A vasta área dos materiais para aplicação em medicina e odontologia, ou biomateriais, é eminentemente multidisciplinar. Ela cobre um largo espectro de tópicos, desde a modelação matemática, passando pela ciência e engenharia dos materiais, até a biologia molecular e diversas disciplinas cirúrgicas. Tendo isso em conta, Francisco Braga realizou um trabalho excepcional ao reunir os conhecimentos fundamentais da ciência dos biomateriais em um único livro de leitura fácil e agradável, mas ao mesmo tempo informativo e pedagógico para todos aqueles interessados nesta área do conhecimento.

Em nove capítulos admiravelmente organizados, este livro introduz temas essenciais à compreensão dos biomateriais, como a estrutura dos átomos e as ligações atômicas, a estrutura e propriedades da matéria, bem como a especificidade das superfícies. Ele ainda desenvolve temas específicos acerca dos tipos de biomateriais e suas principais áreas de aplicação, com profundidade suficiente para informar, aguçando a curiosidade do leitor para querer saber mais.

Uma garantia aos leitores deste livro é que ele entrega o que promete: uma abordagem de fácil compreensão sobre os biomateriais, para profissionais e estudantes das áreas biomédica e de ciências exatas. O autor também oferece ao leitor, independentemente da sua formação de base, a possibilidade de desfrutar dos seus 30 anos de experiência em pesquisa e desenvolvimento, para conhecer não só os conceitos teóricos fundamentais, mas os principais problemas e as respectivas soluções encontradas em uma ampla gama de aplicações dos biomateriais. Este livro constitui um inegável enriquecimento para a limitada literatura técnica em língua portuguesa nesta área.

Pedro L. Granja

Instituto de Investigação e Inovação em Saúde

INEB - Instituto de Engenharia Biomédica

Universidade do Porto

Apresentação

Conheço o Dr. Francisco Braga há muito tempo, desde a nossa fase de formação universitária, quando estudamos Engenharia dos Materiais na UFSCar – São Carlos.

Desde aquela época, o Dr. Francisco já manifestava alguns traços, sempre marcantes, da sua personalidade, que nortearam a sua trajetória profissional. O primeiro, era a sua forma de livre pensar, não seguir tendências nem aceitar fatos consumados. Tudo era questionado pelo Dr. Francisco, que sempre procurava encontrar novas formas de enxergar ou resolver o mesmo problema. Sempre foi um agitador de ideias. É o que designamos, atualmente, de pensar “fora da caixinha”.  O Dr. Francisco é uma destas raras pessoas que tem esta qualidade de pensar diferente ou fora da caixinha, característica fundamental para quem atua em inovação tecnológica de produtos e novos processos produtivos.

Outra forte característica permanente é a sua capacidade de focar alguns assuntos e aprofundá-los, mesmo que o tema em questão ultrapasse as fronteiras da sua área de formação. A busca por novos conhecimentos, muitas vezes multidisciplinares, sempre foi uma constante em sua trajetória. Foi desta forma, que o Dr. Francisco se tornou um maiores especialistas em Biomateriais, uma área que necessariamente reúne conhecimentos de diferentes áreas do conhecimento humano.

Vale ressaltar também que o Dr. Francisco, embora sempre atuando como pesquisador em instituto de pesquisa ou universidade, nunca foi um acadêmico no sentido tradicional. Ele sempre buscou aplicar seus conhecimentos, interagindo com empresas, tendo inclusive contribuído na criação de algumas novas empresas. Tais características, muito comuns nos países desenvolvidos, mas, infelizmente, ainda raramente encontradas entre os acadêmicos brasileiros, são os pontos a se destacar no Dr. Francisco. Trata-se de um seleto grupo de pessoas imprescindíveis ao desenvolvimento socioeconômico do país.

Ao nos brindar com este excelente livro “Materiais Aplicados a Medicina e Odontologia: Físico-Química e Resposta Biológica”, o Dr. Francisco reúne um vasto conteúdo científico e tecnológico no campo dos Biomateriais, envolvendo desde a estrutura e ligações atômicas, passando pela estrutura e propriedades dos materiais, até as aplicações dos Biomateriais na Medicina e Odontologia. Como o próprio prefácio do livro já sugere, este livro é uma dedicação “àqueles que movem a ciência e tecnologia sempre a serviço da humanidade e do eco-sistema”.

Dr. José Octavio Armani Paschoal

Presidente do Centro Cerâmico do Brasil - CCB

Presidente do Instituto INOVA - gestor do parque ECOTEC DAMHA

Prefácio

O homem vem educando sua mente através do raciocínio lógico dedutivo ao longo dos tempos. De acordo com Aristóteles (384 - 322 a.C.), condiderado o pai da lógica, a dedução da ocorrência de qualquer fenômeno particular depende das leis do universo, as quais viabilizam a demonstração e o convencimento da sua existência.

Imaginemos correlacionar dimensionalmente fenômenos de existência convincente, ou seja, lógicos, com suas dimensões. Para isto teremos que buscar uma referência e nada melhor do que algo bem identificável e de utilização rotineira por nós: o metro. O metro (símbolo m) é uma unidade de medida de comprimento padrão definida como sendo o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299792458 de segundo. Assim, alguns fenômenos podem ser identificados pela sua grandeza em relação ao metro e, com isso serem aceitos por nós confortavelmente por meio do raciocínio lógico. A Tabela 1 apresenta exemplos de fenômenos naturais já identificados e dimensionados pelo homem, cuja faixa de magnitude macro-micro ultrapassa 1040 metros. Pelo atual estágio do nosso domínio tecnológico em análises e processos, a taxa de expansão da magnitude macro-micro vem crescendo cada vez mais assumindo aumentos cada vez maiores em conhecimento.

Mas que universo é este e até onde suas leis, como as conhecemos (gravidade, eletromagnética, termodinâmica etc...), são válidas? Bem, nós o assumimos na forma real independente das dimensões em questão, onde, a princípio, as leis que o regem sempre são consideradas válidas, a menos que pontos contraditórios apareçam. Quando isto ocorre, inicia-se a “corrida científica” onde os pesquisadores buscam certificar os valores e metodologias experimentais responsáveis pelo conflito e apresentar teorias que possam justificar as novas observações naturais.

É interessante a observação do físico Richard Feynman sobre o “dualismo da matéria” no comportamento dos elétrons, ora se comportando como partícula ora como onda: comportam-se de um modo próprio e inimitável, nada parecido com o que observamos naturalmente e somente explicado pela Mecânica quântica. A Teoria quântica foi desenvolvida por Max Planck, desenvolvimento este que lhe deu o prêmio Nobel de Física em 1919 e que explicou todos os processos físicos das partículas elementares (prótons, neutrons e principalmente os elétrons).

Vamos agora refletir um pouco sobre a dimensão NANO, palavra atualmente em voga nos meios científicos e tecnológicos, principalmente quando se trata de MATERIAIS. Um NANÔMETRO (nm) é equivalente a 10-9 do METRO. Quando ouvimos falar em NANOTECNOLOGIA, temos que ter em mente que o seu princípio básico é a construção de novas estruturas e novos materiais, a partir dos átomos por meio de novos processos de produção de semicondutores, compósitos, chips, ligas metálicas especiais, biomateriais, tratamento de superfícies e outros.

Novamente Feynman aparece, agora, como precursor do conceito de nanotecnologia em palestra para a Sociedade Americana de Física (29 de dezembro de 1959). Porém, a palavra nanotecnologia foi popularizada somente na década de 1980 por Eric Drexler vislumbrando a possibilidade da construção de máquinas em escala molecular. Um elemento será considerado nanotecnológico quando suas dimensões forem menores que 100 nanômetros. Enfim, nanotecnologia não é propriedade específica de uma área da ciência, exigindo, sim, a identidade multidisciplinar em suas técnicas cujos conceitos aplicáveis estão na Física, Química, Biologia, Ciência dos Materiais, Ciência da Computação e Engenharia como um todo, possibilitando ao homem manipular a matéria até a dimensão atômica de forma bem controlada.

O que mais vem excitando o meio da pesquisa científica é que o mercado da inovação tecnológica em materiais está crescendo bastante e, com isto, induzindo o setor produtivo a se aproximar mais do setor acadêmico. A competitividade de mercado vem obrigando as empresas de base tecnológica a saírem cada vez mais na frente com seus produtos tendo diferencial quanto a maior disponibilidade, funcionalidade, confiabilidade, vida útil, menor custo e dimensões. Cresce a atividade de pesquisa tecnológica por meio de investimentos públicos e privados, e os países desenvolvidos (Estados Unidos, União Européia e Japão) vêm investindo mais de 2 bilhões de dólares ao ano em Nanotecnologia.

Podemos observar que tanto na ciência como na tecnologia há uma sequência histórica de conhecimentos adquiridos pelo homem, que caracteriza um processo evolutivo movido pela necessidade precípua de domínio de seu próprio destino. Todos os passos, até então, dados em cada descoberta passaram por questionamentos e comprovações, significando que, somente após a sua aceitação ser assumida pela humanidade, o conhecimento adquirido pôde ser utilizado para novas descobertas. Isto é caracterizado por um raciocínio lógico amparado na comparação com observações antecedentes validadas de fenômenos naturais correlatos.

Assim considerando, o propósito principal deste livro é oferecer um conteúdo conceitual em princípios de ciência e tecnologia dos materiais de fácil compreensão aos profissionais e estudantes da área biomédica, possibilitando-lhes correlacionar as informações contidas ao longo do texto com as propriedades dos materiais em suas aplicações clínicas e cirúrgicas. Por outro lado, também é a intenção do autor que profissionais e estudantes de Exatas focados em biomateriais, possam encontrar neste livro um conteúdo bastante significativo do universo de dispositivos e seus materiais aplicados nas diversas áreas da Medicina e Odontologia. Neste sentido, partindo da atomística e da físico-química molecular, o livro discorre a respeito de definições, conceitos e classificações sobre as famílias de materiais e suas diversas propriedades, tais como, estruturais, mecânicas, elétricas, térmicas, óticas e de biocompatibilidade. Sendo esta última propriedade mais inerente à superfície do material em contato com organismos vivos, um capítulo dedicado a superfícies também é apresentado, onde propriedades com relação à desgaste, corrosão e topografia são correlacionadas com diversos processos de tratamento e caracterização.

O autor utiliza-se de sua formação como engenheiro de materais, dos 30 anos de experiência em pesquisa científica e tecnológica em materiais, mais especificamente em biomateriais, da grande convivência com cirurgiões-dentistas, em função de ter desenvolvido mais de uma dezena de produtos de enxertia óssea, para efetuar a abordagem sobre o assunto dentro de um escopo complementar ao programa das disciplinas de materiais dos cursos da área biomédica (odontologia, medicina, biologia e farmácia). 

Todo o texto foi revisado e adequado quanto à sua linguagem por profissionais renomados da área biomédica.

Francisco Braga

Sumário

1  Introdução ............................................................................................................................... 17

1.1  A evolução no conhecimento e aplicação dos materiais ................................................... 17

1.2  A ciência e a tecnologia dos materiais .............................................................................. 18

1.3  Por que o profissional da saúde deve estudar a físico-química dos materiais? .................. 20

1.4  Materiais na área da saúde para o século XXI .................................................................. 21

1.5  A superfície como parâmetro fundamental de projeto em biomateriais ............................ 22

1.6  O conceito de biomateriais, biocompatibilidade e biofuncionalidade .............................. 22

1.7  A norma ISO 10993 ......................................................................................................... 23

2  A estrutura dos átomos ......................................................................................................... 25

2.1  A palavra átomo ............................................................................................................... 25

2.2  A evolução do modelo atômico na Física moderna .......................................................... 26

2.3  As camadas eletrônicas ..................................................................................................... 28

2.4  Elemento químico, número atômico, número de massa e massa atômica ........................ 30

2.5  Isótopos, isóbaros e isótonos ............................................................................................ 31

2.6  Tabela periódica ............................................................................................................... 31

2.7  Número de valência de um átomo .................................................................................... 34

Referências de apoio ................................................................................................................ 34

Anexo 1 ................................................................................................................................... 35

3  Ligações atômicas e número de coordenação ................................................................... 39

3.1  Força e energia de ligação ................................................................................................. 39

3.2  A eletronegatividade dos átomos ...................................................................................... 40

3.3  Número de coordenação dos átomos ................................................................................ 40

3.4  Ligação iônica ................................................................................................................... 41

3.5  Ligação covalente ............................................................................................................. 42

3.6  Ligação metálica ............................................................................................................... 44

3.7  Ligações secundárias ........................................................................................................ 44

Referências de apoio ................................................................................................................ 45

4  Estruturas da matéria ........................................................................................................... 47