University of Aveiro
Ceramic and Glass Engineering Department
Potencialidades dos biocerâmicos
na área da saúde
José M.F. Ferreira
Departamento de Engenharia de Materiais e Cerâmica, CICECO
Universidade de Aveiro, 3810 –193 Aveiro, Portugal
(http://www.ii.ua.pt/ciceco/)
Jornadas Técnicas da Cerâmica ’15
26-27 de Nov. 2015, Hotel Montebelo, Vista Alegre em Ílhavo.
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Plano
O meu percurso, e os materiais para a saúde
Os benefícios trazidos para esta área pela “ciência” do
processamento
Tipos de biomateriais investigados
Aplicações práticas no mercado real
Biomateriais em vias de certificação/comercialização
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O meu percurso
1971-1972 (20 anos) - 1º Ciclo (à noite, a trabalhar 9h30 mim/dia)
Jul. 1972-Dez. 1974 – Serviço militar (30 meses)
1977-1982 - Licenciatura em ECV, UA
1982-1987 – Assistente Estagiário, DECV-UA
1987-1993 – Assistente, DECV-UA
1989-1993 – PhD – Processamento de SiC por via coloidal
1994-presente - Aplicação do conhecimento a outros materiais, incluindo
óxidos (Alumina, Sílica, Zircónia, Mulite, Cordierite, Espinela -MgAlO4,
PZT, etc.); e não óxidos (Si3N4, AlN, SiAlONs, etc.); fostatos de cálcio,
biovidros, etc.
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Ciência do processamento
Matérias-primas
Processamento
Propriedades
Member of the World Academy of Ceramics 2013
Fellow of the European Ceramic Society 2015
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Limitações das técnicas tradicionais
Prensagem a seco
Conformação plástica
Conformação a húmido
(com remoção de líquido)
Enchimento por barbotina
Enchimento sob pressão
Tape casting
Prensagem;
Extrusão;
Contramoldagem.
Propensos à segregação de partículas
Sedimentação;
Obstrução (partículas finas)
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Técnicas de consolidação directa
Não envolvem remoção de líquido
Shaping I
Conference
(1995)
Our
research
group
Quick Set ®
Direct Coagulation Casting Hydrolysis
Assisted Solidification (HAS)
Gel Casting (GC)
Starch Consolidation (SC)
Drying Induced Forming (DIF)
Temperature Induced Gelation (TIG)
Epoxy Gel Casting
O grau de homogeneidade atingido na suspensão é preservado;
Componentes de formas complexas;
Controlo mais rigoroso da retracção e da densidade ao longo do processo.
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Starch consolidation
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Componentes cerâmicos de formas complexas,
maquináveis em verde, densos ou porosos
Lyckfeldt O; Ferreira JMF. Processing of Porous Ceramics by “Starch Consolidation”,
348 citations
J. Eur. Cer. Soc., 18 (2) (1998) 131-140.
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Drying Induced Forming
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Aplicabilidade limitada
Requer:
Formas planas;
Concentrações de
sólidos muito
elevadas ≥ 70 vol.%
Ferreira JMF; Olhero SM; Tarì G. “Drying Induced Forming from Highly Concentrated
Alumina Slips”, Ceramic Processing Science VI, Ed. Shin-Ichi Hirano, Gary Messing, and
Niels Clausen, Ceramic Transactions, 112, the American Ceramic Society, 2001, pp 483-488.
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Epoxy Gel Casting
Hardener
Ceramic
Powder
Epoxy aqueous
soluble resin
Mixing slurry
GELATION
De-moulding
Solvent
Dispersant
J. Eur. Ceram. Soc. 32 (2012) 1067–752012
Sintering
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Epoxy Gel Casting
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Arranjos de pilares de BST(titanato de bário e estrôncio)
300 µm
J. Am. Ceram. Soc., 97 [3] 725–732 (2014)
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Epoxy Gel Casting
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Outros microcomponentes consolidados por EGC
(a)
(b)
(a) e (b) demonstrações de
estruturas micrométricas
periódicas
60 µm
60 µm
(c)
(d)
(c) e (d) partes de
ressonadores dieléctricos.
500 µm
10 mm
Densidade (≥ 99.5% da densidade teórica) após sinterização a 1250 ºC, atestando o
excelente grau de homogeneidade atingido nos corpos em verde.
J. Am. Ceram. Soc., 97 [3] 725–732 (2014)
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Materiais 2003 - Campus da Caparica
Poster 1
Poster 2
A. F. Lemos, J. D. Santos, J. M. F. Ferreira F.A. Costa Oliveira, S. Dias1, J. Mascarenhas,
“Influence of characteristics of the starting
hydroxyapatite powders and of deagglomeration
procedure, on rheological behaviour of HA
Suspensions”
J.M.F. Ferreira, S. Olhero, D. Dias
“Fabrication of cellular cordierite foams”
CORDOFOAM
Burn-out PU
Foam
HA suspensions containing 60 vol.% solids
loading, deagglomerated for different time periods
Mat. Sci. Forum, 455-456, (2004) 361-365
Structure of cordierite foams periods
Mat. Sci. Forum, 455-456, (2004) 177-181
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Prémio
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Aplicações práticas no mercado real
Fundada a 10 de Setembro de 2004;
1º prémio AIBAP, Julho, 2005;
Transferência de activos para a
Ceramed em 2012-2013
ALTAKITIN, S.A.
Investigação e desenvolvimento em
biotecnologia, ESGUEIRA
AVEIRO
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HA/β
β-TCP bone grafts
Grânulos porosos
Secção transversal de um
grânulo poroso (SEM)
Scaffolds
Tamanhos na gama de 0.05-5 mm
Mandibula produzida por
“Starch Consolidation”
Outras formas granulares
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Tecidos duros
Composição do osso humano
O osso contém outras espécies iónicas além do Ca e P.
Espécies cationicas - Na+, Mg2+, K+, Zn2+ and Sr2+, …
Espécies aniónicas - F−, Cl−, CO32− e HPO42−
Tecidos duros
Concentrações elementares (wt.%)
Ca
P
Na
Mg
K
F
Cl
Osso [1,2]
24.5
11.5
0.7
0.55
0.03
0.02
0.1
Esmalte [1,2]
36.0
17.7
0.5
0.44
0.08
0.01
0.3
[1].
[2].
Aoki, H. Science and medical applications of hydroxyapatite, JAAS, Tokyo, Japan,1991.
Le Geros, R. Z.; Le Geros, J. P. Dense hydroxyapatite, An introduction to bioceramics,
World Scientific, Singapore, 1993.
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Osso de choco
Estrutura lamelar porosa do osso de choco
2000
2000
perpendicullar
1000
XRD
1500
Intensity
Intensity
1500
XRD
500
1000
24h
500
9h
parallel
1h
0
0
aragonite
-500
-500
20
(a)
HA
30
40
50
20
60
2θ (deg)
XRD patterns under // and ⊥ directions
(b)
30
40
50
60
2θ (deg)
Effect of hydrothermal treatment time
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Osso de choco
2000
1400ºC
Intensity
1500
1000
TCP
500
1350ºC
1100ºC,
0
XRD
HA
-500
20
(c)
30
40
50
60
2θ (deg)
Typical porous microstructure of
sintered (1250ºC) HA-scaffolds
Effects of sintering
temperature on XRD
1200ºC
Winding channels and features of
interconnectivity (marked with arrows).
1250ºC
Microstructure dependence on
sintering temperature
Easily machinable scaffolds (scale in mm)
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Osso de choco
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Testes in vitro
Mineralização extensiva in vitro dos
scaffolds de HA sinterizados a (1250ºC)
imersos em SBF a 37ºC
1 semana
2 semanas
“Brocolos” de hidroxiapatite
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Cimentos ósseos
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Formas 100%
injectáveis
Pasta
17 MPa
(húmido)
Excelente
adesão celular
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Robocasting
- - - -- - ++ ++ - -- +
+ +
-- +
+ - - + ++ - ++ - ---- - -
Fluid
- - - -- - ++ + - + - -- +
+ +
-- +
+ - - + ++ - -- - - - ++ - - - - - - - - - - ++ - +
+ - - -- +
+ +
-- +
+ - - + ++ - ++ - ---- - -
10 6
- - - -- - ++ + - + - - -- +
+ +
-- +
+ - - + ++ - ++ ---- - -
Gel
PEI
Elastic Modulus (Pa)
- - - -- -- ++ + + -- +
+ +
-- +
+ - - + ++ - ++ - ---- - -
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
1:1
1:3
Increasing
NHx+:COO-
1:6
10 0
10
-1
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
Shear Stress (Pa)
10
4
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Robocasting
z stage
G. Gratson, et.al. Nature,
428, 386 (2004)
material B
x-y support
material A
printing
assembly
concentrated colloidal inks must flow through
nozzle (100-1000 µm) and maintain the shape
after deposition speed from 1-15 mm/s
Cesarano III, J. and P. Calvert, "Freeforming Objects with Low-Binder Slurry," US Patent No. 6,027,326
Cesarano III, J., R. Segalman, and P. Calvert, Ceram. Ind., 1998. 148(4), 94-102.
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Robocasting
Direct write assembling of 3D porous
DWA-vídeo
DSCF2088.AVI
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45S5 Bioglass®
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(mol.%): 46.1 SiO2 - 26.9 CaO - 24.4 Na2O - 2.5 P2O5
(wt.%): 45 SiO2 - 24.5 CaO - 24.5 Na2O - 6 P2O5
45S5 Bioglass®
First bioactive materials were
discovered by Hench et al. in 1971.
They designed melt-derived Na2O-CaO-P2O5-SiO2 based glasses which have the ability to
bond to bone and soft tissues in human body through a sequence of chemical processes.
45S5 Bioglass® has been used in > 650,000 human cases already
J. Am. Ceram. Soc. 74 (1991) 1487
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45S5 Bioglass

Limitações
Processamento / densificação difíceis, degradação rápida, citoxicidade, …
Data bases
- Scientific.net
Key word
- Wiley Online Library
Bioactive glass
- The American Ceramic Society
- National Institute of Standard and
45S5 Bioactive glass
Technology
45S5 bioactive glass +
- Sciencedirect
Foam replication
- Springerlink
- IEEEXplore
45S5 bioactive glass +
- Digital Library
Robocasting (DWA)
- Uspto.gov
- BASE (Bielefeld Academic Search Engine)
Number of items
80,000
1,800
140
0
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Sintering of FastOsBG
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Robocasting of 45S5 Bioglass®
For
the
first
time!
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Robocasting of 45S5
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Direct write assembling of 3-D porous scaffolds
3-D porous scaffolds of 45S5
Bioglass with added 1 wt.% CMC250 deposited by robocasting
Cross-sectional cut through
the lattice demonstrating the
excellent shape retention of
the cylindrical rods in the
successive layers.
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Requisitos de um bom biovidro
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Biocompatibilidade
Biodegradabilidade
Bioatividade
Fácil de processar
Fácil de sinterizar
Propriedades mecânicas adequadas
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Os nossos biovidros
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Diopside
Crystallized bulk but amorphous frit
Amorphous
Crystallized bulk and frit
CaO•MgO•2SiO2
70 Di – 10 FAp – 20 TCP (wt.%)
TCP-20 = FastOs®
Acta Biomater. 8 (2012) 360
Fluorapatite
TCP
J. Mater. Chem. 21 (2011) 8074
J. Mater. Chem. 21 (2011) 16247
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Estrutura
45S5 Bioglass®
FastOsBG
Qn
0
1
2
3
4
Qn
0
1
2
3
4
Si
2
22
42
28
6
Si
3.1
25.6
47.7
21.4
2.2
P
63
29
8
-
-
P
71.2
27.4
1.3
-
-
Elevadas concentrações de espécies Q2(Si) e de Q0(P) favorecem a bioactividade
Proc. R. Soc. A 465 (2009) 1003;
J. Non-Cryst. Solids 354 (2008) 84
Goel et al., 2012, unpublished data
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FastOs®BG
Densificação completa antes do
início da cristalização
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Elevadas propriedades mecânicas
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FastOs®BG
Scale: 1600 cps
Scale: 4000 cps
HA
C
HA
12 h
TCP-40
0.1g glass/50 ml SBF
Intensity (a.u.)
HA
T-40-3h
45S5-3h
T-40-1h
45S5 -1h
0.1g glass/50 ml SBF
C
TCP-20
C
45S5
20
30
40
20 (degrees)
Digractogramas de raios-X após
imersão em SBF durante 1 h e 3 h
50
20
(c)
25
30
35
40
2θ (degrees)
Digractogramas de raios-X após imersão
em SBF durante 1 h e 3 h
(C = calcite; HA = hidroxiapatite)
Muito bioactivo → ligação rápida ao tecido ósseo
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FastOs®BG
Fácil de processar em meio aquoso
300 µm
500 µm
47 vol.%
48 vol.%
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Conclusões
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Materiais de enxerto ósseo de alto desempenho à base de:
Fosfatos de cálcio dopados, em diferentes formas:
Grânulos porosos
Estruturas 3D porosas de porosidade controlada;
Cimentos injectáveis (cirurgias minimamente invasivas);
Biovidros (FastOs®BG) que satisfazem os requisitos mais exigentes:
o Capacidade de ligação rápida aos tecidos vivos;
o Fáceis de processar em meio aquoso/deposição robótica;
o Fácil sinterização (densificação completa antes da cristalização);
o Elevadas propriedades mecânicas, …;
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FastOs®BG
Ceramic and Glass Engineering Department
Patente em fase de internacionalização (Japão, Europa, Canadá,
Brasil, USA - já concedida,)
Patente adquirida pela Reg4Life, S.A., Biocant
Produtos em fase de certificação
Projecto SI Inovação Portugal
Vídeo
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Agradecimentos
Ceramic and Glass Engineering Department
O trabalho numa área multidisciplinar requere uma equipa.
Quero agradecer a todos os meus colaboradores da UA e de outras
instituições nacionais e estrangeiras pelos seus valiosos contributos.
O apoio do CICECO, Universidade de Aveiro, é também
reconhecido publicamente.
Obrigado pela vossa atenção!
José M.F. Ferreira
E-Mail Address: [email protected]
Telephone Number: +351-234-370242
Fax Number: +351-234-370204
Ceramics and Glass Engineering Department, CICECO,
University of Aveiro, 3810-193, Aveiro, Portugal