SEMINARIO 2014
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Biomateriais e Técnicas de Caracterização
Andréa Machado Costa
Prof. Marcelo H. Prado da Silva
Instituto Militar de Engenharia-IME
Fevereiro 2014
Conceito
� Material utilizado em um dispositivo, com intenção de
interagir com sistemas biológicos
� Otimização de propriedades físicas, químicas, bioquímicas e
estruturais dos arcabouços para implantação no organismo.
.
DESEMPENHO LOCAL:INTERFACE IMPLANTE-TECIDO
→ EVENTOS NA SUPERFÍCIE DO MATERIAL
Ref. Schwartz et al., Journal of Cellular Biochemistry 56:340-347, 1994
DESEMPENHO LOCALINTERFACE IMPLANTE-TECIDO
→ EVENTOS NO INTERIOR DO MATERIAL
TENDÊNCIA TECNOLÓGICA
� Implantes Modificados: Recobrimento com biomoléculas ou
fármacos para estimular a resposta tecidual e/ou inibir
infecções
� Implantes Inteligentes: reconheçam e reajam a estímulos do
organismo
� Implantes Absorvíveis: absorção pelo organismo após
determinado prazo
Ref. Landim, A., et al., 2013, BNDES Setorial 37, 173-226.
DESEMPENHO ESTRUTURAL
http://www.biommeda.ugent.be/researchpage.php?id=24
� Necessidade de sincronia na diminuição das propriedades mecânicas durante degradação dos implantes absorvíveis
Ref. Rezwan, K., et al, Biomaterials 27, 2006, 3413-3431.
DESEMPENHO ESTRUTURAL
DESEMPENHO BIOQUÍMICO
Ref. Molly M. Stevens, Materials Today, 5(11), 2008, 18-25.
� Variedade de estratégias de aprisionamento de biomoléculas no material
� Escolha da biomolécula a ser associada ao biomaterial
Ref. Lutolf, M.P., Hubbel, J.A., Nature Biothecnology, 23 (1), 47-55.
DESEMPENHO BIOQUÍMICO
RESPOSTA CELULAR
Ref. Kshitiz et al, Integr. Biol., 2012, 4, 1008–1018.
� Imagens por Microscopia de Fluorescência: efeito da nanotopografia naadesão e expressão de osteopontina por células tronco mesenquimais .
PRODUTOS NO MERCADO
Produto composição Ano Tecido Celulas Forma
Integra WoundMatrix
Colagenogranulado +condrotoína 6-sulfato
2007 Pele X Folha
HyalograftC autograft
Derivado ác.Hialurônico + Condrócitos
2008 Cartilagem Condrócitosautólogo
Disco 3D
HV Válvula cardíaca Humana
2008 Cardiovas-cular
X Válvula
FortOss HA+ Matriz colágeno/dextran
2008 Osso x Pasta
Ref. Place et al., Nature Materials, 2009, 8, 457-469
Dados 2009
Mercado de Engenharia Tecidual: Área Ortopédica
Biomaterial
Material utilizado em um dispositivo
médico, com intenção de interagir com
sistemas biológicos.
Biomateriais Osteocondutores
Ref.. Barradas, A. M.C.,Eurpean Cells and Materials, 21, 2011, 407-429
POLÍMEROS
Estrutura Polimérica
Linear
Estrutura Cruzada
AmorfaSemicristalina
Esferulita Ref. Carraher, C.E., Introduction to polymer Chemistry
� Cadeias lineares com poucas interações laterais
Função Química
Ref. Göpferich, A. Biomaterials, 17, 1996, 103-114
PREPARO E CONFORMAÇÃO
Ref.. Shastri, et al., PNAS, 97 (5), 2000, 1970-1975
POLIMEROS BIOADEGRADÁVEIS APLICADOS A ÁREA DE SAÚDE
� Permitem a substituição gradativa do implante por tecido regenerado
� Seus produtos de degradação são metabolizados pelo organismo
� Apresentam versatilidade de processamento
Ref. A. C. MottaI, E. A. R. Duek, Polímeros, 16 (1), 2006, 26-32
DESEMPENHO ESTRUTURAL
Poli(α-esters)
Polianidridos,
Poli(orto)esters,
poli(anidrido-co-imida),
� linearidade na liberação
de fármacos,
Ref. Göpferich, A., Biomaterials 17, 1996, 103-114.
DESEMPENHO BIOQUÍMICO
Ref.. Shastri, et al., PNAS, 97 (5), 2000, 1970-1975
�Liberação de fosfatase alcalina associada a grânulos de PEG contidos em matriz de PLLA
RESPOSTA CELULAR
Ref.. Shastri, et al., PNAS, 97 (5), 2000, 1970-1975
100% poli-ácido-lático (PLA)
80% poli-L-ácido-lático (PLLA) + 20% poli-etileno-glicol
60% poli-L-ácido-lático (PLLA) + 40% poli-etileno-glicol
� Secção transversal de substratos poliméricos após 4 semanas de cultivo de células de condrócitos bovinos
Metais
� Apresenta polimorfismo α (HCP)→ β (BCC, 865ºC)
� Estrutura altamente organizada
� Formado por ligação metálica (todos os átomos distribuídos
uniformemente)
Zircônio
TORÇÃO SOB ALTA PRESSÃO - (HPT)
→ Método de produção de Materiais com grãos Nanocristalinos por DEFORMAÇÃO PLÁSTICA SEVERA de materiais grãos micrométricos
Ref. Tese Doutorado IME, Michelle Viana, 2012
Ref. Tese Doutorado IME, Michelle Viana, 2012
Produção de Grãos Ultrafinos ou Nanométricos
Desempenho Biológico
Micrografia de MEV da célula MC3T3-E1 aderida à superfície de Zr-2,5Nb HPT com 5 GPa e 5 voltas a frio após 7 dias (barra – 1 μm).
CERÂMICAS
� Arranjo espacial com ânions ocupando espaços intersticiais
� Constituídos por ligações iônicas, e covalentes com alta
direcionalidade e “rigidez”
Zr O
1170ºC2370ºC
Tenacificação por Transformação induzida por tensão
→ A linha pontilhada indica a interface de transformação monoclínica que está ocorrendo em direção ao interior do grão
HIDROXIAPATITA (HA)
Ref. D.L. Masica, et al, Structure, 18, 2010.
� Principais planos da superfície de um cristal de hidroxiapatita
PREPARO E CONFORMAÇÃO
Robocasting
Dispersão: HA /TCP + Darvan1 C
Aumento viscosidade: hydroxypropyl methylcellulose (Methocel F4M)
Gel: dispersão + polyethylenimine (PEI) floculante
Ref. P. Miranda et al, J Biomed Mater Res 85A,218–227,2008.
DESEMPENHO ESTRUTURAL
Ref. L. R. Rodrigues, Tese Doutorado, Eng. Mecânica, UNICAMP, 2012.
�Mudanças da morfologia da superfície em uma solução tampão.
(a) Típica estrutura sinterizada antes do teste de degradação,
(b) Estrutura modificada após o teste de degradação.
DESEMPENHO BIOQUÍMICO
Ref. Paul et al, J. Pharm Sci, 97, 2008, 875-882.
� Liberação de Insulina a partir de microesferas de TCP
Produção de Microesferas de HA
HA
ZnCl2 or CaCl2
solution
Ref. Dissertação IME, Renan Cuzco, 2012.
RESPOSTA CELULAR
� Microscopia Confocal de
microesferas da HA/Colágeno
contendo osteoblastos após 4
dias, (HAp: hidroxiapatita,OB:
osteoblastos.)
Ref. Wu et al, Biomaterials, 25 (4), 2004, 651–658.
Mercado Biomateriais
TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO
�FTIR
�UV-Vis
�DRX
� MEV
� MICRO CT
Espectroscopia
� Interação da amostra com feixe de radiação com absorção de energia a nível molecular e atômico
Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
� modos vibracionais do grupo químico silicato
Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
� IDENTIFICAÇÃO DE MATÉRIA-
PRIMA E PRODUTOS ACABADOS
�CONTROLE DE PROCESSOS DE
PRODUÇÃO
�APROVAÇÃO DE PRODUTOS EM
PROCESSO
Ref. Gao et al, Polymer Journal, 34 (11), 2002, 786—793.
Espectroscopia no Ultravioleta-Visível (UV-Vis)
→ Absorção de energia pela amostra em determinados valores do espectro na região de Visível e Ultravioleta
Espectroscopia no Ultravioleta-Visível (UV-Vis)
→ Transições Eletrônicas envolvendo ligações duplas com absorção na região de Ultravioleta
Espectroscopia no Ultravioleta-Visível (UV-Vis)
→ A_vidade Ó_ca envolvendo energia de orbitais d de elementos de transição que se ligam a grupos contendo pares de elétrons
ʎ = 800 nm
ʎ = 590 nm
Espectrometria no UV-Vis
→ Espectro identificando região doespectro de UV-Vis ativa dofármaco a ser associado aoBiomaterial
→ Curva de Calibração utilizandoconcentrações variadas do fármaco
Ref. Dissertação IME, Renan Cuzco, 2012.
Difração de Raios X (DRX)
�Usado para análise cristalográfica de materiais, tendo como radiaçãoincidente uma fonte de raios-X que possui comprimento de onda daordem 1 angstron (Ǻ) coincidindo com as distâncias interplanaresexistentes nas redes cristalinas.
→ Quando a distância entre duas ou mais fendas é da mesma ordem de grandeza que o comprimento de onda irradiado, tem-se a ocorrência do fenômeno de difração
Difração de Raios X (DRX)
Refs. Gao et al, Polymer Journal, 34 (11), 2002, 786—793, Assolan, et al, Journal of the European Ceramic Society 23 (2003) 229–241.
� Quanto maior o número de planos alinhados em uma mesma direção maior a cristalinidade do material, causando um feixe difratado mais intenso e estreito em termos de comprimento de onda
Difração de Raios X (DRX)
Ref. Dissertação IME, Renan Cuzco, 2012.
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
O feixe obtido irá interagir com a superficie condutora da amostra emitindoelétrons retroespalhados e secundários, que serão detectados e processados,obtendo-se uma imagem da superfície do material.
Um feixe de elétrons éacelerado pela aplicaçãode uma ddp, sendoalinhado e focado porum arranjo de lenteseletromagnéticas, eaberturas.
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Volume de interação: a) localização dos sinais emitidos pela amostra; b) relação da voltagem para elementos leves e pesados. Figura adaptada de KESTENBACH, 1994.
Análise Textural - EBSD
Micrografia de Zr deformado por HPT com 5 GPa e 5 voltas completas afrio por ACOM/MET (a) Mapa de orientação do Zr deformado por HPT
Ref. Tese Doutorado IME, Michelle Viana, 2012
Microtomografia de Raios X (Micro CT)
�Permite a visualização de seções transversais (cortes internos) deum objeto de forma não destrutiva.
�Densidade e a porosidade são mapeados pelo equipamento atravésda análise das fatias geradas em forma de figura bidimensionais, equando juntas se obtém objetos 3D através de algoritmos decomputador.
→ Raios X varrem uma amostra em rotação, sendo o sinal produzido captado por um detector
Microtomografia de Raios X (Micro CT)
�Utilizada para verificar a interconectividade dos poros, distribuição,diâmetro e porcentagem total da porosidade em relação o volumeda estrutura
�Baseia-se na propriedade dos materiais em absorver a radiação deforma diferenciada dependendo de sua composição química edensidade.
→ Secção de pas_lha porosa
HA+TCP
Ref. L. R. Rodrigues, Tese Doutorado, Eng. Mecânica, UNICAMP, 2012.
Obrigado!