Introdução aos Biomateriais e Suas Propriedades

Introdução aos Biomateriais

• Biomateriais são empregados em intervenções clínicas para a recuperação ou substituição de tecidos e órgãos danificados.
• Incluem implantes (temporários ou permanentes), sistemas de suporte cirúrgico e dispositivos de diagnóstico.

Tipos de Ligação e Propriedades dos Materiais

• Materiais metálicos exibem ligações metálicas com características covalentes ou iônicas, elevando a resistência da ligação e o ponto de fusão.
• Nos polímeros, as ligações covalentes predominam nas cadeias, enquanto as forças de Van der Waals (ligações secundárias) são mais comuns entre as cadeias, resultando em temperaturas de fusão mais baixas.
• Materiais cerâmicos apresentam ligações iônicas e covalentes, o que lhes confere um alto ponto de fusão e inércia química devido à robustez dessas ligações.

Comportamento Mecânico e Ligações Químicas

• Cerâmicos demonstram um alto módulo elástico e fraturam sem deformação plástica devido às ligações iônico-covalentes direcionais.
• Metais possuem módulo elástico mais baixo e exibem deformação plástica, pois a ligação metálica é não direcional.
• Polímeros sofrem maior deformação devido às ligações secundárias, resultando em baixo módulo elástico e fratura.

Geração de Biomateriais

• A primeira geração de biomateriais focava em materiais inertes para evitar reações adversas no organismo, comumente utilizando materiais cerâmicos.
• Metais como aço inoxidável, titânio e cromo-cobalto são selecionados devido à formação de camadas de óxido passivadoras, diminuindo a reatividade.

Definições e Termos Chave

• Biomateriais: Materiais utilizados em implantes, que não são necessariamente de origem biológica.
• Biopolímero: Polímero derivado de fontes renováveis.
• Biocompatibilidade: Capacidade de um material de gerar uma resposta adequada do organismo hospedeiro.
• Dispositivo Médico: Ferramenta, aparelho ou componente usado no diagnóstico, tratamento ou prevenção de doenças.
• Implante: Dispositivo médico inserido total ou parcialmente no corpo, abaixo da superfície epitelial.
• Prótese: Dispositivo que substitui um membro, órgão ou tecido corporal.
• Órtese: Aparelho ortopédico externo destinado ao alinhamento, prevenção ou correção de deformidades.
• Materiais de uso em saúde implantáveis: Materiais projetados para serem introduzidos no corpo humano através de intervenção cirúrgica, com o objetivo de permanecer no local por um período superior a 30 dias.

Aplicações de Biomateriais

• Substituição de ossículos do ouvido médio.
• Reposição de cartilagem.
• Aplicações em próteses mamárias.
• Desenvolvimento de pele sintética.
• Utilização em próteses de quadril.
• Aplicações em próteses de joelho.
• Utilização em próteses de tendão.
• Desenvolvimento de redes protéticas vasculares.
• Fabricação de válvulas cardíacas.
• Produção de lentes intraoculares.

Definição Abrangente de Biomaterial

• Substância farmacologicamente inerte, desenvolvida para implantação ou incorporação em um sistema biológico para tratamento, aumento ou substituição de órgãos ou funções corporais.
• Engloba materiais sintéticos ou naturais destinados a uso a curto ou longo prazo.

Desenvolvimento Histórico dos Biomateriais

• Durante a Idade Média, a Igreja Católica impôs restrições à manipulação de corpos, resultando em uma maior participação dos judeus nos tratamentos médicos.
• A cirurgia robótica representa um avanço tecnológico por permitir intervenções remotas.
• A fluoroscopia possibilita a visualização de imagens de raio-X em tempo real durante procedimentos cirúrgicos.

Gerações de Biomateriais

• Primeira Geração: Materiais estruturais com propriedades mecânicas adequadas, como aço inoxidável naval (316L), titânio e acrílico.
• Segunda Geração: Materiais que promovem uma resposta biológica favorável, como hidroxiapatita e biovidro, facilitando a adesão dos tecidos.
• Terceira Geração: Biomateriais para medicina regenerativa e engenharia de tecidos, incluindo substratos para o crescimento celular e bioimpressão de tecidos e órgãos.

Mercado de Biomateriais

• Nos Estados Unidos, o mercado de biomateriais alcançou US$157 bilhões em 2024, com uma projeção de US$170 bilhões para 2025.
• Estima-se que o mercado global seja três vezes maior que o dos EUA, com uma taxa de crescimento de 7,8%.
• O envelhecimento populacional e a busca por melhor qualidade de vida impulsionam o crescimento do mercado.
• Biomateriais metálicos e poliméricos detêm a maior parte do mercado, com um crescimento notável nos biomateriais naturais.
• Empresas chave incluem BASF, Acordon, Carpenter e Zimmer Biomet.

Custos e Tecnologias

• A inflação médica supera a inflação geral devido a novos procedimentos e tecnologias.
• Pesquisas visam aprimorar o desempenho dos materiais, reduzir custos e desenvolver tecnologias minimamente invasivas.
• O desenvolvimento de novos materiais enfrenta longos prazos e altos custos.

Avaliação de Biomateriais

• Avaliação físico-química, cultural celular, em animais e ensaios clínicos em pacientes.
• Avaliação da compatibilidade com fluídos corporais (plasma, saliva, etc.) e respostas a solicitações mecânicas (tração, compressão, etc.) em diferentes condições (pH, temperatura).
• Propriedades físico-químicas, como estrutura, composição, forma, rugosidade e porosidade, são cruciais.
• Esterilização é um parâmetro chave que pode alterar as propriedades do material.

Normas e Ensaios

• Ensaios in vitro: Emo compatibilidade (ISO 10993-4), citotoxicidade (ISO 10993).
• Ensaios in vivo: Implantes subcutâneos e intramusculares seguindo normas como a ISO 10993-1.
• A ISO 10993-1 é crucial para avaliar a resposta biológica do tecido hospedeiro e orientar quais ensaios realizar.

Citotoxicidade

• Avaliação da toxicidade de um material por meio do contato com células, observando crescimento, viabilidade e proliferação.
• Ensaios de contato direto e indireto são realizados, utilizando extratos do material.
• A citotoxicidade é avaliada quantitativamente por meio do índice de alocação mutacional (IAM), variando de 0 (nenhuma ação) a 5 (envolvimento total da placa).
• Resultados de citotoxicidade devem ser ponderados e analisados em conjunto com outros ensaios e levando em consideração o uso pretendido do material.