Materiais Cerâmicos Ciência e aplicação como Biomateriais

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1 Materiais Cerâmicos Ciência e aplicação como Biomateriais

2 Sumário Introdução Processamento de materiais cerâmicos Propriedades mecânicas Cerâmicas utilizadas como biomateriais

3 Introdução A característica comum a estes materiais é serem constituídos de elementos metálicos e elementos não metálicos, ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente. Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão. São geralmente isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos, em faixas específicas de temperatura). São comumente estáveis sob condições ambientais severas. Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis. Os principais materiais cerâmicos são: Materiais Cerâmicos Tradicionais : cerâmicas estruturais, louças, refratários (provenientes de matérias primas argilosas). Vidros e Vitro-Cerâmicas. Abrasivos. Cimentos. Cerâmicas Avançadas : aplicações eletro-eletrônicas, térmicas, mecânicas, ópticas, químicas, bio-médicas.

4 Classificação Convencionais Estruturais Vidros Louças Cimentos Avançadas Eletrônicos Ópticos Biomateriais

5 Introdução Óculos Fibra óptica para biosensores e endoscópios Suportes porosos para biomoléculas Cerâmicas usadas em odontologia, para dentaduras e coroas Implantes Geralmente utilizados para reparo em tecidos conectivos duros do esqueleto

6 Aplicações

7 Aplicações

8 Processamento de Cerâmicas

9 Processamento de Cerâmicas - Vidros vidro fundido placa de vidro molde ar comprimido queimador vidro fundido

10 Processamento de Cerâmicas Muitos materiais cerâmicos têm elevado ponto de fusão e apresentam dificuldade de conformação passando pelo estado líquido. A plasticidade necessária para sua moldagem é conseguida antes da queima, por meio de mistura das matérias primas em pó com um líquido. PROCESSAMENTO Preparação da matéria prima em pó. Mistura do pó com um líquido (geralmente água) para formar um material conformável : suspensão de alta fluidez ( barbotina ) ou massa plástica. Conformação da mistura (existem diferentes processos). Secagem das peças conformadas. Queima das peças após secagem. Acabamento final (quando necessário).

11 Processamento de Cerâmicas

12 Secagem de Peças Cerâmicas Na secagem ocorre perda de massa e retração pela remoção gradativa de umidade. A peça seca pode passar por uma etapa de acabamento: acabamento superficial e montagem das peças (por exemplo, asas das xícaras). aplicação de esmaltes ou vidrados.

13 Queima das Peças As peças são queimadas geralmente entre 900 o C e 1400 o C. Esta temperatura depende da composição da peça e das propriedades desejadas. Durante a queima ocorre um aumento da densidade e da resistência mecânica devido à combinação de diversos fatores. Na queima ocorrem os seguintes fenômenos: Eliminação do material orgânico (dispersantes, ligantes, material orgânico nas argilas) decomposição e formação de novas fases de acordo com o diagrama de fases (formação de alumina, mulita e vidro a partir das argilas) Sinterização (eliminação da porosidade e densificação)

14 Sinterização

15 Comportamento Mecânico de Cerâmicas Apresentam maior módulo de elasticidade (ligações químicas mais fortes) Baixas densidades Duros Baixa ductibilidade (em geral frágeis) As cerâmicas apresentam intrinsicamente uma enorme resistência ao movimento das discordâncias

16 Deformação plástica em cerâmicas Cerâmicas Cristalinas: O deslocamento de discordâncias é muito difícil íons com mesma carga elétrica são colocados próximos uns dos outros REPULSÂO; No caso de cerâmicas onde a ligação covalente predomina o escorregamento também é difícil LIGAÇÃO FORTE. Cerâmicas Amorfas: Não há uma estrutura cristalina regular NÃO HÁ DISCORDÂNCIAS; Materiais se deformam por ESCOAMENTO VISCOSO. A resistência à deformação em um material não-cristalino é medida por intermédio de sua viscosidade.

17 Comportamento Mecânico de Cerâmicas Materiais essencialmente frágeis e apresentam fratura frágil Resistência de cerâmicas é definida em termos da resistência à fratura Resistência à fratura teórica pode ser definida como a tensão necessária para quebrar as ligações atômicas O valor teórico é muito maior que o medido experimentalmente presença de defeitos

18 Comportamento tensão-deformação Não é avaliado por ensaio de tração: É difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida; É difícil prender e segurar materiais frágeis; As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que exige que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados.

19 Resistência à flexão F b d a a D X-Section L Flexão com 3 pontos

20 Comportamento elástico 300 Aluminum Oxide Bending Stress, MPa Soda-Lime Glass Bending Strain

21 Comportamento Mecânico de Cerâmica Segundo a Teoria de Griffith a fratura ocorre devido à concentração de tensões na ponta de trincas ou outros defeitos Metais a deformação plástica na ponta da trinca age no sentido de diminuir o efeito de intensificação de tensões Cerâmicas quando a tensão na ponta da trinca atinge um valor crítico, ela continua a propagar-se

22 Tenacidade a Fratura Modelo de Griffith: Todos os materiais contêm trincas ou defeitos. K c ou K IC tenacidade à fratura (MN m -3/2 ) A falha ocorre quando K excede o valor crítico do material G c tenacidade (ás vezes, taxa de liberação de energia de deformação crítica) (kj m -2 )

23 K = σ πa = EG c c Tenacidade a fratura indica a facilidade com que uma trinca se propaga num dado material

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25 Tenacidade a Fratura Obtenção de cerâmicas de tamanho de grão expecionalmente finos e de alta densidade; Introdução de tensões residuais de compressão na superfície dos materiais onde as trincas têm maior probabilidade de se iniciar vidro temperado Envolvimento de partículas cerâmicas com uma fase mais tenaz Desenvolvimento de compósitos de matriz cerâmica com partículas ou fibras cerâmicas dispersas Aumento de tenacidade por transformação de fase cerâmicas a base de zircônia

26 Cerâmicas usadas na medicina Elevada estabilidade química, biocompatibilidade melhor do que os metais e excelentes propriedades tribológicas Utilizados normalmente para reparo e substituição dos tecidos conectivos duros

27 Interação do biomaterial Resposta dos tecidos aos implantes Reabsorvíveis: o material dissolve ou é decomposto, o tecido vizinho o substitui Ex: fosfato de tricálcio e os vidros bioativos Inertes: Formação de cápsulas fibrosas em torno do implante Ex: óxidos de Al, Ti, Zr Bioativo: Formação de ligação interfacial Ex.: Hidroxiapatita

28 Biocerâmicos Fixação aos tecidos Denso (não poroso) e inerte: osso cresce nas irregularidades da superfície, ajuste sob pressão no defeito ou cimentação - fixação morfológica Movimento relativo entre o material e a cápsula - causam falha Poroso e inerte: tecido cresce intenamente aos poros do material (fixação biológica) Mais estável, estruturalmente fraco (rachaduras de corrosão), melhores como revestimento, Denso, não poroso e com superfície reativa: ligação química ao osso (fixação bioativa) Superfície ativa, biovidros, HA, e compósitos Densos, não porosos e reabsorvíveis: substituição lenta pelo osso Taxa de reabsorção, metabólicos (fosfato tricálcico)

29 Cerâmicas Inertes Nenhum material é realmente inerte quase inertes Não são solúveis no meio fisiológico estáveis com o tempo Fixação através de ancoramento mecânico Uma cápsula fina de tecido fibroso se forma em torno do implante Alumina, Zircônio e materiais a base de carbono

30 Alumina Pode ser utilizada na forma densa ou porosa α-al 2 O 3 policristalina, produzida por prensagem e sinterização em torno de 1600ºC Utilizada principalmente em ponto de apoio de carga em próteses de quadril e implantes dentais resistência à corrosão, boa biocompatibilidade, alta resistência à abrasão e alta resistência mecânica à compressão

31 Propriedades da Alumina Propriedade Valor % Al 2 O 3 99,50 % SiO 2 + Na 2 O < 0,1 Densidade (g/cm 3 ) 3,90 Tamanho médio de grão (μm) < 7 Dureza Vickers (HV) > Módulo de ruptura à flexão (MPa) >400

32 Alumina Aplicação

33 Alumina Quando utilizadas em prótese de quadril devem ser polidas conjuntamente (esfera e acetápulo) para permitir um elevado grau de esfericidade e baixo grau de fricção entre as duas superfícies O coeficiente de fricção das superfícies alumina-alumina tende a diminuir com tempo se aproximando de valores próximo aos de articulação normal Ocorre adsorção de moléculas biológicas

34 Zircônia ZrO 2 Possui maior tenacidade à fratura, maior resistência mecânica à flexão e menor módulo de elasticidade Tipos de Zircônia para implantes: Zircônia tetragonal estabilizada com ítria (TZP) Zircônia parcialmente estabilizada com magnésia (Mg-PSZ)

35 Propriedades Propriedade Al 2 O 3 TZP Mg-PSZ Resist. Flexão (MPa) Resist. à Compressão (MPa) Módulo de elasticidade (MPa) Tenacidade à fratura (MN/m 3/2 ) 5 7 8

36 Zircônia Poderia ser um candidato para substituição da Alumina onde o material seja submetido a cargas e abrasão, mas: Possível redução da resistência dos material quando submetido a meios fisiológicos Desgaste mais acentuado quando em meio fisiológicos Radioatividade do material presença de impurezas radioativas

37 Carbono Três tipos de carbonos são utilizados em equipamentos médicos: Carbono pirolítico (contém 20% de sílica) Carbono vítreo Carbono depositado por vapor Em contraste com o grafite têm empilhamento desordenado, não havendo orientação preferencial dos cristalitos Alta resistência a tração e deformações em baixos valores de tensões

38 Carbono Pirolítico é obtido através da deposição de carbono, a partir de um leito fluidizado, em um substrato. O leito fluidizado é formado a partir da pirólise de gás hidrocarbônico em temperaturas na faixa de C Produz uma camada de até 1mm de espessura sobre o substrato

39 Carbono Vítreo Aparência negra e brilhante Material cristalino com reduzido tamanho de grão Obtido pelo aquecimento controlado de corpos poliméricos, permitindo a saída de materiais voláteis

40 Carbono depositado por vapor Evaporação de átomos de carbono de uma fonte de carbono aquecida, condensada sobre um substrato cerâmico, metálico ou polimérico Espessura do recobrimento cerca de 1μm Não modifica a topografia ou as propriedades do substrato e ainda confere biocompatibilidade ao material

41 Propriedades Mecânicas É possível a obtenção de materiais com baixo módulo de elasticidade (20GPa) e alta resistência mecânica (275 a 620MPa) Deformações ~ 2% sem ocorrer fratura do material Extremamente tenazes (carbono pirolítico - 5,5MJ/m 3 ; Alumina - 0,18MJ/m 3 ) Deformação de fratura do carbono depositado a vapor é superior a 5,0% Alta resistência ao desgaste

42 Aplicação Próteses, sendo que, no caso do carbono pirolítico, é muito comum a utilização em válvulas cardíacas e camadas cardiovasculares. Propriedades que tornam este material apropriado para este uso incluem boa resistência, durabilidade e, mais importante, trombo-resistência, ou habilidade de suportar coagulação sangüínea Carbono pirolítico também é utilizado em pequenas juntas ortopédicas como dedos e inserções espinhais

43 Cerâmicas Bioativas Material capaz de ligar-se ao tecido ósseo Formação de uma camada de hidroxiapatita carbonatada (HCA) na superfície do implante fase equivalente em composição e estrutura à fase mineral do osso Principalmente na recuperação ou substituição de ossos Vidros biotaivos Vitrocerâmicos Cerâmicas de fosfato de cálcio

44 Vidros O vidro projetado para provocar uma específica resposta biológica através de reações controladas de superfície Composição: CaO, P 2 O 5 e Na 2 O SiO 2 (Bioglass) Possibilita a ligação do tecido ósseo por meio da deposição de uma camada HCA

45 Vidros Seqüência de reações: Perda de sílica solúvel e formação de silanol (Si- OH); Policondensação de grupos silanol para formar um gel de sílica hidratada Formação de uma camada de fosfato de cálcio amorfa Cristalização de uma camada de HCA

46 Vidros Composição altamente reativa SiO 2 menos de 60% Na 2 O e CaO em níveis elevados CaO/P 2 O 5 Relação elevada

47 Vidros

48 Vidros Podem ser obtidos pelo método convencional de fusão e resfriamento rápido ou pelo método sol-gel Temperaturas mais baixas Controle da estrutura de poros do gel, de acordo com a biotividade e biodegradabilidade desejada Até 100% SiO 2 ampla área superficial e grande concentração de grupos silanol

49 Vidros Dois métodos sol-gel: Transformação de suspensões coloidais em gel Hidrólise e condensação controlada de percursores de alcóxidos metálicos Criação de uma rede tridimensional, interconectada, denominada gel, a partir de uma suspensão de partículas pequenas, colidais (partículas menores que 100nm), chamada sol

50 Vitrocerâmicas bioativas Vitrocerâmicos vidro contendo fases cristalinas numa matriz vítrea por meio de tratamentos térmicos Ceravital - inicialmente aplicações em locais solicitados por cargas, substituição de ossos ou dentes baixas propriedades mecânicas Mica ou wolastonita usinadas facilmente por meio de ferramentas diamantadas melhores propriedades mecânicas

51 Vidros e Vitrocerâmicas bioativas

54 Fosfatos de cálcio Utilizado na substituição do tecido ósseo ocorre em conseqüência da identidade em termos de composição Favorece a interação tecido vivo e o material Classificação razão molar Ca/P

55 Fosfatos de cálcio

56 Hidroxiapatita Principais aplicações: Reparo de defeitos ósseos em aplicações odontológicas e ortopédicas; Aumento de rebordo alveolar; Coadjuvante na colocação de implantes metálicos; Regeneração guiada de tecidos ósseos; Equipamentos percutâneos; Reparo e substituição de paredes ósseas; Substituição do globo ocular; Reconstrução bucomaxilofacial; Recobrimento de implantes metálicos.

57 Cimentos de fosfato de cálcio O cimento ósseo é colocado nos espaços vazios entre o implante e a superfície óssea endosteal, endurecendo em pouco tempo e assegurando a firme colocação da protése Principais vantagens: Não é necessário dar forma à cavidade; Preparação realizada durante a cirurgia; Ótimo contato entre osso e implante; Biocompatibilidade e bioatividade.

58 Formas de Uso e aplicações clínicas

59 Formas de Uso e aplicações clínicas Utilizado na forma de pó com composição e granulometria controladas implantado na região lesada do tecido ósseo função principal é preencher o espaço e participar do processo de regeneração natural do tecido utilizadas na forma de implantes e próteses alto módulo de elasticidade e baixa tenacidade a fratura

60 Formas de Uso e aplicações clínicas Combinação com outros materiais de forma a melhorar o comportamento mecânico, mantendo as características bioativas Recobrimento de peças metálicas Combinação de partículas ou fibras com um material polimérico

61 Cerâmicas Porosas Dá suporte à parte fisiologicamente ativa no reparo do tecido natural Poros interconectados com tamanho suficiente para que possa hospedar componentes celulares e extracelulares dos ossos crescimento do tecido Fixação biológica Fixação bioativa

62 Cerâmicas Porosas Aplicação: Recobrimento porosos em implantes metálicos Preenchimento de defeitos ósseos em geral Engenharia de tecidos Principais materiais: Fosfatos de cálcio Vidros bioativos, alumina, titânia Alguns materiais metálicos (Ligas Co-Cr e Ti) Polímeros (PE e PMMA)