A biocerâmica está entrando em nossos corpos

Desde o século 21, novos materiais têm sido gradualmente incorporados à nossa vida cotidiana. Como um novo material, a biocerâmica trouxe grande conveniência para a vida e a saúde das pessoas, que têm recebido cada vez mais atenção do campo de dispositivos médicos e materiais biomédicos nos últimos anos.

A biocerâmica é um tipo de material cerâmico usado para funções biológicas ou fisiológicas específicas, ou seja, materiais cerâmicos usados diretamente no corpo humano ou diretamente relacionados ao corpo humano, como biologia, medicina e bioquímica. É amplamente utilizado em ortopedia, odontologia, cirurgia plástica, cirurgia oral, cirurgia cardiovascular e cirurgia ocular devido à sua boa biocompatibilidade e propriedades físico-químicas estáveis.

De acordo com o uso de diferentes biocerâmicas, elas podem ser divididas em biocerâmicas de plantio e biocerâmicas de bioengenharia; podem ser divididas em biocerâmicas ativas e biocerâmicas inertes de acordo com a atividade da biocerâmica in vivo. Esta notícia classifica as biocerâmicas a partir da última categoria da seguinte forma.

Cerâmicas bioinertes

As cerâmicas bioinertes têm propriedades químicas estáveis e boa biocompatibilidade, como alumina, zircônia, etc., e suas propriedades físicas e mecânicas e propriedades funcionais correspondem aos tecidos humanos. Suas principais características são a alta resistência mecânica e a forte resistência ao desgaste.

Zircônia (ZrO2)

As cerâmicas de zircônia são, de longe, os materiais de restauração dentária mais resistentes e são amplamente usadas em próteses de quadril para ortopedia. Os materiais de zircônia e os osteoblastos foram co-cultivados in vitro e a biocompatibilidade foi confirmada. Na ortopedia, a cerâmica de zircônia é usada principalmente para articulações artificiais de quadril. No entanto, a força de ligação da cerâmica de zircônia é insuficiente, o que afeta a estabilidade da ligação. Atualmente, mais métodos de tratamento de superfície, como condicionamento ácido e jateamento de areia, são aplicados para melhorar o desempenho da ligação da cerâmica. Além disso, a fragilidade do material cerâmico de zircônia afeta seu uso, por isso as pessoas geralmente adotam o método de endurecimento para melhorá-lo.

Alumina (Al2O3)

Na década de 1970, a cerâmica de alumina começou a ser usada na substituição total do quadril (THA). A cerâmica de alumina com dureza superior a 2000HV é apenas ligeiramente tóxica para fibroblastos humanos in vitro, e suas propriedades mecânicas permanecem inalteradas por muito tempo no ambiente interno. Com a aplicação da tecnologia de plastificação por pressão termo-isostática e gravação a laser, o tamanho do grão da cerâmica de alumina de três gerações é menor, a pureza e a densidade são maiores, a resistência e a dureza aumentam significativamente e a taxa de fragmentação é reduzida. A alta dureza e a boa resistência ao desgaste da cerâmica de alumina fazem dela o principal material biológico na ortopedia THA.

Carboneto de silício（SiC）

Nos últimos anos, as pessoas tentaram aplicar a cerâmica de carbeto de silício no campo da medicina oral. Como material de implante, a cerâmica de carbeto de silício tem sido cada vez mais favorecida pela pesquisa científica e pela pesquisa clínica, e trabalhos exploratórios têm sido feitos nos aspectos de biocompatibilidade e toxicidade. O revestimento de biovidro foi preparado na superfície da cerâmica de carbeto de silício, o que aumentou ainda mais a atividade biológica da cerâmica de carbeto de silício.

Cerâmica bioativa

As cerâmicas bioativas, também conhecidas como cerâmicas biodegradáveis, incluem cerâmicas bioativas de superfície e cerâmicas bioabsorventes. As cerâmicas biossurfactantes geralmente contêm hidroxila e podem ser porosas, e o tecido biológico pode crescer e se unir firmemente à sua superfície. As cerâmicas bioabsorvíveis são caracterizadas pela absorção parcial ou total e induzem o crescimento de um novo osso no organismo. As cerâmicas bioativas incluem vidro bioativo (fosfato de cálcio), cerâmicas de hidroxiapatita e cerâmicas de fosfato tricálcico.

Cerâmica de hidroxiapatita (HAP)

Para melhorar as propriedades mecânicas da hidroxiapatita, as propriedades mecânicas da HAP compacta preparada foram aprimoradas. Entretanto, sua porosidade aparente é relativamente pequena. Após a implantação no corpo humano, apenas o osso pode ser formado na superfície, o que não tem a capacidade de induzir a formação óssea e só pode ser usado como um suporte para a formação óssea.

Portanto, a pesquisa se concentra em cerâmicas porosas de hidroxiapatita. Descobriu-se que o implante de fósforo de cálcio poroso imitava a estrutura da matriz óssea e tinha indução óssea, o que poderia fornecer o suporte e o canal para o crescimento de novo tecido ósseo. Portanto, a resposta do tecido do implante após a implantação foi significativamente melhor do que a da cerâmica densa.

Cerâmica de biovidro

O principal componente da cerâmica de biovidro é o CaO-Na2O-SiO2-P2O5, que contém mais cálcio e fósforo do que o vidro de janela comum e pode se ligar quimicamente ao osso de forma natural e firme. Ela tem propriedades exclusivas que a diferenciam de outros materiais biológicos e pode passar rapidamente por uma série de reações de superfície no local do implante, levando à formação da camada de apatita baseada em carbonato. A biocompatibilidade da cerâmica de biovidro é boa. Os materiais são implantados no corpo sem rejeição, inflamação e necrose tecidual, o que pode formar uma ligação óssea com o osso.

Atualmente, esse material tem sido usado para reparar pequenos ossos do ouvido e tem um bom efeito na recuperação da audição. No entanto, ele só pode ser usado em partes do corpo onde a força não é muito grande devido à sua baixa intensidade. O material preparado pelo método sol-gel é caracterizado por boa pureza, alta homogeneidade, boa atividade biológica e grande área de superfície específica, o que tem melhor valor de pesquisa e aplicação. Em particular, o material poroso de vidro bioativo tem uma boa perspectiva de uso como suporte de engenharia de tecido ósseo.

Sulfato de cálcio

O sulfato de cálcio medicinal, como um cristal semi-hidratado, não tem efeito óbvio sobre o nível de cálcio sérico no corpo após a degradação completa. Após a combinação com a água, ele pode se tornar um implante sólido e pode ser usado como um transportador de antibióticos solúveis em água. O sulfato de cálcio se auto-coagula em baixa temperatura e não causa danos ao tecido nervoso periférico, além de ter potencial de indução óssea e liberação de íons de cálcio. Na cooperação de um ambiente ácido fraco, os íons de cálcio locais elevados podem se ligar ao receptor sensível ao cálcio dos osteoblastos para promover a proliferação e a diferenciação das células ósseas e regular a formação de osteoide. No entanto, a capacidade osteogênica dos stents de sulfato de cálcio puro é limitada, e somente quando o periósteo está presente os stents de sulfato de cálcio podem ter algumas propriedades osteogênicas alternativas.

Pontos quentes da biocerâmica

Material composto

Para melhorar as propriedades mecânicas, a estabilidade e a biocompatibilidade das biocerâmicas, muitos profissionais da área de materiais fizeram muitas pesquisas sobre as biocerâmicas compostas. Os materiais de matriz comuns incluem materiais de polímero biológico, materiais de carbono, vidro biológico, biocerâmica de fosfato de cálcio e outros materiais, enquanto os materiais de reforço incluem fibra de carbono, fibra de liga de aço inoxidável ou cobalto, fibra cerâmica de bioglass, fibra cerâmica e outros reforços de fibra. Além disso, há zircônia, biocerâmica de fosfato de cálcio, cerâmica de bioglass e outros aprimoradores de partículas.

Nanotecnologia

Devido às propriedades exclusivas dos materiais nanométricos, como o efeito de superfície, o efeito de tamanho pequeno e o efeito quântico, os materiais biocerâmicos nanométricos têm uma ampla perspectiva de aplicação, que terá um excelente desempenho no campo da fabricação e da aplicação clínica de materiais de substituição de tecidos duros, como osso artificial, articulação artificial e dente artificial.

No aspecto da cerâmica bioativa, a principal pesquisa atualmente é simular a estrutura fina do osso natural. No osso natural, a hidroxiapatita consiste principalmente de cristais de agulha de 10 a 60 nm de comprimento e 2 a 6 nm de largura. Portanto, a pesquisa atual sobre nanomateriais de HAP concentra-se principalmente em cristais de nano-HAP, compósitos de nano-HAP/polímero e materiais de revestimento de nano-HAP.