Introdução à Ciência de
Materiais
Biomateriais
Biomateriais são materiais (sintéticos ou
naturais; sólidos ou, às vezes, líquidos)
utilizados em dispositivos médicos ou em
contacto com sistemas biológicos, ou ainda,
segundo a definição clássica, estes seriam
parte de um sistema que trata, aumenta ou
substitua qualquer tecido, órgão ou função
do corpo
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Biomateriais





Biocompatibilidade;
Funcionalidade;
Aplicação industrial;
Custo;
Viabilidade industrial.
Excipientes são biomateriais????
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Biomateriais
Operação unitária
Status atual
Melhorias
Avaliação
Qualificação do ativo
Utilização
de Inclusão de novos Métodos
preditivos
especificações
parâmetros como
como difração de
Farmacopeicas e
rugosidade,
raio
X
ou
internas
geometria
e
similares
densidade real
Secagem
Erro no ciclo
secagem
Mistura
Variação do tipo de Determinação
do NIR
misturador
e
ponto ideal de
amostrador
mistura
Granulação
Ponto
final
granulação
de Caracterização
do Controle
material
no
polimorfos
estado
sólido
secagem
durante
a
secagem
de
na
de Determinação
do Controle
das
ponto
de
características do
granulação por
granulo em tempo
corrente elétrica
real
como
ou resistência
geometria
e
rugosidade
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Biomateriais/excipientes




Propriedades físicas, imuno-compatibilidade,
rugosidade, carga, inércia química entre outras
propriedades.
Metais: titânio, aço, platina;
Silicatos e vitro cerâmicas;
Polímeros – grande maioria dos materiais
atuais.
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– Berzelius, 1827
NATURAL ou SINTÉTICO
- elastômeros
- proteínas
- polissacarídeos
- gomas



- termoplásticos
- termorrígidos
amorfos
cristalinos
Elastômeros: polímeros, que na temperatura ambiente podem ser
alongados até duas ou mais vezes seu comprimento e retornam
rapidamente ao seu comprimento
Os termoplásticos são aqueles que amolecem ao serem aquecidos,
podendo ser moldados, e quando resfriados ficam sólidos e tomam
uma nova forma. Esse processo pode ser repetido várias vezes.
Correspondem a 80% dos plásticos consumidos.
Os termorígidos ou termofixos são aqueles que não derretem e que
apesar de não poderem ser mais moldados, podem ser pulverizados e
aproveitados como carga ou serem incinerados para recuperação de
energia.
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– Classificações
 Monômero
 Oligômero
 Polímero
7
– Classificações
Forma molecular:
8
Comportamento mecânico:
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Estrutura química:
# Poliolefinas - polipropileno, polibutadieno, poliestireno
# Poliésteres - poli(tereftalato de etileno), policarbonato
# Poliéteres - poli(óxido de etileno), poli(óxido de fenileno)
# Poliamidas - nylon, poliimida
# Polímeros celulósicos - nitrato de celulose, acetato de celulose
# Polímeros acrílicos - poli(metacrilato de metila), poliacrilonitrila
# Polímeros vinílicos - poli(acetato de vinila), poli(álcool vinílico)
# Poliuretano
# Resinas formaldeídicas - resina fenol-formol, resina uréia-formol
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Variedade de meros:
- homopolímeros
- copolímeros
estatístico/aleatório/randômico
alternado
em bloco
graftizado
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– Nomenclatura
- baseada no(s) monômero(s) de origem – polietileno
- baseada na estrutura do polímero - nylon
- nomes comerciais(*) - isopor
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– Nomenclatura
*para copolímeros;
-co- = estatístico
-alt- = alternado
-b- = bloco
-g- = graftizado
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– Peso molecular e
distribuição de
peso molecular
- Em compostos simples = cte!
- Em sistemas poliméricos  distribuição de peso molecular e
peso molecular médio – Massa molar em g/mol -1
PESO MOLECULAR NUMÉRICO MÉDIO – Mn
PESO MOLECULAR PONDERAL MÉDIO – Mw
PESO MOLECULAR VISCOSÍMETRICO MÉDIO – Mv
Mw > Mv > Mn
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– Peso molecular e
distribuição de
peso molecular
- Se: cadeias iguais  Mn = Mw
Mw/Mn = 1  monodisperso
- Se: cadeias diferentes  Mw > Mn
Mw/Mn > 1  polidisperso
- Distribuição estreita: 1,0 < Mw/Mn < 2,0
- Distribuição larga: Mw/Mn > 2,0
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- Para polímeros lineares e ramificados: normalmente são
encontrados líquidos que dissolvem o polímero completamente
para formar uma solução homogênea
- Para polímeros reticulados: quando em contato com líquidos
compatíveis irão apenas inchar
Em um bom solvente (altamente compatível com o polímero) as interações
líquido-polímero expandem novelo polimérico.
Em um mau solvente há pouca interação líquido-polímero e a expansão do
novelo polimérico ou perturbação é restrita.
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O estado sólido dos materiais poliméricos pode ser
dividido, quanto ao estado ordenado das cadeias:
estado cristalino
estado amorfo
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Estado cristalino
A cristalinidade pode ser conceituada como um arranjo
ordenado e uma repetição regular de estruturas atômicas ou
moleculares, no espaço.
Os tipos de cadeias as quais esperam que recristalizem são:
cadeias simétricas, as quais permitem o empacotamento
regular;
cadeias possuindo grupos que estimulam fortes atrações
intermoleculares.
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Estado cristalino
*Tm = temperatura de fusão cristalina
Fatores que afetam a cristalinidade e a Tm:
um arranjo empacotado das cadeias possa ser alcançado em
3 dimensões ;
uma variação favorável na energia interna seja obtida
durante este processo.
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Estado amorfo
Uma cadeia polimérica linear pode ser tratada como um
“sistema cooperativo uni-dimensional” no qual a rotação de
um segmento de cadeia é limitado ou auxiliado por
segmentos vizinhos.
Qualquer movimento significativo de uma cadeia como tal é
gerado por rotação em torno das ligações simples que
conectam os átomos na cadeia.
À medida que o movimento molecular em um polímero amorfo
aumenta, a amostra passa de um estado vítreo para um
borrachoso e até, finalmente, tornar-se fundido.
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Estado amorfo
*Tg = temperatura de transição vítrea
Quando um polímero está a uma temperatura abaixo da sua
Tg, o movimento de cadeia está congelado (~ sólido). À
medida que a temperatura vai aumentando, um número
maior de cadeias começa a se mover com maior liberdade.
A transição do estado vítreo para o borrachoso é uma
característica importante do comportamento do polímero.
As mudanças são completamente reversíveis, entretanto a
transição de um vidro para uma borracha é função do
movimento molecular, NÃO da estrutura do polímero.
21
Estado amorfo
Fatores que afetam a Tg:
-
flexibilidade da cadeia
estrutura molecular (efeitos estéricos)
peso molecular
ramificação e ligações cruzadas
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Flexibilidade da cadeia
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Estrutura molecular
Os fatores estéricos que afetam a flexibilidade da cadeia são,
simplesmente, contribuições adicionais aos efeitos da cadeia
principal.
*grupos laterais: tamanho, flexibilidade e polaridade
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Peso molecular (massa molar)
A massas molares elevadas, a temperatura de transição vítrea
é essencialmente cte quando medida por qualquer método,
mas diminui à medida que a massa molar da amostra
diminui.
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Massa Molecular Numérica Média (Mn):

pelo número de cadeias

massa molecular de todas as cadeias, dividida pelo número total de cadeias
Mn = NiMi / Ni
Ni = número de cadeias
Mi = massa molecular das cadeias
Massa Molecular Ponderal Média (Mw):

pela massa das cadeias

massa molecular de cada fração contribui de maneira ponderada para o
cálculo da média.
Mw = Ni(Mi)2 / NiMi
Massa Molecular Viscosimétrica Média (Mv) e Massa Molecular Média Z
(Mz):
 ( ni.M ) 
Mv  


(
n
i
.
M
i
)


1 a
i
(ni.M i3 )
Mz 
(ni.M i2 )
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Ligações cruzadas
Quando ligações cruzadas são introduzidas no polímero, a
densidade da amostra é aumentada proporcionalmente. À
medida que a densidade aumenta, o movimento molecular
na amostra é restringido e a Tg aumenta.
Para uma alta densidade de ligações cruzadas, a transição é
larga e mal definida, mas para valores mais baixos, a Tg
aumenta linearmente com o número de ligações cruzadas.
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-
Tração (E)
-
Cisalhamento (G)
-
Compressão (K)
28
Curvas tensão-deformação:
29
A Tm é uma transição de 1a ordem e é a temperatura de fusão dos
domínios cristalinos de uma amostra de polímero.
A Tg é uma transição de 2a ordem e é a temperatura na qual o
domínio amorfo de um polímero readquire progressivamente a
sua mobilidade.
 Determinam a faixa de temperatura na qual o polímero pode ser
empregado
O fato de uma amostra de polímero exibir as duas transições ou
apenas uma delas depende da sua morfologia: polímeros
completamente amorfos apresentam apenas Tg; polímeros
completamente cristalinos apresentam apenas Tm.
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
Nanocompósitos
31

Nanopartículas
= Relaciona-se com a pesquisa, o
desenvolvimento e a produção de materiais e
sistemas cujas propriedades físicas, químicas
e biológicas são novas devido ao tamanho
nanométrico.
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