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MATERIAIS CERÂMICOS

MATERIAIS CERÂMICOS. Biomateriais. Classificação dos materiais cerâmicos baseada na aplicação. PROPRIEDADES. dureza resistência a abrasão refratariedade isolamento térmico isolamento elétrico não magnético resistência a oxidação quimicamente estável. frágil.

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MATERIAIS CERÂMICOS

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Presentation Transcript

  1. MATERIAIS CERÂMICOS Biomateriais

  2. Classificação dos materiais cerâmicos baseada na aplicação

  3. PROPRIEDADES • dureza • resistência a abrasão • refratariedade • isolamento térmico • isolamento elétrico • não magnético • resistência a oxidação • quimicamente estável • frágil

  4. USO 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

  5. Biocerâmicas Densas

  6. Biocerâmicas Porosas

  7. Biocerâmicas Vidro e vitro-cerâmicas

  8. Biocerâmicas Recobrimentos

  9. Composições de Biocerâmicas Categoria Exemplo Óxidos simples Alumina, zircônia Covalentes Carbono LTI, TiN, SiC*, Si3N4* Sais de cálcio Hidroxiapatita, fosfatos de cálcio, tri-fosfato de cálcio, etc. Silicatos Biovidros Vitro-cerâmicas Apatita/Wollastonita (A/W) Compósitos A/W vitro-cerâmica com adição de zircônia tetragonal

  10. FORMA FASE FUNÇÃO pópolicristalina preenchimento, tratamento terapêutico, vítrea regeneração de tecidos recobrimentopolicristalina ligação tecidual, tromboresistência, pro- vítrea teção contra corrosão vitro-cerâmica sólido cristalina substituição e aumento de tecido, substi- policristalinatuição de partes de tecidos vítrea vitro-cerâmica compósito FORMA, FASE E FUNÇÃO DAS BIOCERÂMICAS Larry L. Hench, 1993

  11. BIOCERÂMICAS BIOINERTES E/OU BIOTOLERÁVEIS

  12. Propriedades Alumina Y-TZP zircônia Mg-PSZ zirconia Comp. Química Densidade Tipo de material Norma Módulo elástico Dureza Resist. a compr. Resist. a flexão Tenac. fratura Tam. de grão 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 GPa 1250 HV > 900 MPa 8 MPa m1/2 < 0.5 m ZrO2 + MgO zirconia parcial/te estabilizada 210 GPa 1250 HV 0.1 > 500 MPa 10 MPa m1/2 30 m Óxidos

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. ZIRCÔNIA • Composição - ZrO2 • Estabilização da fase - CaO, MgO, Y2O3 • Estrutura - policristalina • Fases - tetragonal, monoclínica, cúbica • Formas de Aplicação - densa, como material estrutural

  18. Óxido de zircônio - fases Fase Monoclínica Tetragonal Cúbica Temperatura de transformação (°C) 1000-2000 2000-2280 > 2280 Densidade (g/cm3) 5.56 6.10 (calc);5.72 (exp) 6.09 • Transformação tetragonal-monoclínica no resfriamento (1000800°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

  19. ZIRCÔNIA • 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

  20. BIOCERÂMICAS BIOTIVAS • biovidro • vitrocerâmicas • Fosfatos: HA, TCP, cimentos, recobrimentos

  21. Vidros Bioativos (Larry L. Hench 1968) • 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. bioatividade = habilidade de ligação com os tecidos moles e duros

  22. BIOVIDRO • Composição - SiO2, Na2O, CaO, P2O5, CaF2 • Processamento - vidros fundidos - vidros por sol-gel

  23. 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% sílica Vidros por sol-gel: bioativos até 85% sílica

  24. Processamento: Vidros Fundidos Peças densas: • Fusão de sílica, soda, cálcio e outros óxidosde 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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.

  28. Vitro-Cerâmicas • Cerabone A/W • Ceravital • Bioverit

  29. 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

  30. BIOVIDRO Aplicações • raiz dentária, para minimizar absorção alveolar • espaçadores da vértebra • reconstrução maxilofacial • reconstrução do ouvido médio • preenchimento de defeitos ósseos • recobrimento

  31. Formas de aplicação • densa de tamanho reduzido (fusão), como material de baixa solicitação mecânica • partículas ou grânulos (20-700m) • compósito polímero-vidro • sistemas injetáveis com veículo solúvel • recobrimentos • vidros por sol-gel dopados com Ag (bactericida), proteínas e fatores de crescimento

  32. Hidroxiapatita (HA) • 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

  33. Propriedades Densidade Resistência a compressão Resistência a flexão Tenacidade a fratura Móduloelástico Dureza Ponto de fusão Bioativo, Osteocondutor Cor Valorpadrão 3.16 g/cm3 (teórica) 100--200 MPa < 100 MPa < 1 MPa m1/2 max. 100 GPa 500 HV 1650 °C Branca, azulada Observação HA é sempreporosa Dependedaporosidade Similar a do vidro de janela Dependedaporosidade Similar aovidro de janela Decomposição > 1300 °C Interage com o meio fisiológico Depende da matéria-prima Propriedades da HA

  34. 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

  35. 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

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