Biocerâmica - Bioceramic

Um grânulo biocerâmico poroso de uma composição de cálcio ortobiológica fabricado pela Cam Bioceramics

Biocerâmicas e biovidros são materiais cerâmicos biocompatíveis . Biocerâmicas são um subconjunto importante de biomateriais . As biocerâmicas variam em biocompatibilidade desde os óxidos cerâmicos , que são inertes no corpo, até o outro extremo dos materiais reabsorvíveis, que são eventualmente substituídos pelo corpo após terem sido reparados. A biocerâmica é usada em muitos tipos de procedimentos médicos. As biocerâmicas são normalmente utilizadas como materiais rígidos em implantes cirúrgicos , embora algumas biocerâmicas sejam flexíveis. Os materiais cerâmicos usados ​​não são iguais aos materiais cerâmicos do tipo porcelana . Em vez disso, as biocerâmicas estão intimamente relacionadas aos materiais do próprio corpo ou são óxidos de metal extremamente duráveis .

História

Antes de 1925, os materiais usados ​​na cirurgia de implante eram principalmente metais relativamente puros. O sucesso desses materiais foi surpreendente considerando as técnicas cirúrgicas relativamente primitivas. A década de 1930 marcou o início da era das melhores técnicas cirúrgicas e também do primeiro uso de ligas como o vitálio .

Em 1969, LL Hench e outros descobriram que vários tipos de vidros e cerâmicas podem se ligar a ossos vivos. Hench foi inspirado pela ideia em seu caminho para uma conferência sobre materiais. Ele estava sentado ao lado de um coronel que acabara de voltar da Guerra do Vietnã. O coronel compartilhou que, após um ferimento, os corpos dos soldados muitas vezes rejeitavam o implante. Hench ficou intrigado e começou a investigar materiais que seriam biocompatíveis. O produto final foi um novo material que ele chamou de biovidro . Este trabalho inspirou um novo campo denominado biocerâmica. Com a descoberta do biovidro, o interesse pela biocerâmica cresceu rapidamente.

Em 26 de abril de 1988, o primeiro simpósio internacional sobre biocerâmica foi realizado em Kyoto, Japão.

Formulários

Prótese de quadril de titânio, com cabeça de cerâmica e copo acetabular de polietileno

A cerâmica agora é comumente usada na área médica como implantes dentais e ósseos . Cermets cirúrgicos são usados ​​regularmente. As substituições de articulações são comumente revestidas com materiais biocerâmicos para reduzir o desgaste e a resposta inflamatória. Outros exemplos de usos médicos para biocerâmicas são em marca- passos , máquinas de diálise renal e respiradores. A demanda global por cerâmicas médicas e componentes cerâmicos foi de cerca de US $ 9,8 bilhões em 2010. Previa-se um crescimento anual de 6 a 7 por cento nos anos seguintes, com o valor do mercado mundial previsto para aumentar para US $ 15,3 bilhões até 2015 e atingir US $ 18,5 bilhões até 2018.

Propriedades mecânicas e composição

As biocerâmicas devem ser utilizadas em sistemas de circulação extracorpórea ( diálise, por exemplo) ou biorreatores projetados; no entanto, eles são mais comuns como implantes . A cerâmica apresenta inúmeras aplicações como biomateriais devido às suas propriedades físico-químicas. Eles têm a vantagem de serem inertes no corpo humano, e sua dureza e resistência à abrasão os tornam úteis para a substituição de ossos e dentes. Algumas cerâmicas também apresentam excelente resistência ao atrito, o que as torna úteis como materiais de reposição para juntas com mau funcionamento . Propriedades como aparência e isolamento elétrico também são uma preocupação para aplicações biomédicas específicas.

Algumas biocerâmicas incorporam alumina (Al ₂ O ₃ ), pois sua vida útil é maior do que a do paciente. O material pode ser utilizado em ossículos de ouvido médio , próteses oculares, isolantes elétricos para marcapassos, orifícios de cateteres e em diversos protótipos de sistemas implantáveis ​​como bombas cardíacas.

Os aluminossilicatos são comumente usados ​​em próteses dentárias, puras ou em compósitos polímero-cerâmicos . Os compósitos cerâmica-polímero são uma forma potencial de preenchimento de cavidades em substituição aos amálgamas suspeitos de apresentarem efeitos tóxicos. Os aluminossilicatos também possuem uma estrutura vítrea. Ao contrário dos dentes artificiais em resina, a cor da cerâmica dentária permanece estável. A zircônia dopada com óxido de ítrio tem sido proposta como substituto da alumina para próteses osteoarticulares. As principais vantagens são uma maior resistência à ruptura e uma boa resistência à fadiga.

O carbono vítreo também é usado por ser leve, resistente ao desgaste e compatível com o sangue. É usado principalmente na substituição da válvula cardíaca. O diamante pode ser usado para a mesma aplicação, mas na forma de revestimento.

As cerâmicas à base de fosfato de cálcio constituem, atualmente, o material substituto ósseo preferido em aplicações ortopédicas e maxilofaciais, pois são semelhantes à fase mineral principal do osso em estrutura e composição química. Esses substitutos ósseos sintéticos ou materiais de suporte são tipicamente porosos, o que fornece uma área de superfície aumentada que estimula a osseointegração, envolvendo a colonização e revascularização celular. No entanto, esses materiais porosos geralmente exibem menor resistência mecânica em comparação com o osso, tornando os implantes altamente porosos muito delicados. Uma vez que os valores do módulo de elasticidade dos materiais cerâmicos são geralmente mais elevados do que os do tecido ósseo circundante, o implante pode causar tensões mecânicas na interface do osso. Os fosfatos de cálcio normalmente encontrados em biocerâmicas incluem hidroxiapatita (HAP) Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ; fosfato tricálcico β (β TCP): Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ; e misturas de HAP e β TCP.

Tabela 1: Aplicações de Biocerâmica

Tabela 2: Propriedades Mecânicas de Biomateriais Cerâmicos

Multiuso

Uma série de cerâmicas implantadas não foram realmente projetadas para aplicações biomédicas específicas. Porém, eles conseguem se inserir em diferentes sistemas implantáveis ​​por causa de suas propriedades e sua boa biocompatibilidade. Dentre essas cerâmicas, podemos citar o carboneto de silício , os nitretos e carbonetos de titânio e o nitreto de boro . TiN tem sido sugerido como a superfície de fricção em próteses de quadril. Enquanto os testes de cultura de células mostram uma boa biocompatibilidade, a análise dos implantes mostra um desgaste significativo , relacionado a uma delaminação da camada de TiN. O carboneto de silício é outra cerâmica moderna que parece fornecer boa biocompatibilidade e pode ser usada em implantes ósseos.

Uso específico

Além de serem utilizadas por suas propriedades tradicionais, as cerâmicas bioativas têm tido uso específico devido à sua atividade biológica . Fosfatos, óxidos e hidróxidos de cálcio são exemplos comuns. Outros materiais naturais - geralmente de origem animal - como biovidro e outros compostos apresentam uma combinação de materiais compostos orgânicos minerais, como HAP, alumina ou dióxido de titânio com os polímeros biocompatíveis (polimetilmetacrilato): PMMA, ácido poli (L-láctico) : PLLA, poli (etileno). Os compósitos podem ser diferenciados em bioreabsorvíveis ou não bioreabsorvíveis, sendo este último o resultado da combinação de um fosfato de cálcio bioreabsorvível (HAP) com um polímero não bioreabsorvível (PMMA, PE). Esses materiais podem se tornar mais difundidos no futuro, devido às inúmeras possibilidades de combinação e sua aptidão em combinar uma atividade biológica com propriedades mecânicas semelhantes às do osso.

Biocompatibilidade

As propriedades da biocerâmica de serem anticorrosivas, biocompatíveis e estéticas as tornam bastante adequadas para uso médico. A cerâmica de zircônia possui bioinércia e não citotoxicidade. O carbono é outra alternativa com propriedades mecânicas semelhantes às do osso e também apresenta compatibilidade com o sangue, nenhuma reação tecidual e não toxicidade para as células. Cerâmicas bioinert não apresentam ligação com o osso, conhecida como osseointegração. No entanto, a bioatividade das cerâmicas bioinertes pode ser alcançada pela formação de compósitos com cerâmicas bioativas. Cerâmicas bioativas, incluindo biovidros, devem ser atóxicas e formar uma ligação com o osso. Em aplicações de reparo ósseo, ou seja, andaimes para regeneração óssea, a solubilidade da biocerâmica é um parâmetro importante, e a taxa de dissolução lenta da maioria das biocerâmicas em relação às taxas de crescimento ósseo permanece um desafio em seu uso corretivo. Não é novidade que muito foco é colocado em melhorar as características de dissolução de biocerâmicas enquanto mantém ou melhora suas propriedades mecânicas. As cerâmicas de vidro apresentam propriedades osteoindutivas, com maiores taxas de dissolução em relação aos materiais cristalinos, enquanto as cerâmicas de fosfato de cálcio cristalino também apresentam não toxicidade aos tecidos e biorresorção. O reforço de partículas de cerâmica levou à escolha de mais materiais para aplicações de implantes que incluem cerâmica / cerâmica, cerâmica / polímero e compósitos de cerâmica / metal. Entre esses compósitos, constatou-se que os compósitos de cerâmica / polímero liberam elementos tóxicos nos tecidos circundantes. Os metais enfrentam problemas relacionados à corrosão e os revestimentos cerâmicos em implantes metálicos se degradam com o tempo durante aplicações prolongadas. Os compósitos cerâmicos / cerâmicos gozam de superioridade devido à semelhança com os minerais ósseos, exibindo biocompatibilidade e prontidão para serem moldados. A atividade biológica da biocerâmica deve ser considerada em vários estudos in vitro e in vivo . As necessidades de desempenho devem ser consideradas de acordo com o local específico de implantação.

Em processamento

Tecnicamente, as cerâmicas são compostas por matérias-primas como pós e aditivos químicos naturais ou sintéticos , favorecendo tanto a compactação (quente, fria ou isostática), a presa (hidráulica ou química) ou a aceleração dos processos de sinterização . De acordo com a formulação e o processo de modelagem usados, as biocerâmicas podem variar em densidade e porosidade como cimentos , depósitos cerâmicos ou compósitos cerâmicos. A porosidade é frequentemente desejada em biocerâmicas, incluindo biovidros. Para melhorar o desempenho das biocerâmicas porosas transplantadas, inúmeras técnicas de processamento estão disponíveis para o controle da porosidade , distribuição do tamanho dos poros e alinhamento dos poros. Para materiais cristalinos, o tamanho do grão e os defeitos cristalinos fornecem outros caminhos para melhorar a biodegradação e osseointegração, que são essenciais para enxertos ósseos eficazes e materiais de transplante ósseo. Isso pode ser conseguido pela inclusão de dopantes de refinamento de grãos e pela transmissão de defeitos na estrutura cristalina por meio de vários meios físicos.

Uma técnica de processamento de materiais em desenvolvimento com base nos processos biomiméticos visa imitar os processos naturais e biológicos e oferecer a possibilidade de fazer biocerâmicas à temperatura ambiente em vez de por processos convencionais ou hidrotérmicos [GRO 96]. A perspectiva de usar essas temperaturas de processamento relativamente baixas abre possibilidades para combinações orgânicas minerais com propriedades biológicas melhoradas por meio da adição de proteínas e moléculas biologicamente ativas (fatores de crescimento, antibióticos, agentes antitumorais, etc.). No entanto, esses materiais têm propriedades mecânicas pobres que podem ser melhoradas, parcialmente, combinando-os com proteínas de ligação.

Uso Comercial

Os materiais bioativos comuns disponíveis comercialmente para uso clínico incluem vidro bioativo 45S5, cerâmica de vidro bioativo A / W, HA sintético denso e compostos bioativos, como uma mistura de polietileno- HA. Todos esses materiais formam uma ligação interfacial com o tecido adjacente.

Biocerâmicas de alumina de alta pureza estão atualmente disponíveis comercialmente por vários produtores. O fabricante britânico Morgan Advanced Ceramics (MAC) começou a fabricar aparelhos ortopédicos em 1985 e rapidamente se tornou um fornecedor reconhecido de cabeças femorais de cerâmica para próteses de quadril. A MAC Bioceramics tem a mais longa história clínica para materiais cerâmicos de alumina, fabricando alumina HIP Vitox® desde 1985. Alguns fosfatos deficientes em cálcio com uma estrutura de apatita foram comercializados como "fosfato tricálcico", embora não exibissem a estrutura cristalina esperada de fosfato tricálcico .

Atualmente, vários produtos comerciais descritos como HA estão disponíveis em várias formas físicas (por exemplo, grânulos, blocos especialmente projetados para aplicações específicas). HA / composto de polímero (HA / polietileno, HAPEXTM) também está disponível comercialmente para implantes de ouvido, abrasivos e revestimento pulverizado de plasma para implantes ortopédicos e dentários.

Tendências futuras

A biocerâmica tem sido proposta como um possível tratamento para o câncer . Dois métodos de tratamento têm sido propostos: hipertermia e radioterapia . O tratamento da hipertermia envolve o implante de um material biocerâmico que contém ferrita ou outro material magnético. A área é então exposta a um campo magnético alternado, que faz com que o implante e a área circundante aqueçam. Alternativamente, os materiais biocerâmicos podem ser dopados com materiais emissores de β e implantados na área cancerosa.

Outras tendências incluem biocerâmica de engenharia para tarefas específicas. A pesquisa em andamento envolve a química, a composição e as micro e nanoestruturas dos materiais para melhorar sua biocompatibilidade.

Veja também

• Tecidos impregnados de cerâmica

Referências