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LABIOMEC O uso de biomateriais cerâmicos e poliméricos em implantes com auxílio da prototipagem rápida Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia Departamento de Engenharia de Materiais FEM-UNICAMP

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O uso de biomateriais cerâmicos e poliméricos em implantes com auxílio da prototipagem rápida

Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia Departamento de Engenharia de Materiais

FEM-UNICAMP

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Sumário da Apresentação

1. Labiomec2. Equipe3. Atividades principais dentro do INCT 4. Prototipagem rápida auxiliando o

preenchimento de defeitos crânio-faciais5. Futuro

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Laboratório de Biomateriais e Biomecânicada Faculdade de Engenharia Mecânica da

UNICAMPPrincipais linhas de pesquisa:

BiomateriaisBiomecânica

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Biomateriais

Desenvolvimento e caracterização de biomateriais Biomateriais metálicos (ligas de titânio) ( parceria com CTA)Biomateriais cerâmicos (biocerâmicas): hidroxiapatita -TCP e cimentos de fosfato de cálcio ( parceria com UFRGS)Biomateriais poliméricos: hidrogéis (pHEMA e PVAl) e polímeros bioreabsorvíveis (PGA, PLLA, PLGA, PCL); blendas e compósitos ( parcerias com PUC SP, FCM e FEQ)

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BiomateriaisRecobrimentos cerâmicos: carbono tipo diamante, dióxido de titânio e hidroxiapatita ( parceria com IFWG)Suportes porosos para engenharia de tecidos ( parceria com FCM, EESC-USP)Prototipagem rápida aplicada aos biomateriais ( parceria com CTI)Avaliação biológica in vitro e in vivo( parcerias com Sobrapar, FCM e UNIFESP)Avaliação de implantes ortopédicos (Participante da Rede Multicêntrica de Avaliação de Implantes Ortopédicos - REMATO)

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Biomecânica

Sistemas de retenção para crianças em veículos

Ergonomia e segurança dos acentos infantis

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Equipe

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Equipe: professores da FEM

Nome Formação Área de atuação

Cecília Zavaglia

Eng. materiais

Biocerâmicas

Celso Arruda Eng. mecânico

Cimentos de fosfato de cálcio

Marcos d’Avila Eng. materiais

Polímeros( processamento)

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Equipe: pos- doutorandos

Nome Formação Área de atuação

Carmo R.P. Lima

Eng. mecânico

Ligas de titânio( caracterização)

Cristiane B. Ulbrich

Eng. mecânica

Prototipagem rápida

Elisabete S. Sanchez

Química Polímeros(processamento e caracterização )

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Equipe: doutorandos

Nome Formação Área de atuação

Christiane L. Salgado

Dentista Polímeros bioreab. para engenharia de tecidos ósseos ( concluindo)

Mariana Motisuke

Eng. química Cimentos de fosfato de cálcio ( concluindo)

Cláudio C. Carvalho

Médico e eng. Mec.

Dispositivos para liberação de fat. de crescimento ósseo ( concluindo)

Leonardo Rodrigues

Tecnólogo mecânico

Compósitos nanoestruturados cerâmica-cerâmica ( iniciando)

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Equipe: mestrandos em fase de conclusão

Nome Formação Área de atuação

Carlos H. Villela Dentista Protocolo tridimen-sional para o diagnóstico de assimetria facial

Gisela Martinez Dentista Scaffolds de compósitos HA-TiO2

Lonetá Lima Química Falhas em instrumentação cirúrgica

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Equipe: mestrandos iniciando

Nome Formação Área de atuação

Hugo A. Cardoso

Eng. Mec. Desenvolvimento e Caracterização de Cimento de Alfa-TCP com Reagentes Obtidos em Laboratório

Kátia L. Silva

Eng. Civil Compósitos nano-estruturados ( Al2O3-ZrO2)

Danielle F. Feliciano

Bióloga Scaffolds caprolactona( SLS)

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Equipe: mestrandos iniciando

Nome Formação Área de atuação

Fernanda H. Santos

Dentista Scaffolds hidrogéis( fab&home)

Guinéa Cardoso Dentista Scaffolds de Policaprolactona Reforçados com Fibras e Whiskers de Hidroxiapatita

Zenaide Solomão Química Membranas densas e prorosas de Poli caprolactona- β-TCP

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Equipe :Alunos de graduação fazendo estágio no exterior, que irão entrar no mestrado

Nome Formação ( concluindo)

Área de atuação

Sérgio Ramos Eng. de Materiais

Produção de scaffolds cerâmicos e poliméricos por electrospinning

Priscilla Brandão Silva

Eng. mecânica

Compósitos Poli caprolactona- β-TCP

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Equipe: colaboradores de outras instituições

Nome Formação Área de atuação

Vinicius A.R. Henriques

Eng.(CTA) Desenv. ligas de titânio por metalurgia do pó

Carlos de Moura Neto

Eng. Aeronáutico (CTA)

Ligas de titânio

Ana Beatriz A. Almeida

Bióloga(Sobrapar)

Ensaios in vivo, eng. de tecidos

Samuel H. Barbanti

Eng. Químico e Médico

Pol. bioreb. e eng. de tecidos

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Biomateriais

BiomateriaisImplantes

Autógenos(enxerto ósseo)

Cerâmicas

Sintéticos

Compósitos

Metais

Biológicos

Homógenos (transplantes)

Heterógenos(pericárdio bovino)

Polímeros

Biotoleráveis

Bioinertes

Bioativos

Bioreabsorvíveis

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articulação para maxilar

marcapassoarticulação de cotovelo

pinosde material polimérico

articulação de quadril

articulação de joelho

parafusos para fixação de

fraturas

dispositivointra-uterino

mamas

Exemplos Exemplos dede

Implantes Implantes SintéticosSintéticos

lentes intra-oculares

implantes dentárioscoração temporárioválvulas cardíacas

tubo para diálise

pênis e testículos

ligamentos de joelho

articulação e dedos

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Atividades do Labiomec dentro do INCT Biofabris

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Atividades

1. Desenvolvimento e caracterização de biomateriais para preenchimento de defeitos ósseos ( pelo método indireto) – próteses maciças

2. Desenvolvimento e caracterização de biomateriais bioreabsorvíveis para a confecção de próteses porosas para engenharia de tecidos

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Atividades ( continuação)

3. Utilizar os biomateriais aqui desenvolvidos diretamente nos equipamentos de prototipagem rápida

4. Fazer scaffolds diretamente nos equipamentos de prototipagem rápida, com os biomateriais desenvolvidos

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Objetivos dentro do INCT Biofabris

Desenvolvimento e caracterização de biomateriais para ortopedia e odontologia ( tecidos ósseos))

Materiais cerâmicosPolímeros e compósitosLiga de titânio biomédica

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Materiais cerâmicos

• Materiais para preenchimento de defeitos ósseos:hidroxiapatita, TCP, cimentos de fosfato de cálcio compósitos cerâmica-cerâmica, como por exemplo: HA+ZrO2, HA+ TiO2,HA+Al2O3, ZrO2+Al2O3

• Revestimentos cerâmicos sobre metais: hidroxiapatita e TiO2 sobre ligas de titânio

por aspersão térmica a plasma e Carbono DLC sobre ligas de titânio por imersão a plasma.

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Novos Materiais Metálicos

Ligas de titânio biomédicas ( com elementos de liga mais inertes que a liga aeronáutica)Exemplos: Ti-13Nb-13Zr , fornecida por Vinicius Henriques do CTA- por metalurgia do pó

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Biomateriais Poliméricos

Polímeros :Poli( - Hidróxi ácidos) Poli ( L- ácido láctico) (PLLA) Poli ( ácido glicólico) (PGA) Poli ( caprolactona) (PCL) Poli ( para-dioxanona) ( PPD)Blendas ( poli- caprolactona com poli (ácido sebácico)Hidrogéis ( para substituir cartilagem)Poli ( HEMA) (PVAI) e blendas

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Novos Biomateriais Não Metálicos

Biocerâmicas:Cimentos de Fosfato de CálcioCompósitos Cerâmica-CerâmicaExemplos :

alumina-zircônia hidroxiapatita-zircônia hidroxiapatita-titânia hidroxiapatita-alumina

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Cimento de Fosfato de Cálcio (CFC)

Um cimento CFC pode ser preparado misturando-se um sal de fosfato de cálcio com água ou com uma solução aquosa para que se forme uma pasta que possa reagir à temperatura ambiente ou corporal a fim de dar lugar a um precipitado que contenha um ou mais fosfato de cálcio e dê pega por meio do intercruzamento dos cristais deste precipitado.

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Cimento de Fosfato de Cálcio (CFC)

Os cimentos de fosfato de cálcio são constituídos por um componente ácido e outro básico, os quais, quando se misturam com água, reagem para formar um ou vários produtos com uma acidez intermediária à dos produtos de partida.

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Vantagens do Cimento de Fosfato de Cálcio

não é necessário de dar forma à cavidade;mínima cavidade;o fato de sua preparação ser realizada durante o ato cirúrgico; um ótimo contato entre osso e implante;biocompatibilidade e bioatividade.

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Requisitos ideais de um CFC para reparações ósseas :

O tempo requerido para a mistura deve ser curto: 1 min ou menos

O tempo de pega deve ser tal que permita a manipulação apropriada do material sem ser demasiadamente longo: a pega deve iniciar-se por volta de 5 min e finalizar-se entre 15 ou 20 min;

O tempo de preparo da massa (tempo durante o qual se pode moldar o material sem afetar sua resistência final) deve ser próximo ao tempo de pega inicial: por volta de 5 min; 

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Requisitos ideais de um CFC para reparações ósseas ( cont.):

O tempo de coesão (o momento a partir do qual o cimento não se incha nem se desintegra em contato com os fluidos corporais) deve ser mais curto que o tempo de preparo e de pega inicial.

  A resistência à compressão final deve ser pelo menos similar à do tecido reparado;Não deve produzir calor durante a pega;O pH deve ser neutro (6,5 - 8,5) durante e depois da pega para evitar efeitos citotóxicos.

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Compósitos cerâmica- cerâmica desenvolvidos

hidroxiapatita-zircônia ( 50%-50%)

hidroxiapatita-titânia (50%-50%)

hidroxiapatita-alumina( 40%-50%)

Alumina –zircônia ( diversas composições)

Possibilidades de aplicações : cabeças de fêmur e acetábulo, pilar cerâmico ( em implantes)

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Engenharia de tecidos

A engenharia de tecidos é um novo ramo da ciência voltada para a pesquisa e desenvolvimento(P&D) de substitutos biológicos de reparação, reconstrução e regeneração de tecidos

É uma área de pesquisas multidisciplinar, que envolve a medicina, a biologia e a engenharia

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Engenharia de tecidos

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O princípio metodológico mais utilizado, para se fazer engenharia de tecidos, envolve as seguintes etapas:

1ª Etapa)Construção de arcabouços tridimensionais, biocompatíveis, porosos e biodegradáveis, chamados também de “Scaffolds”. Entre os arcabouços(ou scaffolds) mais usados, tem - se:os polímeros sintéticos bioreabsorvíveis (PLLA, PGA e PLGA)os polímeros naturais (colágeno e derivados do ácido hialurônico)os cerâmicos (hidroxiapatita, beta fosfato tricálcico, biovidros.

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Continuação:

2ª)Etapa: O cultivo de células em ambiente

laboratorial próprio. Há dois tipos de células cultivadas: as

células maduras e diferenciadas (condrócitos ou osteócitos isolados de uma área doadora, exemplo: condilo femural; e as células tronco mesenquimais indiferenciadas adultas (origem:medula óssea , tecido gorduroso e sangue).

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Continuação:

3ª) Etapa: Adição de fatores de crescimento à matriz. Os fatores mais usados são as BMPS ( proteínas morfo-genéticas) que podem ser de origem animal, como as BMPs bovinas, ou de origem recombinada (tecnologia do DNA recombinante).

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Continuação:4ª) Etapa:

Implantação do arcabouço no local da lesão. Este arcabouço pode ser implantado de várias formas a saber :

a) Implantado sozinho b) Implantado juntamente com as células

cultivadas fora do paciente (semeadas sobre o arcabouço).

c) Implantado associado com fatores de crescimento (proteína morfogenética do osso(BMP), fator de crescimento derivado de plaquetas (PDGF) e outros

 

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Desenvolvimentos realizados sobre scaffolds

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MEVs de Scaffolds de PLGA, respectivamente com 8, 20, 32, 52 semanas

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MEVs de Scaffolds de PCL, respectivamente com 8, 20, 32, 52 semanas

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Exemplos de Scaffols cerâmicos ( HA-TiO2)

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Membranas porosas de compósito poli(-caprolactona) e -fosfato tricálcico produzidas pela dissolução em clorofórmio

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Corpos de prova 50%HA-50%TiO2

1250°C

1300°C

1350C

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Exemplo de scaffold metálico : espuma de titânio expandida a vácuo

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Prototipagem rápida auxiliando o preenchimento de defeitos

crânio-faciais

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Definição do ProblemaReconstrução CraniofacialFEM

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Futuro

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Futuro do nosso trabalho Continuar os estudos in vitro e in vivo dos biomateriais em desenvolvimento : a)biocerâmicas ( cimentos de fosfatos de cálcio, compósitos HA-ZrO2, Al2O3- ZrO2)b) polímeros e compósitos c)ligas de titânio biomédicas para futuramente serem utilizadas pelos cirurgiões que participam deste projeto.Continuar o desenvolvimento da engenharia de tecidos para aplicações em preenchimento de defeitos ósseos.Junto com equipe do CTI e EESC-USP, fazer protótipos diretamente com ) materiais biocompatíveis

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FEM

Obtenção de Próteses Personalizadas

Envisiontec - Bioplotter