Tópicos em Biomateriais 2

Tópicos em Biomateriais 2

TÓPICOS EM BIOMATERIAIS

INFORMATIVO DA ÁREA DE CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS BIOMATERIAIS

ANO 1 No 02 2a QUINZENA DE SETEMBRO - 2006

BIOMECÂNICA DO TECIDO ÓSSEO

Dr. Tomaz Puga Leivas*

O

Oconhecimento do comportamento do tecido ósseo é imprescindível para o desenvolvimento de implantes (interface implante-osso) e de biomateriais avançados e biomiméticos, para o desenvolvimento de técnicas de engenharia tecidual, de terapias celulares e de efeitos físicos e mecânicos na reparação e/ou na manutenção das suas funções e características fisiológicas e para garantir a autonomia e a qualidade de vida dos pacientes.

O osso é um tecido duro (mineralizado ou calcificado) composto por hidroxiapatita (~30 a 67%), colágeno(~20 a 30%), glicosaminoglicanos (~0,5%) e outras proteínas e componentes orgânicos e água (~7 a 30%). Apresenta uma estrutura formada por moléculas de tropocolágeno e cristais de apatita, em nível molecular, de trabéculas, em nível ultraestrutural e de osso não lamelar (reticulado irregular ou trançado), osso cortical e osso esponjoso, a nível microestrutural. O tecido ósseo poderia ser definido como um compósito fibroso, material-estrutural biosólido-fluído piezoelétrico com comportamento ortotrópico viscoelástico não linear termoreologicamente complexo.

Os ossos longos apresentam, ainda, forma e seção irregular, não axial, não simétrica e trabeculado com distribuição espacial específica nas direções principais das tensões. Apresenta variação de todas as propriedades mecânicas e biológicas em função do osso, da idade, da localização anatômica, da região (subcondral, epifisária, metafisária ou cortical), da camada ou da profundidade, da posição e da direção. A variação decorre da função estrutural; suporte ou sustentação de órgãos ou sistemas, transmissão de forças ou alavancas, controle de movimentos-articulações e proteção; e o nível de atividade (intensidade, direção, freqüência e duração das solicitações – tensões internas). Material “inteligente” atua como um transdutor bioelétrico. O tecido ósseo readequa-se constantemente através de um equilíbrio dinâmico entre processos de remoção (atividade osteoclástica) e de formação (atividade osteoblástica) ósseas. Pode-se interfirir nesse equilíbrio de diversas maneiras, inclusive, não invasivamente. A atividade física, principalmente, exercícios de força (pesos), é o principal fator de interferência, podendo, inclusive, ser utilizado como tratamento em pacientes geriátricos para a recuperação da massa óssea, o aumento da resistência e a redução do risco de fratura.

*Instituto de Ortopedia e Traumatologia do Hospital das Clínicas da faculdade de Medicina da USP.

Palestra proferida no III Congresso Latino Americano de Órgãos Artificiais e Biomateriais-COLAOB 2004, Campinas, SP. Programa e Livros de Resumo, p. 44.

Contato: ass.projetos.iot@hcnet.usp.br

POLÍMEROS BIOREABSORVÍVEIS: PROPRIEDADES E APLICAÇÕES

Dra. Eliana A. de Rezende Duek*

uso cada vez mais freqüente de materiais artificiais para restaurar parte do corpo humano tem exigido o desenvolvimento de tecnologia diferenciada para fabricação e caracterização de produtos que atendam a solicitação para uso médico.

Os biomateriais têm contribuído significativamente para o avanço da medicina moderna. A partir da colaboração entre engenheiros biomédicos, cientistas de materiais, químicos, físicos, biólogos e médicos; a área de biomateriais tem amadurecido, tornando-se uma área de pesquisa multidisciplinar, que envolve a utilização de conceitos fundamentais no desenvolvimento de materiais para aplicação na prática clínica. Um rápido progresso vem sendo conseguido nessa área, resultando na síntese de novos biomateriais poliméricos e cerâmicos, na aquisição de conhecimentos sobre interações entre biomateriais e tecidos biológicos, desenvolvimento de órgãos artificiais, envolvendo cultivo de células, além do avanço dos sistemas para liberação controlada de drogas, enxertos e dispositivos cardiovasculares, miniaturização de próteses, enxertos ósseos e dispositivos ortopédicos. A caracterização de um biomaterial é de fundamental importância para a determinação de seu desempenho e conseqüente definição de requisitos mínimos a serem atendidos pela indústria. No Brasil, apesar da crescente demanda de biomateriais, ainda não existem centros tecnológicos especializados na sua obtenção e caracterização de biomateriais no país.

Desde 1960, inúmeros estudos têm sido realizados para avaliar a viabilidade de vários polímeros bioreabsorvíveis para implantes cirúrgicos. Os estudos apontam principalmente homopolímeros e copolímeros, tais como, poli(ácido lático), PLA, poli(ácido glicólico), PGA, policaprolactona, PCL, poli-p-dioxanona, PDS. Os resultados desses estudos facilitaram a introdução de vários dispositivos absorvíveis no mercado. O primeiro tipo de dispositivo introduzido foram as suturas, pelo fato dos estudos iniciais fornecerem polímeros com baixa massa molar e baixa resistência mecânica. Os avanços nos estudos permitiram a introdução de polímeros com resistência suficiente para aplicações ortopédicas. Abaixo são citados alguns dispositivos comercialmente disponíveis: DEXON, PDS, MAXON, ORTHOSORB, RODS, BIOFIXRODS. O interesse em utilizar polímeros bioreabsorvíveis é principalmente pelo fato de serem degradados por hidrólise sendo que os produtos da degradação são absorvidos pelo organismo. O Poli(ácido lático) é um dos polímeros bioreabsorvíveis mais estudados para fins ortopédicos para esse fim, no entanto seu alto grau de cristalinidade e portanto longo tempo de degradação não permite sua utilização em determinada aplicação. Dessa forma, verifica-se o interesse no estudo de blendas e copolímeros envolvendo os polímeros bioreabsorvíveis com o objetivo de controlar o tempo de degradação e melhorar propriedades mecânicas.

Apesar da obtenção de blendas ter mostrado ser um método fácil e barato para melhorar as propriedades de um material polimérico, poucos estudos tem sido realizados para obtenção de blendas para aplicações como biomateriais, limitado em parte, devido à exigência de biocompatibilidade eliminando a mistura de determinados polímeros. Propriedades macroscópicas do material como resistência ao impacto, rigidez, resistência à tração, propriedades de barreira, processabilidade e outras podem ser modificadas através da oportuna escolha e composição do segundo polímero. As mudanças dessas propriedades podem ser obtidas por modificações nas características físicas como, por exemplo, temperatura de transição vítrea, cristalinidade, densidade e morfologia dependendo da compatibilidade dos dois polímeros.

Um sério problema na área ortopédica é a destruição de meniscos, principalmente em esportistas. Sabe-se que a miniscectomia, ou seja, a retirada do menisco, acarreta em alterações na articulação do joelho, devido à ocorrência de artrose degenerativa. A literatura tem apresentado esse problema com preocupação de implantar um biomaterial que induza a formação de fibrocondrócitos ou substitua o menisco. Alguns materiais não bioreabsorvíveis tem sido testados, mas ainda sem sucesso absoluto; alguns problemas encontrados são degeneração da cartilagem, formação excessiva de osteócitos e sinovites crônicas, além de mudanças degenerativas. Outro aspecto abordado na literatura é a utilização de polímeros bioreabsorvíveis como suporte para cultura de células. Nesse caso, a preocupação é em relação a adesão, morfologia e proliferação celular.

O estudo dos polímeros bioreabsorvíveis, através de uma avaliação de suas propriedades térmicas, mecânicas, morfológicas, principalmente a verificação da miscibilidade nos permite indicar esses materiais para aplicações específicas.

*Profa. da Fac. Engenharia Mecânica, UNICAMP. Campinas-SP.

Palestra proferida no III Congresso Latino Americano de Órgãos Artificiais e Biomateriais-COLAOB 2004, Campinas, SP. Programa e Livrosde Resumo, p. 49.

Contato: eliduek@fem.unicamp.br

B

BIOMATERIAIS: CLASSIFICAÇÃO, SELEÇÃO E AVALIAÇÃO

Dra. Glória de Almeida Soares*

iomaterial é definido como todo material utilizado para substituir – no todo ou em parte – sistemas biológicos. Assim, podemos ter biomateriais metálicos, cerâmicos, poliméricos (sintéticos ou naturais), compósitos ou biorecobrimentos. Dada às especificidades que os biomateriais apresentam, a tendência é que eles sejam considerados, hoje, uma classe especial de materiais.

Como característica imprescindível, estes materiais devem ser biocompatíveis, ou seja, devem atender ao requisito de funcionalidade para o qual foram projetados, não estimulando ou provocando o mínimo de reações alérgicas ou inflamatórias. Embora este conceito seja algo não muito preciso, é consenso que a funcionabilidade está associada à aplicação a que se destina, de tal modo que um material biocompatível para uma dada função pode ser inadequado se usado em outras aplicações.

Com isso, é conveniente agrupar os materiais pelo campo de aplicação a que se destinam, ao invés de usar a classificação tradicional em termos de propriedades gerais que eles apresentam. Classicamente as aplicações são divididas em três grupos que se destinam à substituição de tecidos moles; substituição de tecidos duros e materiais para sistemas cardiovasculares.

A seleção de um material biocompatível deve iniciar com a identificação das propriedades requeridas para a aplicação em questão. Como essas propriedades são extremamente sensíveis a variações da estrutura do material em escala micro ou nanométrica, é fundamental que se tenha um entendimento de como se correlaciona a microestrutura com as propriedades desejadas. A partir desse conhecimento que é a base da Ciência dos materiais, pode-se pensar em “engenheirar” um material, que significa escolher ou projetá-lo para atender ao comportamento esperado. Também pesam na seleção de um material, fatores como tecnologia envolvida na produção da matéria prima e do componente, disponibilidade e custo de insumos, entre outros, que influem no preço final da peça. Entretanto, na área biomédica, a exemplo do que ocorre em áreas que exigem elevada segurança, como aeronáutica e a espacial, o custo individual de uma peça não é, ou não deve ser, o fator primordial na escolha da mesma.

A seleção do material é apenas uma das etapas que garantirão – ou não – o sucesso de uma empreitada. Desde a identificação das necessidades de um paciente até a produção e comercialização de componentes biomédicos, passando pelo projeto, fabricação e testes, um longo caminho deve ser percorrido, dele participando engenheiros (projetistas e de materiais), médicos/dentistas, biólogos, bioquímicos e até profissionais com formação em desenho industrial e marketing.

A caracterização do material não habilita o seu uso como biocomponente, mas pode – e deve – ser utilizada como uma pré-seleção de condições de serem testadas nas etapas seguintes. Os materiais “aprovados” nesta etapa terão que passar por testes laboratoriais (testes in vitro) e posteriormente por testes in vivo (em animais e testes clínicos). À medida que se percorre este caminho, os testes vão se tornando mais caros e complexos, devendo ser restringidos ao menor número de condições possíveis.

*Profa. Da Escola de Engenharia e COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro

TÓPICOS EM BIOMATERIAIS

Editor: Prof. Dr. Petronio Medeiros Lima

Prof. do DEM/CT/UFPA

Contribuições: plima@ufpa.br

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