizaçãoTratamento por radiação nas cadeias

Hidrogéis para aplicação em polímeros

Os hidrogéis inchados podem absorver várias vezes o próprio peso em água

Os solventes determinam a morfologia do polímero, se formam glóbulos ou bobinas

Os Hidrogels podem variar entre a forma inchada ou colapso da estrutura



Aplicação:Lentes intra-oculares e de contatoPele artificialMatriz para encapsulamentoMatriz para liberação controlada de drogasMatriz para crescimento de tecidos

Hidrogéis

Polímeros porosos

Aplicação:Produção de membranasImplantesSuportes para crescimento de tecido

Exemplos:CelulosePoli(tetrafluoretileno)Polipropilenopolissulfona

Polímeros porosos

Em geral apresentam poros de tamanhos programados ( diâmetros entre 100 e 200μm)a separar a macromolécula e/ou célulasA porosidade é criada no intuito de permitir a fixação do implante no local da implantaçãoPermite o crescimento tissular para o interior dos poros, o qual permite o ancoramentomecânico do material

Polímeros Porosos

Vantagens:Baixa densidadeMais eficiente fixaçãoElevada processabilidade

Desvantagens:Redução das propriedades mecânicasElevada concentração de fibras de colágeno que impedem uma integração maior entre a fibra e o tecido

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