Data: 07/01/2010Local: Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
DIA, 2010: estudo do AAWSAP faz uma revisão técnica dos biomateriais usados em implantes, sensores e diálise
Este DIRD de 32 páginas, escrito por autor cujo nome foi substituído por “AAP Person 65”, revisa silicones, Teflon, polímeros biodegradáveis, titânio, cerâmicas, tecidos cultivados e seus usos em implantes, lentes de contato, medicamentos e diálise. O texto trata de tecnologia médica já existente e não explica por que o programa o encomendou.
- Data do evento
- 07/01/2010
- Local
- Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
- Tema
- História da investigação
- Órgãos das fontes
- DOW
- Documentos
- 1 documento · 32 páginas
- Leitura
- 61 min
Capa de relatórioPágina física 1FONTES DOCUMENTAIS · DOW
O que os registros contam
Este é um Defense Intelligence Reference Document (DIRD), relatório de referência da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA (DIA), intitulado “Biomaterials” e datado de 7 de janeiro de 2010, com número DIA-08-0912-006 e data de corte das informações em 1º de dezembro de 2009. Foi preparado pela Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3), do Escritório de Alerta de Defesa, ligado à Diretoria de Análise da DIA. O nome do autor foi substituído na liberação por “AAP Person 65”. O expediente o descreve como um dos relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 pelo programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados.
O que o documento faz é uma revisão didática de materiais usados em medicina, em 32 páginas físicas, com cerca de 25 numeradas e uma abertura em algarismos romanos. A introdução define biomateriais como metais, cerâmicas, polímeros, vidros, carbonos e compósitos que fazem interface com sistemas biológicos, e explica a biocompatibilidade e a bioincrustação, o revestimento de proteínas e células que isola sensores implantados. Cita mais de 600 estudos desde 1996 com resultado ruim para biossensores implantáveis e um quadro de estimativas anuais: 75 milhões de lentes de contato, 300 milhões de cateteres e uma indústria de 100 bilhões de dólares.
O corpo do relatório percorre os materiais um a um: silicones, Teflon e PTFE expandido, polímeros biodegradáveis como o ácido polilático, polietilenoglicol, hidrogéis, titânio, biocerâmicas, tecidos cultivados e arcabouços para engenharia de tecidos. Depois trata de aplicações: dispositivos cardiovasculares (enxertos, válvulas, stents e o nitinol, liga com memória de forma), lentes de contato, polímeros para liberação controlada de medicamentos, osseointegração do titânio e membranas de diálise. As figuras são fotografias de produtos comerciais, esquemas químicos e concepções artísticas, como a barreira de PLA sobre o coração, e não registros de experimentos próprios.
Quanto ao horizonte tecnológico, o texto trata do que já existe em 2009 e 2010. A seção final, “Resumo e recomendações”, diz que os materiais para implantes se baseiam, em geral, em materiais disponíveis há mais de 20 anos, que a indústria biomédica é lenta em aceitar novos materiais por causa do custo e do tempo de testes rigorosos, e que a inovação está em novas maneiras de dar forma aos materiais e aplicá-los. As recomendações se resumem a prever mercados em expansão e novos produtos que ajudem a recuperação de pacientes. O relatório não projeta tecnologias futuras de ruptura nem propõe ação a qualquer órgão do governo.
O documento não diz por que o programa o encomendou. A única indicação interna é o expediente, que o coloca numa série de relatórios de tecnologia avançada do programa. Um trecho sobre biossensores, na página 1 numerada, menciona o interesse em sensores que monitoram o estado fisiológico dos tecidos “para terapias médicas ou para avaliar o desempenho humano”, e um DIRD de março de 2010 sobre biossensores e interfaces cerebrais trata de tema vizinho. Mas isso é contexto do conjunto de relatórios, não uma explicação dada pelo texto. Ele não menciona UAPs, engenharia reversa, origem extraterrestre nem veículos aeroespaciais.
Para o leitor, vale separar o que é literatura técnica geral do que seria uma ligação com o tema do portal. Todo o conteúdo é revisão de conhecimento médico e de ciência dos materiais, em linguagem de divulgação, com números de mercado e exemplos de produtos de fabricantes como a Gore. O aviso de direitos autorais do expediente restringe a divulgação das fotografias do relatório, por isso o dossiê traz apenas a capa. A numeração de algumas legendas de figuras não coincide com a lista de figuras, e as páginas traduzidas mantêm a numeração impressa em cada uma, com indicação nas notas.
LEITURA DIRETA DO ARQUIVO
O documento, em português
Traduzidas na íntegra as 32 páginas físicas do relatório: capa, expediente, sumário, lista de figuras, introdução, todas as seções técnicas, as legendas de figuras e o resumo final. O texto de figuras e quadros foi traduzido; fórmulas não aparecem no documento. O relatório não traz lista de referências bibliográficas. Nenhuma página foi deixada de fora.
TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1
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Documento de Referência de Inteligência de Defesa
Apoio à Ameaça de Aquisição
7 de janeiro de 2010
Data de corte das informações (ICOD): 1º de dezembro de 2009
DIA-08-0912-006
Biomateriais
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Capa do relatório, com título, data de 7 de janeiro de 2010, número DIA-08-0912-006 e data de corte das informações.
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UNCLASSIFIED/ /F8R 8FFI&I.ltk W&li Qtlb:f
Defense
Intelligence
Reference
Document
Acquisition Threat Support
7 January 2010
!COD: 1 December 2009
DIA-08 -0912 -006
Biomaterials
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TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10
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podem ser ajustadas em diferentes graus de dureza e resistência, para dar rigidez em aplicações de cateter.
Os silicones biomédicos ganharam notoriedade em 1995, quando uma ação coletiva contra a Dow Corning, Inc. resultou num acordo enorme, em razão dos supostos perigos dos implantes mamários de silicone.
Depois de examinar anos de evidências e pesquisas sobre implantes mamários preenchidos com gel de silicone, o Instituto de Medicina nacional concluiu que "as evidências sugerem que doenças ou condições como doenças do tecido conjuntivo, câncer, doenças neurológicas ou outras queixas ou condições sistêmicas não são mais comuns em mulheres com implantes mamários do que em mulheres sem implantes". A Dow saiu do negócio de silicones médicos e, desde então, foi substituída por uma série de empresas menores que oferecem produtos de silicone especializados.
A Figura 4 mostra a forma atual do silicone usado em cirurgia reconstrutiva após mastectomia, particularmente após câncer de mama em mulheres.
[Fotografia]
Figura 4. Fotografia de implantes biomédicos de silicone (polidimetilsiloxano) usados em cirurgia reconstrutiva da mama
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
3Nota editorial: Silicones biomédicos, o caso judicial dos implantes mamários e a Figura 4, fotografia de implantes de silicone.
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFl&IAk 1481!! 8HL'f
can be tailored to varying degrees of hardness and strength for stiffness in catheter
applications.
Biomedical silicones attracted notoriety in 1995 when a class-action lawsuit against
Dow Corning, Inc., brought a huge settlement resulting from the supposed dangers of
silicone breast implants.
After reviewing years of evidence and research concerning silicone gel-filled breast
implants, the national Institute of Medicine found that "evidence suggests diseases or
conditions such as connective tissue diseases, cancer, neurological diseases or other
systemic complaints or conditions are no more common in women with breast implants
than in women without implants." Dow moved out of the medical silicone business and
has since been replaced by an array of smaller companies offering specialized silicone
products.
Figure 4 shows the present form of silicone used for reconstructive surgery following a
mastectomy, part icularly after breast cancer in women.
Figure 4. Photograph of Silicone (polydimethyllsiloxane) Biomedical Implants Used in Breast
Reconstructive Surgery
UNCLASSIFIED/ fFOlil OFFIQIAk Uiili 0PIL¥
3Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 10, contando a capa.
TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11
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QUÍMICA DO SILICONE
Silicone é, na verdade, o nome comum do composto químico polidimetilsiloxano (PDMS), uma classe de polímeros sintéticos com unidades repetidas de silício e oxigênio. A Figura 5 mostra a estrutura polimérica repetitiva dos silicones médicos. Vários grupos funcionais, frequentemente metila, podem ser ligados a essa cadeia principal para mudar as propriedades do material. Os polímeros de silicone podem ser facilmente transformados em materiais lineares ou de ligações cruzadas, sem o uso de plastificantes tóxicos. Os materiais resultantes são elásticos à temperatura do corpo.
A presença simultânea de diferentes grupos ligados à cadeia de silício e oxigênio dá aos silicones uma gama de propriedades viscosas e mecânicas que permite seu uso como fluidos, emulsões, compostos, resinas e elastômeros em numerosas aplicações. Assim, o silicone é um polímero versátil, embora seu uso seja muitas vezes limitado por sua resistência mecânica relativamente baixa. Essa limitação, porém, pode ser superada reforçando-se o silicone com carga de sílica ou modificando-se quimicamente a cadeia principal.
Figura 5. Grupos químicos do silicone
A estabilidade, a ausência de toxicidade e a excelente biocompatibilidade do PDMS tornam esses materiais bem adequados ao uso em cuidados pessoais, produtos farmacêuticos e dispositivos médicos. O silicone é facilmente moldado e fundido por cura à temperatura ambiente (conhecida como RTV) ou pelo uso de um catalisador orgânico.
SILICONE EM PRODUTOS BIOMÉDICOS
As membranas de silicone são feitas pela fundição do precursor líquido de silicone em folhas finas. Essas membranas são muitas vezes usadas em biossensores de oxigênio e dióxido de carbono no sangue, porque as membranas desse material são altamente transmissivas a esses gases e bloqueiam a maioria das outras substâncias químicas presentes na corrente sanguínea. Além disso, a resistência do silicone à adesão de proteínas e sua excelente biocompatibilidade geral fazem dele um dos materiais mais usados para encapsular biossensores em contato com tecido ou sangue.
Formulações recentes de silicone podem ser padronizadas com luz ultravioleta e, assim, prestam-se à fabricação de biossensores feitos por fotolitografia.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
4Nota editorial: Química do silicone (PDMS) e uso de membranas de silicone em biossensores; traz a Figura 5, de grupos químicos.
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UNCLASSIFIED/ ;'FOR OFFI@IAL YSE OHL¥
SILICONE CHEMISTRY
Silicone is actually a common name
for the chemical compound
polydimethylsiloxane (PDMS), a class
of synthetic polymers with repeating
units of silicon and oxygen. Figure 5
shows the polymeric repeating
structure of medical silicones. Various
functional groups-often methy l-can
be attached to that backbone to
change the material properties.
Silicone polymers can easily be
transformed into linear or cross
linking materials without using any
toxic plastic izers. The resulting
materials are elastic at body
temperature.
The simultaneous presence of Figures. Silicone Chemical Groups
different groups attached to the
silicon-oxygen backbone gives silicones a range of viscous and mechanical properties
that allow their use as fluids, emulsions, compounds, resins, and elastomers in
numerous applications. Thus, silicone is a versatile polymer, although its use is often
limited by its relatively poor mechanical strength. However, this limitat ion can be
overcome by reinforcing silicone with a silica filler or by chemically modifying the
backbone .
The stability, lack of toxicity, and excellent biocompatibility of PDMS make these
materials well suited for use in personal care, pharmaceutical, and medical device
applications. Silicone is easily molded and cast using room tempe rat ure curing (known
as RTV) or through the use of an organic catalyst.
SILICONE IN BIOMEDICAL PRODUCTS
Silicone membranes are made by casting the silicone liquid precursor into thin sheets.
Such membranes are often used in oxygen and carbon dioxide blood biosensors
because membranes made of this material are highly transmissive to these gases while
they block most other chemical substances present in the blood stream. In addition,
silicone's resistance to prote in adhesion and its excellent overall biocompat ibility make
it one of the most commonly used materials for encapsulating biosensors for tissue or
blood contact.
Recent formu lations of silicone can be patterned with ultraviolet light and, thus, lend
themselves to manufacture with biosensors made by photolithography.
UNCLASSIFIED/ /EOR OFFICilAk YSE 8HLY
4Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 11, contando a capa.
TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12
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Figura 6. Tubo de traqueostomia de silicone
A Figura 6 é um exemplo representativo de produtos médicos à base de silicone que envolvem tubos ou cateteres. Um tubo de traqueostomia, ou "tubo trach", é um tubo curvo de metal ou plástico, de 5 a 7,5 centímetros de comprimento (2 a 3 polegadas), colocado numa abertura criada cirurgicamente (traqueostomia) na traqueia para mantê-la aberta. Versões desses produtos são usadas em casos em que os pacientes têm dificuldade para respirar sozinhos, como numa lesão da medula espinhal.
Um produto conhecido como Mepiform™ é um exemplo do uso de silicone em forma de folha para o tratamento de cicatrizes, em particular cicatrizes queloides. A Figura 7 mostra esse produto.
Figura 7. Folhas de silicone usadas sob a pele como camada de sustentação física para o reparo de tecido cicatricial
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
5Nota editorial: Tubo de traqueostomia e folhas de silicone para cicatrizes (Figuras 6 e 7).
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UNCLASSIFIED// re1t Offl@IAL lel&li 9PUElf
Figure 6. Silicone Tracheostomy Tube
Figure 6 is a representative example of silicone-based medical products involving tubes
or catheters. A tracheostomy tube, or "trach tube," is a 2- to 3-inch-long curved metal
or plastic tube placed in a surgically created opening (tracheostomy) in the windpipe to
keep it open. Versions of these products are used in cases where patients have
difficulty breathing on their own, such as in a spinal cord injury.
A product known as Mepiform™ is an example of silicone use in a sheet form for the
management of scars, particularly keloid scars. Figure 7 shows this product.
Figure 7. Silicone Sheets Used Under the Skin as a Physical Supporting Layer for Repair of Scar Tissue
UNCLASSIFIED/ /EOA OliEIClt.L: Uii QPUalf
5Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 12, contando a capa.
TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13
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TEFLON
Os materiais biomédicos precisam ser inertes à química complexa dos fluidos biológicos, de modo que nem sofram nem provoquem alterações no tecido. O Teflon™ cumpre admiravelmente esses requisitos. Teflon é um nome comercial do politetrafluoroetileno (PTFE), um polímero à base de fluorocarbono. É produzido por polimerização por radicais livres do tetrafluoroetileno e tem uma cadeia principal de carbono em que cada carbono tem dois átomos de flúor ligados a ele.
Esse polímero é hidrofóbico (que repele a água), biologicamente inerte e não biodegradável, e também tem baixo atrito e excelente "escorregadio". A inércia química (estabilidade) do PTFE está relacionada à força da ligação flúor-carbono, que o torna resistente à adesão. A Figura 8 mostra a estrutura desse material. É uma longa cadeia de unidades químicas repetidas, como se vê à direita da figura.
Figura 8. Estrutura do Teflon
O Goretex® é uma forma médica do Teflon (PTFE) que, quando esticada e extrudada, aprisiona células de ar em sua microestrutura, de modo muito parecido com o de uma espuma e, por isso, é relativamente macia e repelente à maioria dos líquidos. Esse material é conhecido como e-PTFE (PTFE expandido). O PTFE pode ser fabricado em muitas formas, incluindo pastas, tubos, fios e folhas, enquanto o ePTFE pode ser tecido numa malha porosa, semelhante a um tecido. Quando implantada no corpo, essa malha resistente permite que o tecido cresça em seus poros, o que a torna ideal para dispositivos médicos como os enxertos vasculares.
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6Nota editorial: Seção sobre o Teflon (PTFE) e o PTFE expandido; traz a Figura 8, com a estrutura química.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAL YSE OHL¥
TEFLON
Biomedical materials must be inert to the complex chemistry of biological fluids so they
neither suffer nor instigate change in tissue. Teflon™ admirably fulfills these
requirements. Teflon is a trade name for polytetrafluoroethylene (PTFE), a
fluorocarbon-based polymer. It is made by free radical polymerization of
tetrafluoroethylene and has a carbon backbone chain in which each carbon has two
fluorine atoms attached to it.
This polymer is hydrophobic (water hating), biologically inert, and nonbiodegradable
and also has low friction characteristics and excellent "slipperiness." The chemical
inertness (stability) of PTFE is related to the strength of the fluorine-carbon bond that
makes it resistant to adhesion. Figure 8 shows the structure of this material. It is a long
chain of repeating chemical units, as shown in the right of the figure.
Figure 8. Teflon Structure
Goretex® is a medical form of Teflon (PTFE) that, when stretched and extruded,
entraps air cells in its microstructure much like foam does and, thus, is relatively soft
and repellant to most liquids. This material is known as e-PTFE (expanded PTFE).
PTFE can be fabricated in many forms, includ ing pastes, tubes, strands, and sheets,
while ePTFE can be woven into a porous, fabric-like mesh. When implanted in the body,
th is strong mesh allows tissue to grow into its pores, making it ideal for medical devices
such as vascular grafts.
UNCLASSIFIED/ {EAR OFFICIO 1 1Pili QPlk¥
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TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14
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Materiais de implante subcutâneo pré-formados de ePTFE têm sido usados para melhorar os resultados de reconstrução facial e de cirurgia estética. A Figura 9 é uma informação de produto de um fabricante que mostra a utilidade do ePTFE em cirurgia estética.
O PTFE tem resistência ao desgaste relativamente baixa, mas, sob compressão ou em situações em que possa ocorrer fricção ou abrasão, pode produzir partículas de desgaste. Estas podem resultar numa reação inflamatória crônica, um resultado indesejável. Para uma dada aplicação, o engenheiro de biomateriais precisa considerar muitos aspectos das propriedades físicas e biológicas dos materiais. Assim, embora o PTFE seja altamente inerte no corpo, aplicá-lo nas circunstâncias erradas (por exemplo, a um dispositivo que esteja sob compressão ou exposto a desgaste) pode levar a uma reação que já não se qualifica como "biocompatível".
[Fotografias com os rótulos ANTES e DEPOIS]
Figura 9. PTFE expandido (Gore-Tex ou ePTFE) usado em implantes labiais. Este é um implante sintético que tem sido usado no rosto e no corpo por muitos anos. A principal vantagem é que não é absorvido com o tempo e os resultados são permanentes.
POLÍMEROS BIODEGRADÁVEIS
Os polímeros biodegradáveis são uma categoria importante e relativamente grande de biomateriais, muito usada nas indústrias médica e alimentícia. Nesta última, são usados como embalagens de alimentos e outros materiais de acondicionamento derivados de substâncias alimentares naturais que se degradam lentamente, por evaporação em vapor de água e dióxido de carbono, quando expostos ao sol e a ambientes externos, minimizando assim o descarte de resíduos. A Figura 10 mostra uma forma complexa feita de polilactídeo (PLA), um polímero biodegradável.
Os polímeros biodegradáveis podem ser naturais ou sintéticos. Em geral, os polímeros sintéticos oferecem maiores vantagens do que os materiais naturais, pois podem ser ajustados para dar uma gama mais ampla de propriedades e uma uniformidade lote a lote mais previsível do que os materiais de fontes naturais. Os polímeros sintéticos também representam uma fonte de matérias-primas mais confiável,
Figura 10. Polímeros biodegradáveis. Polímeros como o PLA são muito parecidos com os plásticos convencionais e, como tais, têm qualidades de transparência, flexibilidade e resistência.
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7Nota editorial: Implantes de ePTFE (Figura 9, fotos de antes e depois) e início da seção sobre polímeros biodegradáveis (Figura 10).
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UNCLASSIFIED/ /FOR. errl@IAL YSI: e .. tv
Preformed ePTFE subcutaneous
implant materials have been used to
improve facial reconstruction and
cosmet ic surgery outcomes . Figure 9
is a manufacturer's product
information showing the utility of
using ePTFE in cosmetic surgery.
PTFE has relatively low wear
resistance, but under compression or
in situations where rubb ing or
abrasion can occur, it can produce
wear particles. These can result in a
chronic inflammatory reaction, an
undesirable outcome. For a given
application, the biomateria ls engineer
must consider many aspects of the
physical and biological properties of
the materials . Thus, although PTFE is
highly inert in the body, applying it in
the wrong circumstances (for
example, to a device that is under
BEFORE AFrER
BEFORE AFrER
Figure 9. Expanded PTFE (Gore-Tex or ePTFE) Used in
Lip Implants. This is a synthetic implant that has been
used in the face and body for many years. The main
advantage is that it is not absorbed over time and the
results are permanent .
compression or exposed to wear) may lead to a reaction that no longer qualifies as
"biocompatible."
BIODEGRADABLE POLYMERS
Biodegradable polymers are an
important and relatively large
category of biomaterials that are used
extensively in the medical and food
industries. In the latter, they are used
as food wrappings and other
packaging derived from natural food
substances that slowly degrade-by
evaporation into water vapor and
carbon diox ide- when exposed to the
sun and outdoor environments, thus
min imizing waste disposal. Figure 10
shows a complex shape made from
polylactide (PLA), a biodegradable
polymer.
Biodegradable polymers can be either
natural or synthetic. In general,
synthetic polymers offer greater
advantages than do natural materials in that they can be tailored to give a wider range
of properties and more predictable lot-to-lot uniformity than can materials from natural
sources . Synthetic polymers also represent a more reliable source of raw materials-
UNCLASSIFIED/ {FOR OEE!CJA1 11SE QNI X
Figure 10. Biodegradable Polymers. Polymers such as
PLA are much like conventional plastics and, as such, have
qualities of clarity, flexibility, and strength.
7Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 14, contando a capa.
TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15
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livre de preocupações com imunogenicidade. Esses polímeros podem ser oticamente transparentes, apresentar boa flexibilidade e ter resistência comparável à de muitos plásticos.
VANTAGENS DA BIODEGRADAÇÃO
No corpo humano, os polímeros biodegradáveis têm boa compatibilidade, mas também se decompõem em materiais inofensivos e, com o tempo, se dissolvem por completo. Os polímeros biodegradáveis sofrem hidrólise química no ambiente salgado e úmido dos tecidos, por meio de uma cadeia principal quimicamente lábil do polímero. A degradação começa imediatamente após a exposição à água e ocorre em duas etapas.
Na primeira etapa, o material se hidrata por completo e a água ataca as cadeias do polímero, convertendo cadeias longas em fragmentos mais curtos, solúveis em água. O aspecto desejável desse processo é uma redução do peso molecular sem perda das propriedades físicas, já que a matriz do dispositivo continua unida, mesmo com cadeias mais curtas.
Na segunda etapa, as cadeias poliméricas mais curtas são atacadas por enzimas naturalmente presentes nos tecidos. Basicamente, a metabolização dos fragmentos pelos tecidos do corpo resulta numa perda rápida de massa do polímero, o que se chama erosão em massa. Todos os dispositivos e suturas sintéticos disponíveis comercialmente se degradam por erosão em massa.
BIOMATERIAIS DEGRADÁVEIS
Diferentes polímeros biodegradáveis têm diferentes tempos de vida nos tecidos, de alguns dias a anos. A combinação de dois biopolímeros diferentes, por exemplo o PLA (polilactídeo), de vida curta (dias), e o PGA (poliglicolídeo), de vida mais longa (meses), revela que é possível produzir polímeros com tempos de decomposição intermediários. Assim, seus tempos de decaimento podem ser determinados sob medida por meio de sua formulação.
Os polímeros biodegradáveis atendem ao desejo do médico de ter um dispositivo implantado que não exija uma segunda intervenção cirúrgica para ser removido, o que é desejável em muitas aplicações. Em aplicações ortopédicas, por exemplo, um osso fraturado que foi fixado com um implante rígido de aço inoxidável, não biodegradável, tende a fraturar de novo quando o implante é retirado, o que torna a retirada indesejável. Essa nova fratura resulta do alívio da carga sobre o osso pelo suporte de aço inoxidável, porque o osso não suportou carga suficiente durante o processo de cicatrização. Já um sistema de fixação preparado com um polímero biodegradável pode ser projetado para se degradar numa taxa que transfira lentamente a carga para o osso em cicatrização, evitando assim o risco de nova fratura e eliminando a necessidade de remover o implante.
ÁCIDO POLILÁTICO E ÁCIDO POLIGLICÓLICO
O ácido polilático (PLA), o ácido poliglicólico (PGA) e seus copolímeros são os mais usados entre os polímeros biodegradáveis. Esses materiais, quando expostos ao sol e ao tempo, se degradam em água e dióxido de carbono e essencialmente desaparecem, com tempo suficiente.
No corpo humano, combinações de PLA e PGA são usadas para controlar a longevidade de um material, controlando-se sua taxa de degradação quando exposto aos tecidos. Os produtos da degradação no corpo humano também são água e dióxido de carbono.
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8Nota editorial: Como os polímeros biodegradáveis se decompõem no corpo e vantagens de combinar PLA e PGA.
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UNCLASSIFIED// FOR 8FFl@IAk Uili ON! X
one free from concerns of immunogenici ty . These polymers can be optically clear,
exhibit good flexibility, and have strength comparable to that of many plastics.
BIODEGRADATION ADVANTAGES
In the human body, biodegradable polymers have good compatibility but also
decompose to harmless materials and over time dissolve altogether. Biodegradable
polymers undergo a chemical hydrolysis in the salty and wet environment of tissues by
way of a labile chemical backbone of the polymer. The degradation starts immediately
upon water exposure and occurs in two steps.
In the first step, the material thoroughly hydrates, and the water attacks the polymer
chains, converting long chains into shorter, water-soluble fragments. The desirable
aspect of this process is a reduction in molecular weight without a loss in physical
properties, since the device matrix is still held together, even with the shorter chains.
In the second step, the shorter polymer chains are attacked by enzymes that are
naturally present in tissues. Basically, a metabolization of the fragments by the body
tissues results in a rapid loss of polymer mass, what is referred to as bulk erosion. All
the commercially available synthetic devices and sutures degrade by bulk erosion.
DEGRADABLE BIOMATERIALS
Different biodegradable polymers have different lifetimes in tissues, ranging from a few
days to years . Combining two different biopolymers-for example, short-lived (days)
PLA (polylactide) and longer lived (months) PGA (polyglycolide)-reveals that polymers
can be produced with intermediate decomposition times. Thus, their decay times can be
custom determined through their formulation.
Biodegradable polymers fulfill a physician's desire to have an implanted device that will
not require a second surgical intervention for removal, which is desirable in many
applications. In orthopedic applications, for example, a fractured bone that has been
fixated with a rigid, nonbiodegradable stainless implant has a tendency for refracture
upon removal of the implant, making removal undesirable. This refracturing results
from the offloading of the stress on the bone by the stainless steel support because the
bone has not carried a sufficient load during the healing process. However, a fixation
system prepared from a biodegradable polymer can be engineered to degrade at a rate
that will slowly transfer the load to the healing bone, thereby avoiding the risk of
refracture and eliminating the need to remove the impla nt.
POLYLACTIC ACID AND POLYGLYCOLIC ACID
Polylactic acid (PLA), polyglycolic acid (PGA), and their copolymers are the most widely
used of the biodegradable polymers. These materials, when exposed to the sun and
weather, will degrade into water and carbon dioxide and essentially vanish, given
sufficient time.
In the human body, combinations of PLA and PGA are used to control the longevity of a
material by controlling its degradation rate when exposed to tissues. The degradation
products in the human body are also water and carbon dioxide.
UNCLASSIFIED//EOR OSSICIAk WSE 8HL'I
8Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 15, contando a capa.
TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16
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O PLA, ou polilactídeo, é um material orgânico termoplástico, de cadeia longa, derivado de recursos renováveis, como o amido de milho (nos Estados Unidos) ou a cana-de-açúcar (no resto do mundo). O PLA é conhecido há mais de um século e tem interesse comercial principalmente por suas aplicações biomédicas. A Figura 11 mostra a estrutura química do PLA. Esses materiais são populares porque já foram usados em muitos dispositivos de implante médico aprovados e demonstraram ser seguros, atóxicos e biocompatíveis. Foram usados no desenvolvimento de vários produtos médicos disponíveis comercialmente, incluindo suturas, parafusos e grampos para tecidos, membranas de regeneração tecidual guiada para odontologia, dispositivos internos de fixação óssea, microesferas para sistemas implantáveis de liberação de medicamentos e sistemas de reparo de menisco e cartilagem.
Figura 11. Estrutura do ácido polilático (um polímero biodegradável)
Esses polímeros podem ser potencialmente usados no projeto de stents vasculares e urológicos e de substitutos de pele. Isso é possível por meio da manipulação das características poliméricas desses materiais, como sua arquitetura tridimensional, sua integridade mecânica e estrutural e sua biodegradabilidade. Os materiais também podem ser usados como arcabouços para engenharia de tecidos e para reconstrução de tecidos.
Uma aplicação médica desses materiais em forma de folha fina é sua colocação como uma camada-barreira fina que impede a entrada de detritos nas feridas e como camada subjacente à pele e aos tecidos do corpo. A Figura 12 é uma concepção artística de uma camada de polímero PLA sendo colocada sobre o coração após cirurgia cardíaca aberta.
[Texto na figura: A escolha clara. Proteção em caso de reoperação...]
Figura 12. PLA biodegradável como barreira antiaderência após cirurgia cardíaca aberta
A folha de PLA atua como barreira e espaçador, para impedir que a parede cardíaca em cicatrização crie uma ligação com a parede torácica e forme aderências com os tecidos sobrejacentes.
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9Nota editorial: Usos médicos do ácido polilático e desenho de uma barreira de PLA sobre o coração (Figuras 11 e 12).
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UNCLASSIFIED// FOR OFFICIAL t:191!! 9HL\I
PLA, or polylactide, is a thermoplastic,
long-chained organic material derived
from renewable resources, such as
corn starch (in the United States) or
sugarcanes (in the rest of the world).
PLA has been recognized for more
than a century and is of commercial
interest primarily because of its
biomedical applications. Figure 11
shows the chemical structure of PLA.
These materials are popular because
they have already been used in many
approved medical implant devices and
have been shown to be safe, nontoxic,
and biocompatible. They have been
used in the development of several
commercially available medical
products, including sutures, tissue
screws and tacks, guided tissue-regeneration membranes for dentistry, internal bone
fixation devices, microspheres for implantable drug delivery systems, and meniscus and
Figure 11. Structure of Polylactic Acid (a
Biodegradable Polymer)
cartilage repair systems.
These polymers can potentially be
used in the design of vascular and
urological stents and skin substitutes.
This is possible through the
manipulation of the polymer
characteristics of these materials,
such as their three-dimensional
architecture, their mechanical and
structural integrity, and their
biodegradability. The materials can
also be used as scaffolds for tissue
engineering and for tissue
reconstruction.
A medical application of these
materials in thin-sheet form is their
placement as a thin barrier layer that
prevents entry of debris into wounds
and as an underlayer to the skin and
body tissue. Figure 12 is an artist's
conception of a layer of PLA polymer
being placed over the heart after
open-heart surgery.
The Clear Choice
Protection in case there is a re-operation...
Figure 12. Biodegradable PLA as an Antiadhesion
Barrier after Open-Heart Surgery
The PLA sheet acts as a barrier and spacer to prevent the healing heart wall from
growing an attachment to the chest wall and from forming adhesions onto the overlying
UNCLASSIFIED/ /EAR AEFICIOP I155 CNP X
9Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 16, contando a capa.
TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
A barreira permanece no lugar apenas por cerca de uma semana durante o processo de cicatrização, antes de se biodegradar, de modo que nenhum corpo estranho é deixado dentro do corpo.
POLIETILENOGLICOL OU ÓXIDO DE POLIETILENO
O polietilenoglicol (PEG) é um material muito usado em biomedicina, produtos farmacêuticos, cosméticos e agricultura. Sua compatibilidade química, solubilidade em água, ausência de toxicidade, biocompatibilidade e múltiplos estados físicos permitem seu uso como revestimento e em forma sólida para criar superfícies muito aceitáveis para a biologia. A Figura 13 mostra a comercialização do PEG para amplos mercados, que incluem polímeros biodegradáveis.
Uma das principais aplicações do PEG é a criação de superfícies "antiincrustantes" quando expostas ao sangue ou a ambientes biológicos. As propriedades antiincrustantes, ou de resistência a células e proteínas, das superfícies que contêm PEG se devem ao estado altamente hidratado do material.
Figura 13. Polímeros biodegradáveis baseados em copolímeros de ácido polilático e polietilenoglicol
O PEG é usado em sistemas de liberação de medicamentos para melhorar a solubilidade dos fármacos e ajudar a estabilizar fármacos proteicos imunogênicos ou instáveis. Isso pode aumentar os tempos de circulação e a estabilidade dos fármacos no corpo.
HIDROGÉIS
Os hidrogéis são materiais líquidos ou semissólidos que têm forte afinidade pela água. O poli(ácido hidroxietil-metacrílico), ou poli(HEMA), é um dos hidrogéis mais importantes no mundo dos biomateriais, porque tem muitas vantagens sobre outros hidrogéis. Entre elas estão um teor de água semelhante ao do tecido vivo, inércia aos processos biológicos, resistência à degradação, permeabilidade a metabólitos e resistência à absorção pelo corpo. O poli(HEMA) pode ser facilmente fabricado em muitas formas e esterilizado com facilidade. Isso se deve à sua estrutura, que é
Figura 14. Pontos de hidrogel
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
10Nota editorial: Polietilenoglicol (PEG) e hidrogéis; traz as Figuras 13 e 14.
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UNCLASSIFIED/, POR. OPPl@IAL WSlii Ql'.L¥
tissues. The barrier remains in place only for a week or so during the healing process
before biodegrading so no foreign body is le~ inside of the body.
POLYETHYLENE GLYCOL OR
POLYETHYLENE OXIDE
Polyethylene glycol (PEG) is a widely
used material in biomedicine,
pharmaceut icals, cosmetics, and
agriculture. Its chemical compatibility,
water solubility, nontoxicity,
biocompat ibility, and multiple physical
states allow it be used as coatings and
in solid form to create surfaces that
are very acceptable to biology. Figure
13 shows the marketing of PEG to
broad markets that include
biodegradable polymers.
One of PEG's major applications is in
the creation of "nonfouling" surfaces
when exposed to blood or biological
environments. The nonfouling, or cell
and protein-resistant, properties of
surfaces containing PEG are due to the
material's highly hydrated state. Figure 13. Biodegradable Polymers Based on
Copolymers of Polylactic Acid and Polyethylene Glycol
PEG is used in drug delivery systems
to improve the solubility of drugs and to help stabilize immunogenic or unstable protein
drugs. This can enhance the circulation times and stabilities of drugs in the body.
HYDROGELS
Hydrogels are liquid or semisolid
materials that have a strong affinity
for water. Poly(hydroxyethyl
methacrylic) acid, or poly(HEMA), is
one of the most important hydro gels
in the biomaterials world because it
has many advantages over other
hydrogels. These include a water
content similar to living tissue,
inertness to biologica l processes,
resistance to degradation,
permeability to metabolites, and
resistance to absorption by the body .
Poly(HEMA) can easily be
manufactured into many shapes and
forms and be easily sterilized . This is
due to its structure, which is
UNCLASSIFIED/} POK OFFICIAL USE O1\LI
Figure 14, Dots of Hydrogel
10Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 17, contando a capa.
TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18
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composta de moléculas de cadeia longa ligadas entre si por ligações cruzadas, o que cria muitos pequenos espaços vazios que podem absorver água ou outros líquidos como uma esponja. Os hidrogéis podem ser extrudados em quase qualquer forma. A Figura 14 os mostra como pequenos pontos.
Se os espaços forem preenchidos com um medicamento, o hidrogel pode liberá-lo gradualmente à medida que a estrutura se biodegrada. Os hidrogéis também são usados na engenharia de tecidos e no reparo de tecidos, onde os espaços do gel podem ser preenchidos com células-tronco, fatores de crescimento de tecidos ou uma combinação dos dois.
Os hidrogéis são redes poliméricas com ligações cruzadas, insolúveis nos fluidos corporais, mas capazes de inchar, e muitas vezes têm teor de água de até 90 por cento. Podem ser formados pela ligação cruzada de um ou de vários tipos de unidades monoméricas numa rede, formando um homopolímero, um copolímero ou um multipolímero. Com a incorporação de diferentes monômeros, formam-se géis de propriedades químicas e físicas muito variadas. Os géis podem ser neutros ou carregados, macios ou rígidos, fortes ou quebradiços. Os hidrogéis são usados rotineiramente em aplicações biomédicas e farmacêuticas, como liberação de medicamentos, tendões artificiais, bioadesivos de cicatrização de feridas, membranas de rim artificial, pele artificial e lentes de contato.
TITÂNIO: ARTICULAÇÕES DE QUADRIL E JOELHO
Os implantes de quadril e joelho à base de titânio têm bastante sucesso e estão entre os procedimentos ortopédicos mais comuns. Numa substituição de quadril, remove-se a articulação do quadril artrítica e danificada. A articulação do quadril, do tipo bola e soquete, é então substituída por um implante artificial.
Os implantes de quadril muitas vezes não mostram sinal visível de sua existência, nem na marcha nem na funcionalidade. Em adultos, podem durar a vida inteira. Os implantes de joelho também são conhecidos por seu sucesso. A Figura 15 mostra um conjunto variado de montagens de articulação de quadril em titânio. A longa haste do dispositivo preenche um furo feito no osso longo do fêmur.
Figura 15. Diversos componentes de titânio usados em prótese de articulação do quadril
BIOCERÂMICAS
Os materiais cerâmicos são às vezes usados diretamente, ou modificados, em aplicações no corpo humano e, assim, passam a ser conhecidos como biocerâmicas. As aplicações mais comuns são o reparo ósseo, a odontologia e o uso de cerâmicas em substituições de articulações de quadril e joelho, onde sua dureza excepcional pode ser aproveitada em articulações sujeitas a desgaste.
As biocerâmicas variam em biocompatibilidade desde os óxidos cerâmicos, que são inertes no corpo, até o outro extremo, o dos materiais reabsorvíveis, que acabam sendo substituídos pelos materiais que ajudaram a reparar.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
11Nota editorial: Hidrogéis em fármacos e tecidos, implantes de titânio em quadril e joelho (Figura 15) e introdução às biocerâmicas.
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UNCLASSIFIED/ /POlt orr1e1J1tt t:191! OHLY
composed of long-chain molecules crosslinked to one another to create many small
empty spaces that can absorb water or other liquids like a sponge. Hydrogels can be
extruded into nearly any shape. Figure 14 shows them as small dots.
If the spaces are filled with a drug, the hydrogel can dispense the drug gradually as the
structure biodegrades. Hydrogels are also used for tissue engineering and tissue repair,
where the spaces in the gel might be filled with stem cells, tissue-growth factors, or a
combination of the two.
Hydrogels are cross-linked polymer networks that are insoluble in body fluids but are
able to swell and often have a water content of up to 90 percent. These can be formed
by crosslinking one or several types of monomer units into a network, forming a
homopolymer, copolymer, or multipolymer. With the incorporation of different
monomers, gels with wide-ranging chemical and physical properties can be formed. The
gels can be neutral or charged, soft or stiff, strong or brittle. Hydrogels are routinely
used for biomedical and pharmaceutical applications such as drug release, artificial
tendons, wound-healing bioadhesives, artificial kidney membranes, artificial skin, and
contact lenses.
TITANIUM - HIP AND KNEE JOINTS
Titanium-based hip and knee implants are quite successful and are among the most
common orthopedic procedures. When a hip replacement is performed, the arthritic,
damaged hip joint is removed. The ball-and-socket hip joint is then replaced with an
artificial implant.
Hip implants often show no visible
sign of their existence in either
walking gait or functionality. In adults,
they can last a lifetime. Knee implants
are also known to be successful.
Figure 15 shows an assortment of
titanium hip joint assemblies. The
long shaft part of the device fills a
drilled hole in the long bone of the
femur.
BIOCERAMICS
Ceramic materials are sometimes
used directly or modified for use in Figure 15. Various Titanium Components Used in Hip
applications in the human body and, Joint Replacement
so, become known as bioceramics.
The most common applications are in bone repair, dentistry, and the use of ceramics in
hip and knee joint replacements, where their exceptional hardness can be put to
advantage in wear joints.
Bioceramics range in biocompatibility from the ceramic oxides, which are inert in the
body, to the other extreme of resorbable materials, which are eventually replaced by
the materials they were used to repair.
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAk WIiii Q'11L¥
11Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 18, contando a capa.
TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19
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Duas cerâmicas comuns usadas em odontologia e em próteses de quadril são a alumina e a hidroxiapatita (HA). A HA é um componente importante do compartimento inorgânico do osso. A HA preparada comercialmente é processada por uma técnica de ácido fosfórico e troca hidrotérmica que produz uma morfologia porosa, "semelhante a osso", na estrutura resultante. A Figura 16 mostra esse resultado. Quando implantada em defeitos ósseos, a HA sustenta o crescimento do osso através dos poros e, assim, torna-se um arcabouço intermediário e, depois, uma matriz de suporte definitiva. Os compósitos de hidroxiapatita têm sido usados com sucesso para reparar, reconstruir e substituir partes do corpo doentes ou danificadas, especialmente o osso. Foram usados em próteses vertebrais, espaçadores intervertebrais, enxertos ósseos, substituições de ossos do ouvido médio e reparo da mandíbula.
Figura 16. Estrutura porosa semelhante a osso, de hidroxiapatita, após processamento comercial
O óxido de alumínio, ou alumina (Al2O3), é usado em cirurgia ortopédica há mais de 20 anos como superfície articular em próteses totais de quadril, por causa de seu coeficiente de atrito excepcionalmente baixo e de suas taxas mínimas de desgaste. A alumina tem excelente resistência à corrosão, boa biocompatibilidade, alta resistência e alta resistência ao desgaste, o que a torna ideal para aplicações ortopédicas.
Outras biocerâmicas incluem esqueletos de coral, que podem ser transformados em hidroxiapatita por altas temperaturas. Sua estrutura porosa permite um crescimento relativamente rápido de células vivas para dentro, à custa da resistência mecânica inicial. A alta temperatura também queima quaisquer moléculas orgânicas, como proteínas, evitando a doença do enxerto contra o hospedeiro e a rejeição.
As biocerâmicas feitas de um material de fosfato de cálcio contendo poros minúsculos têm sido usadas para revestir implantes metálicos de articulações ou como preenchimentos de espaço, sem carga, para o crescimento ósseo para dentro. Ocorre o crescimento do tecido para dentro dos poros, com
Figura 17. Biocerâmica usada em componente de prótese de quadril
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12Nota editorial: Hidroxiapatita e alumina como biocerâmicas, com as Figuras 16 e 17.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl&IAl l:ISE 8HlY
Two common ceramics used in
dentistry and hip prostheses are
alumina and hydroxyapatite (HA). HA
is a major component of the inorganic
compartment of bone. Commercially
prepared HA is processed using a
technique of phosphoric acid and
hydrothermal exchange that produces
a porous, "bone-like" morphology in
the resulting structure. Figure 16
shows this result. When implanted
into bone defects, HA supports bone
growth through the pores and, thus,
becomes an intermediate scaffold, as
well as an eventual support matrix.
Hydroxyapatite composites have been
successfully used to repair,
reconstruct, and replace diseased or
damaged body parts, especially bone.
They have been used in vertebral Figure 16. Hydroxyapatite Porous Bone-Like Structure
prostheses, intervertebral spacers, After Commercial Processing
bone grafting, middle-ear bone
replacements, and jawbone repair.
Aluminum oxide, or alumina (Al2O3), has been used in orthopedic surgery for more than
20 years as the joint surface in total hip prostheses because of its exceptionally low
coefficient of friction and minimal wear rates. Alumina has excellent corrosion
resistance, good biocompatibility, high strength, and high wear resistance, making it
ideal for orthopedic applications.
Other bioceramics include coral
skeletons, which can be transformed
into hydroxyapatite by high
temperatures. Their porous structure
allows relatively rapid ingrowth of
living cells at the expense of initial
mechanical strength. The high
temperature also burns away any
organic molecules, such as proteins,
preventing graft-versus-host disease
and rejection.
Bioceramics made from a calcium
phosphate material containing tiny
pores have been used to coat metal
joint implants or as unloaded space
fillers for bone ingrowth. Tissue
ingrowth into the pores occurs, with
UNCLASSIFIED/ /FOR AFFICIOla l'ili QNkY
Figure 17. Bioceramic Used in Artificial Hip
Replacement Component
12Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 19, contando a capa.
TRECHO 12 · PÁGINA FÍSICA 2
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Biomateriais
Preparado por:
Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3)
Escritório de Alerta de Defesa
Diretoria de Análise
Agência de Inteligência de Defesa
Autor:
AAP Pessoa 65
Nota administrativa
AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a disseminação adicional das fotografias desta publicação.
Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a AAP Pessoa 1, Gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
iiiNota editorial: Página de expediente: identifica a divisão da DIA que preparou o relatório, o código que substitui o nome do autor e o aviso sobre as fotografias.
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UNCLASSIFIED/ /POR OPP!CU%L "9~ OHL I
Biomaterials
Prepared by:
Acquisition Support Division (DW0-3)
Defense Warning Office
Directorate for Analysis
Defense Intelligence Agency
Author:
AAP Person 65
Administrative Note
COPYRIGHT WARNING: Further d isseminati on of the phot ograph s in this pub licatio n is not authoriz ed.
This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009
under the Defense Inte lligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace
Weapon System Applications (AAWSA Pro ram. Comments or uestions pertaining to
this document should be addressed t AAP Person 1 AAWSA Program
Manager, Defense Inte lligence Agency, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington,
DC 20340-5100 .
UNCLASSIFIED//FOR OEFICI0L W&li &Ht¥
iiiConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 2, contando a capa.
TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20
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um aumento da área de interface entre o implante e os tecidos. Esse crescimento de tecido para dentro resulta numa maior resistência ao movimento do dispositivo dentro do tecido. Como no osso natural, proteínas se adsorvem à superfície de fosfato de cálcio e formam a camada intermediária essencial pela qual as células ósseas interagem com o biomaterial implantado. A Figura 17 mostra um exemplo disso.
CERÂMICAS DENTÁRIAS
As cerâmicas dentárias são uma importante subclasse de biomateriais. As porcelanas são materiais cerâmicos duros, baseados num vidro de sílica e alumina, com fundentes usados para baixar sua temperatura de fusão. As porcelanas dentárias podem ter dureza superior à do esmalte dos dentes naturais, mas muitas vezes são mais quebradiças e com maior probabilidade de fraturar. Também não têm as mesmas propriedades ópticas, a mesma condutividade térmica nem a mesma fluorescência natural dos materiais biológicos.
Os materiais dentários de porcelana integral (cerâmica) incluem obturações e coroas de porcelana, cerâmica ou de aspecto vítreo (uma opção sem metal, conhecida como coroa jaqueta). São usados como inlays, onlays, coroas e facetas estéticas. Uma faceta é uma casca muito fina de porcelana que pode substituir ou cobrir parcialmente o esmalte do dente. As restaurações de porcelana integral (cerâmica) são particularmente desejáveis porque sua cor e translucidez imitam o esmalte natural do dente.
O óxido de zircônio é um material muito forte e refratário que apareceu recentemente como material dentário. Com uma resistência à flexão de três pontos superior a 900 megapascals, espera-se que o óxido de zircônio seja aplicável a muitas novas aplicações em odontologia, incluindo pontes, infraestruturas de implantes e pinos de raiz.
A moldagem do formato de um dente quebrado numa forma natural, ou numa que lembre o fragmento do dente quebrado, é muito facilitada pelo uso de tecnologias computadorizadas CAD/CAM. Essas tecnologias são usadas para fazer moldes para a fundição de cerâmicas dentárias. A Figura 18 ilustra dentes de aparência natural feitos de porcelanas dentárias definidas por um molde gerado por computador.
Figura 18. Dentes de cerâmica esculpidos por computador
CONSTRUTOS DE TECIDO COMO BIOMATERIAIS
Os tecidos vivos são às vezes considerados biomateriais se tiverem sido cultivados antes da aplicação ao corpo humano ou se forem utilizados de modo muito semelhante ao de um material sintético. A formação de tecidos vivos em construtos é às vezes chamada de engenharia de tecidos. Isso é um pouco impróprio, pois se trata de uma forma avançada de cultura de células e de biologia celular, com pouco em comum com a engenharia no sentido clássico de aplicação da matemática e da física a problemas.
Antes, a engenharia de tecidos é a aplicação de técnicas biológicas e de cultura de células para estimular o crescimento de tecidos de certas maneiras e para desenvolver substitutos viáveis que restaurem e mantenham a função dos tecidos humanos. Esta é uma forma de
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
13Nota editorial: Cerâmicas dentárias (Figura 18) e início da seção sobre construtos de tecido.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL USE Oilti
an increase in the interfacial area between the implant and the tissues. This tissue
ingrowth results in an increased resistance to device movement within the tissue . As in
natural bone, proteins adsorb to the calcium phosphate surface to provide the critical
intervening layer through which the bone cells interact with the implanted biomaterial.
Figure 17 shows an example of this.
DENTAL CERAMICS
Dental ceramics are a major subclass of biomaterials. Porcelains are hard ceramic
materials that are based on a glass of silica and alumina, with fluxes used to lower their
fusion temperature. Dental porcelains can have a hardness that exceeds that of the
enamel of natural teeth, but they are often more brittle and more likely to fracture.
They also do not have the same optical properties, thermal conductiv ity, or natural
fluorescence as biological materials.
Full-porcelain (ceramic) dental materials include porcelain, ceramic, or glasslike fillings
and crowns (a metal-free option known as a jacket crown). They are used as inlays,
onlays, crowns, and aesthetic veneers. A veneer is a very thin shell of porcelain that
can replace or partially cover tooth enamel. Full-porcelain (ceramic) restorations are
particularly desirable because their color and translucency mimic natural tooth enamel.
Zirconium oxide is a very strong and refractory material that has recently appeared as
a dental material. With a three-point bending strength exceeding 900 megapascals,
zirconium oxide is expected to be applicable to many new applications in dentistry,
including bridges, implant suprastructures, and root dowel pins.
Casting the shape of a broken tooth
into a natural shape or one that
resembles the fragment of the broken
tooth is greatly facilitated by the use
of computerized CAD/CAM
technologies. These technologies are
used to make molds for the casting of
dental ceramics. Figure 18 illustrates
natural-looking teeth made from
dental porcelains defined by a
computer-generated mold.
TISSUE CONSTRUCTS AS
Figure 18. Computer-Based Sculpted Ceramic TeethBIOMATERIALS
Living tissues are sometimes considered biomaterials if they have been cultured prior to
application to the human body or utilized much the same way as a synthetic material
would be utilized. The formation of living tissues into constructs is sometimes called
tissue engineering. This is a bit of a misnomer in that it is an advanced form of cell
culture and cellular biology and has little in common with engineering in the classical
sense of application of mathematics and physics to problems.
Rather, tissue engineering is the application of biological and cell cu lturing techniques
to encourage the growth of tissues in certain ways and in the development of viable
substitutes that restore and maintain the function of human tissues . This is a form of
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIO! 1!SE ON! X
13Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 20, contando a capa.
TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21
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terapêutica médica e difere da terapia medicamentosa comum ou dos implantes permanentes porque a cultura se integra ao paciente, oferecendo uma cura potencialmente permanente e específica do estado patológico.
Há muitas abordagens da engenharia de tecidos, mas todas envolvem um ou mais dos seguintes ingredientes essenciais: células colhidas, a introdução de moléculas de sinalização especializadas e matrizes tridimensionais.
A abordagem consiste em semear matrizes (ou arcabouços) biodegradáveis muito porosas, com o formato do osso ou tecido desejado, com células e moléculas de sinalização (por exemplo, fatores de crescimento proteicos), cultivá-las e implantar os arcabouços no defeito, para induzir e dirigir o crescimento de novo osso ou tecido. O objetivo é que as células se fixem ao arcabouço, se multipliquem, se diferenciem (isto é, passem de um estado inespecífico ou primitivo a células com funções específicas) e se organizem em tecido normal e saudável à medida que o arcabouço se degrada. As moléculas de sinalização podem ser aderidas ao arcabouço ou incorporadas diretamente ao material do arcabouço. A Figura 19 ilustra a sequência de etapas desse processo.
[Esquema: matriz tridimensional, cultura, implante, osso saudável]
Figura 19. Regeneração de tecido guiada por arcabouço
Talvez o maior desafio da engenharia de tecidos seja como garantir a angiogênese em tempo hábil dentro do construto-arcabouço; sem suprimento de sangue, as células morrerão e ocorrerá infecção maciça.
Em biologia, "autólogo" refere-se a células, tecidos ou até proteínas que são reimplantados no mesmo indivíduo de que foram retirados. Medula óssea, biópsia de pele, cartilagem e osso podem ser usados como autoenxertos. Em contraste, células ou tecidos transplantados de um indivíduo diferente são chamados de alogênicos, homólogos ou aloenxerto.
BIOMATERIAIS DE ARCABOUÇO TECIDUAL
Uma ideia intrigante na engenharia de tecidos é o uso de polímeros biodegradáveis como arcabouço para fazer crescer tecidos de determinado formato definido, por exemplo, a cartilagem do pavilhão de uma orelha perdida num acidente.
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14Nota editorial: Engenharia de tecidos com arcabouços biodegradáveis e o esquema da Figura 19.
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UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL 031! BHLY
medical therapeutics and differs from standard drug therapy or permanent implants in
that the culture becomes integrated within the patient, affording a potentially
permanent and specific cure of the disease state.
There are many approaches to tissue engineer ing, but all involve one or more of the
following key ingredients: harvested cells, introduction of specialized signaling
molecules, and three-dimens ional matrices.
The approach involves seeding highly porous biodegradable matrices (or scaffolds) in
the shape of the desired bone or tissue, with cells and signaling molecules (for
example, protein growth factors), then culturing and implanting the scaffolds into the
defect to induce and direct the growth of new bone or tissue. The goal is for the cells to
attach to the scaffold, multip ly, differentiate (that is, transform from a nonspecific or
prim itive state into cells exhibiting the specific functions), and organize into normal,
healthy tissue as the scaffold degrades. The signaling molecules can be adhered to the
scaffold or incorporated directly into the scaffold material. Figure 19 illustrates the
sequence of steps in this process.
----+
30 matrix Cutture Implant Healty
bone
Figure 19. Scaffold-Guided Tissue Regeneration
Perhaps the biggest challenge for tissue engineer ing is how to ensure angiogenesis in a
timely fashion within the scaffold construct; without a blood supply, cells will die, and
mass infection will occur.
In biology, "autologous" refers to cells, tissues, or even proteins that are reimplanted
into the same individual they were taken from. Bone marrow, skin biopsy, cartilage,
and bone can be used as autografts. In contrast, cells or tissues transplanted from a
differe nt indiv idual are referred to as allogeneic, homologous, or an allograft.
TISSUE SCAFFOLD BIOMATERIALS
An intriguing idea in tissue engineeri ng is the use of biodegradable polymers as a
scaffold for growing tissues of a certain defined shape- for example, the cartilage of an
ear pinna lost in an accident .
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIA! I !SE ON! X
14Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 21, contando a capa.
TRECHO 15 · PÁGINA FÍSICA 22
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Polímeros biodegradáveis têm sido usados com máquinas de prototipagem rápida controladas por computador para formar formas porosas em que células de tecido podem crescer para dentro. O resultado, após muitas semanas de imersão em cultura de tecido, é que o polímero se degrada lentamente, deixando o tecido cultivado com o formato do arcabouço predefinido. Embora essa abordagem não possa fazer crescer órgãos complexos, como um coração ou um rim, que têm muitos tecidos diferentes, ela pode ser usada para criar estruturas simples de produtos celulares, por exemplo, de cartilagem excretada por células fibroblásticas. Essas estruturas não criam suas próprias redes de vasos sanguíneos, um problema cuja solução está no futuro.
A Figura 20 mostra o CSLA (lactídeo-co-glicolídeo estrelado reticulável), um polímero biodegradável depositado numa estrutura de favo de mel por um processo não muito diferente da impressão a jato de tinta. A caneta de jato de tinta é abastecida com uma forma líquida e quente do polímero CSLA, que depois endurece ao esfriar e ao ser exposto ao ar. Usando um computador para reescrever camadas sucessivas umas sobre as outras, constrói-se uma estrutura tridimensional.
Figura 20. Material biodegradável CSLG depositado em estrutura de favo de mel para permitir a infiltração por células vivas em cultura celular submersa
BIOMATERIAIS CARDIOVASCULARES
Os biomateriais são muitas vezes transformados em dispositivos médicos, em vez de vendidos em forma bruta. Entre as maiores e mais exigentes de todas as aplicações de biomateriais estão os dispositivos que entram em contato direto com o sangue. Em geral, vários derivados do Teflon e do silicone são os mais usados para contato com o sangue, enquanto metais e cerâmicas são mais usados em tecidos.
As aplicações cardiovasculares (coração e vasos sanguíneos) são uma das categorias mais importantes de biomateriais para implantes. Os biomateriais para aplicações cardiovasculares costumam ser preparados com polímeros, porque os polímeros existem numa grande variedade de composições, com propriedades físicas e mecânicas adequadas, e podem ser facilmente transformados em produtos com o formato desejado. Além disso, alguns metais e cerâmicas são usados na corrente sanguínea. A Figura 21 lista alguns dos dispositivos cardiovasculares comuns e por quanto tempo ficam em contato com o sangue.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
15Nota editorial: Arcabouços impressos por prototipagem rápida (Figura 20) e início da seção sobre biomateriais cardiovasculares.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OPFICIJllt l:ISE 8PUs:lf
Biodegradable polymers have been used with computer-based rapid prototyping
machines to form porous shapes where t issue cells can ingrow. The result after many
weeks of submers ion in tissue culture is that the polymer slowly degrades, leaving the
cultured tissue in the shape of the predefined scaffold. Although this approach cannot
grow complex organs, like a heart or kidney, that have many different tissues, it can be
used to create simple structures of cell products-for example, of cartilage excreted by
fibroblast cells. These structures do not create their own networks of blood vessels, a
problem whose solution lies in the future.
Figure 20 shows CSLA (Crosslinkable Star Lactide-co-Glycolide), a biodegradable
polymer deposited into a honeycomb structure by a process not unlike ink-jet printing.
The ink-jet pen is supplied with a hot liquid form of the CSLA polymer, which then
hardens when it cools and is exposed to the air. Using a computer to rewrite successive
layers on top of one another, a three-dimensional structure is built.
Figure 20. Biodegradable Material CSLG Deposited in a Honeycomb Structure to Allow Infiltration by
Living Cells While in a Submerged Cell Culture
CARDIOVASCULAR BIOMATERIALS
Biomaterials are often made into medical devices rather than being sold in raw form.
Among the largest and most demanding of all biomaterial applications are devices that
come into direct contact with blood. In general, various derivatives of Teflon and
silicone are the most widely used for blood contact, while metals and ceramics are more
often used in tissues.
Cardiovascular (heart and blood vessel) applications are one of the most important
categories of implant biomaterials. Biomaterials for cardiovascular applications are
usually prepared using polymers, because polymers are available in a wide variety of
compos itions with adequate physical and mechanical properties and can easily be
manufactured into products with the desired shape. In addition, some metals and
ceramics are used in the blood stream . Figure 21 lists some of the common
cardiovascular devices and how long they are in contact with blood.
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIO~ 11&5 QNla:lf
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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23
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Dispositivos médicos usados na corrente sanguínea
Tempo de contato com o sangue
Cateteres: de minutos a dias
Fios-guia: de minutos a horas
Sensores: de minutos a meses
Marca-passo: 10 anos
Enxerto vascular: vida inteira
Válvula cardíaca: vida inteira
Stent: vida inteira
Oxigenação extracorpórea: horas
Rim artificial (hemodialisador): horas
Coração artificial total: 10 anos
Dispositivo de assistência ventricular esquerda (LVAD): de dias a anos
Figura 21. Alguns dos dispositivos biomédicos mais populares e a duração de seu contato com o sangue
Os biomateriais são usados como enxertos vasculares na substituição de artérias, nos quais são conectados (enxertados) aos vasos sanguíneos naturais nas duas extremidades. Quando as artérias, em particular as coronárias e os vasos dos membros inferiores, ficam bloqueadas por depósitos de gordura (aterosclerose), segmentos podem, em alguns casos, ser substituídos por enxertos. A Figura 22 mostra enxertos vasculares comerciais fabricados pela Gore Medical (Flagstaff, Arizona, EUA).
Figura 22. Espuma de Teflon da Gore Medical usada em enxertos vasculares. Trata-se de vasos sanguíneos artificiais usados para substituir vasos do corpo humano danificados por acidente, aterosclerose ou doença vascular diabética.
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16Nota editorial: Quadro do tempo de contato de dispositivos com o sangue (Figura 21) e enxertos vasculares comerciais (Figura 22).
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UNCLASSIFIED/ /5i0A 05i5ilQIAk Ulilii QNkY
Medical Devices Used in the Bloodstream
Blood contact time
Catheters Min-days
Guidewires Min-hrs
Sensors Min-months
Pacemaker 10 yrs
Vascular Graft lifetime
Heart Valve lifetime
Stent lifetime
Extracorporeal Oxygenation hrs
Artificial Kidney (hemodialyzer) hrs
Total Artificial Heart 10 yrs
Left Ventricular Assist Device (LVAD) Days-yrs
Figure 21. Some of the More Popular Biomedical Devices and Duration of Thei r Blood Contact
Biomate rials are used as vascular grafts for artery replacements in which they are
connected (grafted) onto natural blood vessels at both ends. When arteries, part icularly
the coronary arter ies and the vessels of the lower limbs, become blocked by fatty
deposits (at herosclerosis), segments in some cases can be replaced with grafts . Figure
22 shows commerc ial vascular grafts made by Gore Medical (Flagstaff, Arizona, USA).
Figure 22. Gore Medical Teflon Foam Used in Vascular Grafts. These are artificial blood vessels used to
replace blood vessels in the human body damaged by accident, atherot hrosclerosis, or diabetic vascular disease.
UNCLASSIFIED/;'FOR OFFI@IAk YSE 8rtt'f
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TRECHO 17 · PÁGINA FÍSICA 24
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Um problema que a maioria dos materiais causa em contato com o sangue é o de desencadear a rápida formação de trombo (um agregado de células do sangue). A formação de um trombo é perigosa, pois o trombo pode aderir à superfície do biomaterial ou se desprender. Se um trombo se desprende, pode viajar pela corrente sanguínea e ocluir vasos menores no cérebro (o que se chama acidente vascular cerebral) ou nos pulmões (o que se chama embolia). Alguns enxertos vasculares de pequeno diâmetro (menos de 5 milímetros de diâmetro interno) e próteses para reconstrução de veias doentes só são "seguros" quando se usam anticoagulantes.
Além da formação de trombos, os biomateriais podem ser colonizados por bactérias causadoras de infecção. Alguns microrganismos encontrados em hospitais são extremamente resistentes à terapia antibiótica, e as infecções só podem ser plenamente resolvidas quando o biomaterial é removido. Isso é particularmente um problema em implantes de quadril e joelho, onde o fluxo de sangue perto da articulação é pobre e o sistema imunológico do corpo tem acesso limitado. Infecções por Staphylococcus aureus resistente à meticilina são perigosas nessas situações.
A alta tolerância do corpo ao Teflon tecido e moldado permite que ele seja usado como material flexível de remendo para outras superfícies em contato com o sangue, além dos vasos sanguíneos. Por exemplo, a Gore, Inc. fabrica um material à base de Teflon usado para fechar orifícios no coração de bebês nascidos com defeitos do septo atrial. A Figura 23 é uma concepção artística de como o remendo é inserido no orifício da parede atrial por meio de um cateter.
Figura 23. Ilustração do tratamento de um defeito do septo atrial com um produto à base de Teflon fabricado pela Gore, Inc.
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17Nota editorial: Trombose e infecção em implantes, e o remendo à base de Teflon para defeitos do septo atrial (Figura 23).
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UNCLASSIFIED/ JPOI\ OPPICIJ!tt l:l!H! 8,.LY
A problem most materials cause when in blood contact is that they trigger the rapid
format ion of thrombus (an aggregation of blood cells) . The formation of a thrombus is
dangerous, as the thrombus could either adhere to the surface of the biomaterial or be
detached. If a thrombus is detached, it can travel in the blood stream and occlude
smaller vessels in the brain (called a stroke) or lungs (called an embolism). Some
small-diameter vascular grafts ( < 5-millimeter internal diameter) and prostheses for
reconstruction of diseased veins are "safe" only when ant icoagulant drugs are used.
In addition to thrombus formation, biomaterials can become colonized with infection
causing bacteria. Some microorganisms found in hospitals are extremely resistant to
antibiotic therapy, and infections cannot be fully resolved unti l the biomater ial is
removed. This is particularly a problem with hip and knee implants, where there is poor
blood flow near the joint and the body's immune system has limited access. Methicillin
resistant staphylococcus aureus infections are dangerous in these situations.
The high tolerance of the body for woven and formed Teflon allows it to be used as a
flex ible patch mate rial for other blood-contacting surfaces, in addition to blood vessels.
For example, Gore, Inc., makes a Teflon-based material that is used to patch holes in
the heart of infants born with atrial septal defects. Figure 23 is an artist's conception of
how the patch is inserted into the hole in the atrial wall using a catheter.
Figure 23. Illustration of Treatment of an Atrial Septal Defect Using a Teflon-Based Product
Manufactured by Gore, Inc.
UNCLASSIFIED/ ;<fOA OFFICI.I ~ 1Pili Qtl! X
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TRECHO 18 · PÁGINA FÍSICA 25
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As válvulas cardíacas são outra aplicação de biomateriais em que os materiais ficam em contato direto com o sangue. Em geral, são construídas com uma forma de aço inoxidável e Teflon tecido (ou Dacron) como anel de sutura para ancorar o dispositivo. A Figura 24 mostra um desses dispositivos.
Figura 24. Válvula cardíaca Bjork Shiley de aço inoxidável e Teflon
BIOMATERIAIS PARA STENTS
Um stent é um tubo de malha metálica que lembra um pouco o brinquedo chinês de prender os dedos e é usado para manter aberta uma artéria obstruída. Os stents são levados ao coração num cateter, na ponta de um fio, em geral inserido numa artéria da virilha.
O stent é comprimido a um diâmetro pequeno e colocado sobre um cateter com balão. Em seguida, é movido cirurgicamente até a área do bloqueio. Quando o balão é inflado, o stent se expande, se trava no lugar e forma um arcabouço que mantém a artéria aberta. A Figura 25 mostra uma concepção artística desse processo.
O stent permanece na artéria de forma permanente, mantém-na aberta, melhora o fluxo de sangue para o músculo cardíaco e alivia os sintomas (em geral, dor no peito). Dentro de poucas semanas após a colocação do stent, o revestimento interno da artéria (o endotélio) cresce sobre a superfície metálica do stent. Os stents costumam ser feitos de uma forma de aço inoxidável dúctil o bastante para ser expandida por um balão e depois resistir às forças de fechamento da parede do vaso após a retirada do balão.
A inserção e o uso do balão para expandir o stent envolvem alguns riscos, que podem ser superados se o stent for feito de um metal autoexpansível chamado Nitinol™. Com um stent de nitinol, o stent é colocado no corpo comprimido, enquanto é mantido frio por um fluxo de solução salina refrigerada pelo cateter. Quando se deixa que ele aqueça até a temperatura do corpo, desligando-se a água fria do cateter, o stent se expande e aplica de modo mais reprodutível uma pressão calibrada às paredes do vaso sanguíneo.
Figura 25. Ilustração da colocação de um stent. O stent é usado para ampliar a abertura interna de um vaso sanguíneo obstruído.
[Texto na figura: balão dilatado]
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18Nota editorial: Válvulas cardíacas (Figura 24) e stents, com o esquema de colocação da Figura 25.
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UNCLASSIFIED/ /FOR. errl@IAL YSI: e .. tv
Heart valves are another application
of biomaterials in which the materials
are in direct contact with blood. They
are typically constructed using a form
of stainless steel and woven Teflon (or
Dacron) as a suture ring to anchor the
device. Figure 24 shows one of these
devices.
STENT BIOMATERIALS
A stent is a metal mesh tube that
looks something like a Chinese finger
puzzle and is used to prop open a
clogged artery. These are delivered to
the heart in a catheter on the end of a
wire usually inserted into an artery in
the groin.
The stent is collapsed to a small
diameter and placed over a balloon
catheter. It is then surgically moved into the area of the blockage. When the balloon is
inflated, the stent expands, locks into place, and forms a scaffold that holds the artery
open. Figure 25 shows an artist's conception of this process.
The stent stays in the artery
permanently, holds it open, improves
blood flow to the heart muscle, and
relieves symptoms (usually chest
pain). Within a few weeks after the
stent was placed, the inside lining of
the artery (the endothelium) grows
over the metal surface of the stent.
Stents are often made from a form of
stainless steel that is ductile enough
to be expanded by a balloon and then
resist closure forces of the vessel wall
after the balloon is removed.
The insertion and use of the balloon to
expand the stent involves some Figure 25. Illustration of Stent Placement. The stent is
hazards that can be overcome if the used to expand the luminal opening of a clogged blood
stent is made from a self-expanding vessel.
metal called Nitinol ™. With a nitinol
stent, the stent is placed into the body collapsed while it is held cold by a flow of
refrigerated saline through the catheter. When allowed to heat up to body temperature
by shutting off the cold water to the catheter, the stent expands and more reproducibly
applies a calibrated amount of pressure to the blood vessel walls .
Figure 24. Stainless Steel and Teflon Bjork Shiley
Heart Valve
Dilated balloon
~e Jmu• " (')IT'
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TRECHO 19 · PÁGINA FÍSICA 26
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NITINOL COMO BIOMATERIAL
O uso do metal nitinol em stents é uma aplicação engenhosa das propriedades de uma classe de materiais chamada ligas com memória de forma (SMAs). As SMAs são misturas de metais que, depois de tratadas sob tensão, podem ser deformadas de modo significativo e depois estimuladas a voltar à sua forma original.
As SMAs têm uma propriedade bastante notável: elas se lembram de sua forma. Essa propriedade "inteligente" resulta da capacidade da substância de sofrer uma mudança de fase. Isso ocorre em nível atômico, em que os átomos do sólido mudam sutilmente de posição em resposta a um estímulo, como uma mudança de temperatura ou a aplicação de tensão mecânica.
Uma vez que o metal é formado a alta temperatura, ele se lembra dessa forma. Distorções subsequentes do material, quando frio, permanecem fixadas enquanto o material se mantém a baixa temperatura. Entretanto, aquecer o material a uma temperatura específica, relativamente mais próxima de sua temperatura de formação, desencadeia o retorno à forma original.
Nos stents, a trama é comprimida enquanto está fria, para facilitar a inserção num vaso sanguíneo, e mantida fria por um fluxo de solução salina fria que sai do cateter. Quando o stent se aquece à medida que o cateter é retirado, ele se expande e expande o vaso sanguíneo ao redor. A Figura 26 mostra um stent de nitinol.
Figura 26. Stent de nitinol. O nitinol é uma liga de titânio. É biocompatível e também é um material com memória de forma.
LENTES DE CONTATO
As lentes de contato são usadas para corrigir a visão do mesmo modo que os óculos, mas são leves e praticamente invisíveis. Sua praticidade e popularidade dependem, em última análise, dos biomateriais de que são feitas.
As lentes de contato macias modernas foram inventadas pelo químico tcheco Otto Wichterle e seu assistente, Drahoslav Lím, que também inventou o primeiro gel usado em sua produção. Mas só com o emprego do polimetilmetacrilato, conhecido como PMMA (um parente dos plásticos acrílicos, como o Plexiglas™), é que elas passaram a ter apelo de massa. A Figura 27 mostra uma lente de contato permeável a gases.
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19Nota editorial: Nitinol e ligas com memória de forma (Figura 26) e início da seção sobre lentes de contato.
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NITINOL AS A BIOMATERIAL
The use of nitinol metal in stents is a clever application of the properties of a class of
materials called shape memory alloys (SMAs). SMAs are mixtures of metals that, after
being stress treated, can be deformed significantly but then triggered to return to their
original shape.
SMAs have a rather remarkable
property: they remember their shape.
This "smart" property is the result of
the substance's ability to undergo a
phase change . This occurs at the
atom ic level, where atoms in the solid
subtly shift their positions in response
to a stimulus, such as a change in
temperature or the application of
mechanical stress.
Once the metal is formed at a high
temperature it remembers th is shape.
Subsequent distortions of the material
when it is cold remain locked in place
while the material remains at a low
temperatu re. However, warming the
material to a specific temperature that
is relat ively closer to its formation
temperatu re will trigger a return to its
original formed shape.
In stents, the web is collapsed while it
is cold for easy insertion into a blood
vessel and held cold by a flow of cold
saline out of the catheter. When the
stent warms up as the catheter is
Figure 26. Nitinol Stent. Nitinol is an alloy of tita nium. Itremoved, it expands itself and the is biocompat ible and also a shape memory material.
surround ing blood vessel. Figure 26
shows a Nitinol stent.
CONTACT LENSES
Contact lenses are used to correct vision in the same way as worn glasses but are
lightwe ight and virtually invisible. Their practica lity and popularity ultimate ly depend on
the biomaterials of which they are made.
Modern soft contact lenses were invented by Czech chemist Otto Wichterle and his
assistant, Drahoslav Um who also invented the first gel used for their production.
However, it was not until the employment of poly -methyl -met hacry late, known as
PMMA (a cousin of acrylic plastics, such as Plexiglas™), that they began to enjoy mass
appeal. Figure 27 shows a gas-permeab le contact lens.
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&ilAk U&li QDIL¥
19Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 26, contando a capa.
TRECHO 20 · PÁGINA FÍSICA 27
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O PMMA, porém, não é um material ideal para lentes de contato, pois nenhum oxigênio é transmitido através da lente até a conjuntiva e a córnea. Isso pode causar uma série de efeitos clínicos adversos. Para resolver esse problema, foi desenvolvida uma gama de materiais rígidos, porém permeáveis ao oxigênio. Esses materiais, chamados de materiais ou lentes "rígidos permeáveis a gases" ou "RGP", foram feitos acrescentando-se sinteticamente dimetilsiloxano (uma forma de silicone) a plásticos acrilatos. Os silicones têm um nível muito alto de transporte de oxigênio, e amalgamá-los com plásticos acrescenta essa qualidade, enquanto os acrílicos dão resistência e dureza. Acredita-se que a fácil difusão do oxigênio através dos silicones resulte de uma solubilidade intermediária do oxigênio na fase gasosa com a fase de gel do silicone.
Figura 25. Lente de contato. As lentes de contato modernas são feitas de uma mistura de acrílicos e silicones que deixa o oxigênio passar com facilidade até a córnea.
[Numeração conforme a página; a lista de figuras e o texto remetem a Figura 27.]
Ocasionalmente, o termo "permeável a gases" é usado para descrever as lentes RGP, mas isso é potencialmente enganoso, pois as lentes macias também são permeáveis a gases, na medida em que deixam o oxigênio passar pela lente até a superfície ocular.
Em 1999, os primeiros hidrogéis de silicone foram lançados no mercado de lentes de contato. Esses novos materiais tinham a vantagem de alta permeabilidade ao oxigênio, com o conforto e o desempenho clínico dos hidrogéis convencionais usados nos 30 anos anteriores. Essas lentes foram inicialmente recomendadas principalmente para uso prolongado (durante a noite), embora, mais recentemente, tenham sido lançadas lentes de contato de hidrogel de silicone de uso diário (sem dormir com elas).
POLÍMEROS PARA LIBERAÇÃO DE MEDICAMENTOS
Uma área da pesquisa de biomateriais é o uso de materiais biodegradáveis no projeto de sistemas de liberação controlada de medicamentos. Grande parte desse trabalho é impulsionada pela necessidade de liberação lenta de insulina para o controle do diabetes instável. As bombas mecânicas de insulina têm sucesso moderado, mas em geral são usadas fora do corpo e são incômodas.
A capacidade de introduzir insulina e outros medicamentos de forma controlada, usando biopolímeros, tem vantagens claras em termos de conveniência para o usuário. Do mesmo modo, a liberação lenta de outros medicamentos, como os quimioterápicos, é necessária para manter o medicamento na faixa terapêutica desejada com uma única dose.
A estratégia básica de alguns desses sistemas é encapsular os medicamentos em membranas, cápsulas, microcápsulas, lipossomas e fibras ocas. Outra abordagem é dispersar
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20Nota editorial: Materiais de lentes de contato (a legenda traz a numeração Figura 25) e início da seção sobre polímeros para liberação de medicamentos.
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UNCLASSIFIED//P'OR. OP'fl@IAL W&lii QPIL¥
PMMA, however, is not an ideal
contact lens material since no oxygen
is transmitted through the lens to the
conjunctiva and cornea. This can
cause a number of adverse clinical
effects. To solve this problem, a range
of oxygen-permeable but rigid
materials were developed. These
materials, referred to as "rigid gas
permeable" or "RGP" materials or
lenses, were made by synthetically
adding dimethylsiloxane (a form of
silicone) to acrylate plastics. Silicones
have a very high level of oxygen
transport, and amalgamating them
with plastics adds this quality, while Figure 25. contact Lens. Modern contact lenses are made
the acrylics provide strength and of a mixture of acrylics and silicones that readily pass
hardness. The easy diffusion of oxygen to the cornea.
oxygen across silicones is thought to be a result of an intermediate solubility of oxygen
in the gas phase with the gel phase of silicone.
Occasionally, the term "gas permeable" is used to describe RGP lenses, but this is
potentially misleading, as soft lenses are also gas permeable in that they allow oxygen
to move through the lens to the ocular surface.
In 1999, first silicone hydrogels were launched on the contact lens market. These new
materials had the advantage of high oxygen permeability, with the comfort and clinical
performance of the conventional hydrogels that had been used for the previous 30
years. These lenses were initially advocated primarily for extended (overnight) wear,
although more recently, daily (no overnight) wear silicone hydrogel contact lenses have
been launched.
DRUG DELIVERY POLYMERS
One area of biomaterials research is the use of biodegradable materials in the design of
systems for controlled drug delivery. Much of this work is driven by the need for the
slow release of insulin for the control of brittle diabetes. Mechanical insulin delivery
pumps are moderately successful but usually are worn on the outside of the body and
are cumbersome.
The ability to introduce insulin and other drugs in a controlled-release manner using
biopolymers has clear advantages in terms of user convenience. Similarly, the slow
release of other drugs, such as chemotherapeutic agents, is necessary to maintain the
drug in the desired therapeutic range with just a single dose.
The basic strategy with some of these systems is to encapsulate drugs in membranes,
capsules, microcapsules, liposomes, and hollow fibers. Another approach is to disperse
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIO! 1 !SE ON! X
20Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 27, contando a capa.
TRECHO 21 · PÁGINA FÍSICA 28
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o agente ativo num polímero biodegradável, como mostra a Figura 28. O polímero hospedeiro do medicamento se dissolve, liberando o medicamento de forma controlada ao longo do tempo.
[Esquema: polímero; medicamento; tempo = 0; tempo = t]
Figura 26. Representação esquemática de um dispositivo de liberação de medicamento biodegradável (bioerodível)
[Numeração conforme a página; a lista de figuras e o texto remetem a Figura 28.]
O uso de materiais biodegradáveis permite introduzir o medicamento sem grande preocupação com o acúmulo do polímero transportador. O transportador é, por fim, absorvido pelo corpo e, assim, não precisa ser removido cirurgicamente.
A difusão do medicamento através da matriz polimérica também pode determinar a taxa de dosagem do medicamento sem perda real do polímero. Essa taxa é determinada pela escolha do polímero, pelo tamanho de seus poros e pela velocidade com que o medicamento se difunde a partir dos poros.
As três principais vantagens que os produtos poliméricos de liberação de medicamentos podem oferecer são:
• Liberação localizada de medicamentos: a combinação polímero-medicamento pode ser implantada diretamente no local em que a ação do medicamento é necessária e, assim, a exposição do corpo inteiro ao medicamento pode ser reduzida. Isso é especialmente importante para medicamentos tóxicos, como os quimioterápicos.
• Liberação sustentada de medicamentos: uma vez injetado, o medicamento encapsulado é liberado por períodos prolongados, eliminando a necessidade de várias injeções. Isso pode melhorar a adesão do paciente, em especial com medicamentos para indicações crônicas que exigem injeções frequentes (como na deficiência de certas proteínas).
• Estabilização do medicamento: o polímero pode proteger o medicamento do ambiente fisiológico e, assim, melhorar sua estabilidade in vivo. Essa característica torna a tecnologia atraente para a liberação de medicamentos lábeis, como as proteínas.
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21Nota editorial: Esquema de liberação de medicamento por polímero bioerodível (legenda numerada Figura 26) e três vantagens da liberação polimérica.
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UNCLASSIFIED// FOR OFFICl,CL l:ISI!!! 8HL'f
the active agent in a biodegradable polymer, as shown in Figure 28. The polymer host
to the drug dissolves, releasing the drug in a controlled manner over time.
polym r
••• •• •• • • • ••••• • •
drug
time - 0 time - t
Figure 26. Schematic Representation of Biodegradable (Bioerodible} Drug Delivery Device
The use of biodegradable materials allows the drug to be introduced without much
concern for the build-up of the polymer carrier. The carrier is eventually absorbed by
the body and, thus, need not be removed surgically.
Drug diffusion through the polymer matrix can also determine the drug dosage rate
without actual loss of the polymer. This rate is determined by the choice of polymer,
the size of its pores, and the rate at which the drug diffuses from the pores.
The three key advantages polymeric drug delivery products can offer are:
• Localized Delivery of Drugs: The polymer-drug combination can be implan ted
directly at the site where drug action is needed and, hence, whole-body exposure of
the drug can be reduced. This becomes especially important for toxic drugs, such as
the chemotherapeutic drugs.
• Sustained Delivery of Drugs: Once injected, the encapsulated drug is released over
extended periods, thereby eliminating the need for multiple injections. This feature
can improve patient compliance, especially with drugs for chronic indications that
require frequent injections (such as for deficiency of certain proteins).
• Stabilization of the Drug: The polymer can protect the drug from the physiological
environment and hence improve its stability in vivo. This particular feature makes
this technology attractive for the delivery of labile drugs, such as proteins.
UNCLASSIFIED/ fFOA QFFICiI> .. U&'li ODIL¥
21Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 28, contando a capa.
TRECHO 22 · PÁGINA FÍSICA 29
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É necessária uma seleção adequada da matriz polimérica para desenvolver um sistema de liberação de medicamentos bem-sucedido. Os polímeros mais usados para essa aplicação, o polilactídeo (PLA) e o poli(lactídeo-co-glicolídeo) (PLGA), são usados em aplicações biomédicas há mais de 20 anos e sabidamente são biodegradáveis, biocompatíveis e atóxicos. Há vasta literatura sobre a caracterização desses polímeros e sobre suas propriedades de biodegradação e liberação de medicamentos.
TITÂNIO MÉDICO COMO BIOMATERIAL
O titânio metálico tem qualidades de resistência, inércia e compatibilidade biológica que o tornam desejável como biomaterial. Essencialmente todos os marca-passos, neuroestimuladores e vários outros dispositivos médicos implantados usam o titânio como material do invólucro. O titânio metálico, exposto brevemente à atmosfera, oxida-se e forma uma camada microscopicamente fina de titânia (óxido de titânio). A titânia é um composto duro, aderente e inerte, semelhante a uma cerâmica, e acredita-se que seja em grande parte responsável pela aceitabilidade do titânio em aplicações biomédicas em que a corrosão do metal em fluidos corporais quentes e salgados normalmente seria um problema.
O titânio é usado por sua alta resistência em substituições de articulações de quadril e joelho. Nesses casos, é importante como o metal se integra ao tecido vivo e ao osso, porque a carga precisa ser transferida do metal para o osso. O titânio em geral se sai extremamente bem e é usado como o metal de escolha em quase todas as aplicações biomédicas em que a alta resistência e a resistência a impactos são importantes.
O titânio tem uma capacidade particular entre os vários metais que poderiam ser escolhidos: a de se integrar bem ao osso vivo. O reconhecimento disso remonta a 1952, quando o professor sueco Per-Ingvar Branemark realizou um experimento em que estudava o fluxo sanguíneo no osso vivo de coelhos. O osso foi fixado num suporte de titânio de usinagem tosca. Ao final do experimento, depois de muitos dias, ele constatou que o osso se integrara tão completamente ao titânio que era impossível removê-lo. Chamou isso de osseointegração e viu as possibilidades de uso em seres humanos. A Figura 29 mostra uma fotomicrografia de uma interface titânio-osso. A aproximação íntima do titânio (preto) com o tecido é um indicador de estreita integração metal-tecido. A osseointegração foi implementada primeiro em odontologia, para fixar dentes. Agora também é usada na reconstrução da cabeça e da mandíbula.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
22Nota editorial: Fim da seção de liberação de medicamentos e seção sobre o titânio médico e a osseointegração.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OPPICIAL Y§liii Ql'IL¥
An appropriate selection of the polymer matrix is necessary in order to develop a
successful drug delivery system. The most commonly used polymers for this
application, polylactide (PLA) and poly(lactide-co-glycol ide) (PLGA), have been used in
biomedical applications for more than 20 years and are known to be biodegradable,
biocompat ible, and nontoxic. A vast amount of literature is available on the
characterization of these polymers and their biodegradation and drug-release
properties.
MEDICAL TITANIUM AS A BIOMATERIAL
Titanium metal has qualities of strength, inertness, and a biological compatibility that
make it desirable as a biomaterial. Essentially all pacemakers, neurostimulators, and
various other implanted medical devices use titanium as a packaging case material.
Titanium metal exposed briefly to the atmosphere oxidizes to form a microscopically
thin layer of titania (titanium oxide) . Titania is a hard, adherent, and inert ceramic-like
compound and is thought to be largely responsible for titanium's acceptability in
biomedical applications where metal corrosion in warm, salty body fluids ordinarily
would be a problem.
Titanium is used for its high strength in replacement hip and knee joints . In these
cases, it is important how the metal integrates with living tissue and bone because load
must be transferred from the metal to the bone. Titanium generally does exceedingly
well and is used as the metal of choice in nearly all biomedical applications where high
strength and impact resistance is important .
Titanium has a particular ability among the various metals that might otherwise be
chosen in that it can integrate itself well with living bone. The recognition of this dates
back to 1952, when Swedish Professor Per-Ingvar Branemark conducted an experiment
in which he stud ied blood flow in living rabbit bone. The bone was fixed in a roughly
machined titanium holder. At the conclusion of the experiment, after many days, he
found that the bone had integrated so completely with the titanium that removing it
was impossib le. He called this osseointegration and saw the possibilities for human use.
Figure 29 shows a photomicrograph of a titanium-bone interface. The close
approximation of the titanium (black) to the tissue is an indicator of a close-metal
tissue integ ration. Osseointegration was first implemented in dentistry to fixate teeth. It
is now also is used for head and jaw reconstruction.
UNCLASSIFIED/ ,6FOA OFFICIOL Uili OPIL¥
22Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 29, contando a capa.
TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 3
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Sumário
Introdução ........ vi
Importância da biocompatibilidade ........ vii
Ciência dos biomateriais ........ vii
Biomateriais para biossensores ........ 1
Biomateriais para a biomedicina ........ 2
Silicones biomédicos: polidimetilsiloxanos ........ 2
Química do silicone ........ 4
Silicone em produtos biomédicos ........ 4
Teflon ........ 6
Polímeros biodegradáveis ........ 7
Vantagens da biodegradação ........ 8
Biomateriais degradáveis ........ 8
Ácido polilático e ácido poliglicólico ........ 8
Polietilenoglicol ou óxido de polietileno ........ 10
Hidrogéis ........ 10
Titânio: articulações de quadril e joelho ........ 11
Biocerâmicas ........ 11
Cerâmicas dentárias ........ 13
Construtos de tecido como biomateriais ........ 13
Biomateriais cardiovasculares ........ 15
Biomateriais para stents ........ 18
Nitinol como biomaterial ........ 19
Lentes de contato ........ 19
Polímeros para liberação de medicamentos ........ 20
Titânio médico como biomaterial ........ 22
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
ivNota editorial: Primeira página do sumário, que lista os temas do relatório, de biossensores a titânio médico.
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UNCLASSIFIED/ /POR. orr1e1J1tt tl.!I!!! OHLV
Contents
Introduction ........................................................................................................... vi
Importance of Biocompatibility ......................................................................... vii
Science of Bio materials ..................................................................................... vii
Biomaterials for Biosensors ................................................................................... 1
Biomaterials for Biomedicine ................................................................................. 2
Biomedical Silicones - Polydimethylsiloxanes .................................................... 2
Silicone Chemistry .............................................................................................. 4
Silicone in Biomedical Products .......................................................................... 4
Teflon ................................................................................................................. 6
Biodegradable Polymers ..................................................................................... 7
Biodegradation Advantages ............................................................................... 8
Degradable Biomaterials .................................................................................... 8
Polylactic Acid and Polyglycolic Acid .................................................................. 8
Polyethylene Glycol or Polyethylene Oxide ....................................................... 10
Hydrogels ......................................................................................................... 10
Titanium - Hip and Knee Joints ........................................................................ 11
BioCeramics ..................................................................................................... 11
Dental Ceramics ............................................................................................... 13
Tissue Constructs as Biomaterials .................................................................... .. 13
Cardiovascular Biomaterials ............................................................................. 15
Stent Biomaterials ............................................................................................ 18
Nitinol as a Biomaterial .................................................................................... 19
Contact Lenses ................................................................................................. 19
Drug Delivery Polymers .................................................................................... 20
Medical Titanium as a Biomaterial .................................................................... 22
UNCLASSIFIED//50B OFFICIO ls. U&'li QPlls.¥
ivConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 3, contando a capa.
TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 30
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Figura 27. Fotomicrografia de titânio metálico (aparece em preto nesta foto) em íntima integração com osso vivo. A interseção dos dois materiais mostra uma camada-barreira fina e, em seguida, tecido saudável muito próximo do metal. Não mostra inflamação nem formação de tecido cicatricial.
[Numeração conforme a página; a lista de figuras e o texto remetem a Figura 29.]
A otimização da integração do osso com o titânio tem sido muito estudada ao longo dos anos. Descobriu-se que, se células isoladas conseguem se acomodar em poros da superfície do metal e depois estender-se para se fixar às vizinhas, forma-se uma interface adesiva particularmente boa. Essa observação levou a novos tipos de tratamentos de superfície do titânio para melhorar sua capacidade de se fixar ao osso. A necessidade de uma escala de tamanho de porosidade específica para a integração óssea ideal só recentemente foi reconhecida.
O jateamento de areia da superfície do titânio é feito há muito tempo, mas, recentemente, a corrosão por plasma e a formação de cavidades com ácidos mostraram-se eficazes. Algumas das inovações mais recentes (2008) foram o uso de lasers para criar uma modificação de superfície por meio da fusão de cavidades.
Outra boa abordagem é revestir implantes metálicos com materiais bioativos, como a hidroxiapatita (HA). A HA tem excelentes propriedades de biocompatibilidade, bioatividade e ligação ao osso. Ela forma uma ligação com as películas finas de titânia na superfície dos implantes de titânio e, assim, prepara a superfície para a adesão. Pesquisadores determinaram recentemente que tornar essa camada espessa (cerca de 1 mícron) estimula a proliferação e a ligação das células.
Melhorias recentes na HA incluíram fabricá-la na forma de um nanopó esférico, mais aceitável para os tecidos do que as formas de espículas em que ocorre naturalmente. Usar a HA na forma de nanopó estimula a formação óssea, levando a uma adesão natural, além de química, muito parecida com a de uma cola.
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23Nota editorial: Fotomicrografia da interface entre titânio e osso (legenda numerada Figura 27) e tratamentos de superfície do titânio.
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UNCLASSIFIED/ /FOR. errl@IAL YSI: e .. tv
Figure 27. Photomicrograph of Titanium Metal (Appears Black in This Photo) in an Intimate Integration
With Living Bone. The inte rsection of the tw o materials shows a t hin barrie r layer and the n healt hy tissue very
close to th e metal. It does not show i nflammation or scar tissue formation.
Optimization of the bone integration with titanium has been much studied over t he
years. It has been found that if single cells can nestle into pores on the meta l surface
and then can reach out and attach to the ir neighbo rs, th is forms a particular ly good
adhesive interface . This observation has led to new types of surface t reatments for
titan ium to improve its ability to attach to bone. The need for a particu lar porosity size
scale for optimal bone integration has only recently been recognized.
Sand blasting of the tita nium surface has long been done, but, recently, plasma etching
and pitt ing with the use of acids have been found effective . Some of the more recent
(2008) innovations have been the use of lasers to create a surface modification by
melting pits.
Another good approach is to coat meta l implants with bioactive materials, such as
hydroxyapat ite (HA) . HA has excellent biocompatibility , bioactiv ity, and bone-binding
properties. It forms a bond with titan ia thi n films on the surface of titanium implants
and so prepares the surface for adhesion. Researchers recently determined that making
th is layer th ick (about 1 micron) encourages cell proliferation and bonding.
Recent improvements in HA have included manufacturi ng it in the form of a spher ical
nanopowder that is more acceptable to tissues than are spicule forms of its natural
occurrence. Using HA in the form of a nanopowde r stimu lates bone format ion leading to
a natural, as well as chemical, adhesion, much like glue.
UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICiI.\k Wliliii &PU.¥
23Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 30, contando a capa.
TRECHO 25 · PÁGINA FÍSICA 31
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Outra descoberta recente é que o tratamento da superfície do titânio com um composto de silano cria uma química de superfície que atrai certos biomateriais conhecidos como proteoglicanos. A partir daí, é possível depositar camadas de colágeno na superfície, a partir das quais se formarão tecidos conjuntivos.
O titânio metálico usado em implantes costuma ser uma liga biomédica, a Ti-6Al-4V, pois as ligas biomédicas oferecem boa resistência à corrosão e vida em fadiga razoável e são muito mais rígidas do que o osso cortical. A liga Ti-6Al-4V é mais adequada do que a liga Co-Cr para o revestimento com HA, porque tem menor potencial de blindagem de tensão proximal e de reabsorção óssea.
BIOMATERIAIS NA DIÁLISE
A diálise terapêutica médica, muitas vezes chamada de hemodiálise, é um método de remover ácido úrico e outros produtos residuais do sangue, uma necessidade quando os rins falham. Também é útil para remover do sangue venenos exógenos, como etanol, aspirina, barbitúricos e ácido bórico, em casos de envenenamento.
A hemodiálise acessa a corrente sanguínea por meio de duas agulhas grandes, uma numa artéria e outra numa veia, para fazer o sangue do paciente fluir por uma série de fibras tubulares de membrana oca, finas como um fio de cabelo.
Um dialisador é composto de milhares de fios de fibras ocas tubulares encerrados num cilindro de plástico transparente de vários centímetros de diâmetro (algumas polegadas). O sangue flui pelo interior da fibra de membrana, e um dialisado (fluxo de extração) flui pelo lado de fora. Os produtos residuais de baixo peso molecular saem através da membrana, enquanto as células do sangue e outras moléculas grandes do sangue são retidas. A Figura 30 mostra uma ilustração (à esquerda) e uma fotografia (à direita) de dialisadores usados para tratar a insuficiência renal.
[Texto na ilustração: entrada de sangue; cabeçote; placa de tubos; saída de solução; saída de sangue]
Figura 28. Ilustração (à esquerda) e fotografia (à direita) de um dialisador de sangue como usado em medicina
[Numeração conforme a página; a lista de figuras remete a Figura 30.]
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24Nota editorial: Fim da seção do titânio e início da seção sobre diálise, com a ilustração de um dialisador (legenda numerada Figura 28).
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIJ!tt tJ!H! er•tv
Another recent discovery is that treating the titanium surface with a silane compound
will create a surface chemistry that attracts certain biomaterials known as
proteoglycans. From this point, it is possible to lay down layers of collagen on the
surface from which connective tissues will form.
Titanium metal used for implants is usually a biomedical alloy, Ti-6Al-4V, since
biomedical alloys provide good corrosion resistance and reasonable fatigue life and are
much stiffer than cortical bone. The Ti-6Al-4V alloy is more suitable than is the Co-Cr
alloy for coating with HA because it has less potential proximal stress shielding and
bone resorption.
BIOMATERIALS IN DIALYSIS
Medical therapeutic dialysis, often called hemodialysis, is a method of removing uric
acid and other waste products from blood, a necessity when the kidneys fail. It is also
useful in removing exogenous poisons like ethanol, aspirin, barbiturates, and boric acid
from the blood in cases of poisoning.
Hemodialysis accesses the blood stream through the use of two large needles-one in
an artery and one in a vein-in order to flow a patient's blood through a series of hair
th in, hollow-membrane, tube-like fibers.
A dialyzer is composed of thousands of tube-like hollow fiber strands encased in a clear
plastic cylinder several inches in diameter. Blood flows on the inside of the membrane
fiber, and a dialysate (extraction stream) flows across the outside. Low-mo lecular
weight waste products pass out through the membrane, while blood cells and other
large molecules in the blood are retained. Figure 30 shows an illustration (left) and
photograph (right) of dialyzers used to treat kidney failure.
Blood lnlel
Ileader
Tube sheet
jpiiiilj!!!!!!II• Solution
outlet
Blood outle
Figure 28. Illustration (Left) and Photograph (Right) of a Blood Dialyzer as Used in Medicine
UNCLASSIFIED/ /FOA QFFI&I:wk 1481!! er•tY
24Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 31, contando a capa.
TRECHO 26 · PÁGINA FÍSICA 32
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A diálise funciona segundo os princípios da difusão natural de produtos residuais metabólicos do sangue através de uma membrana semipermeável. Os produtos residuais em alta concentração no sangue se difundem através da membrana. A membrana permite a passagem de moléculas de certo tamanho, mas impede a passagem de outras moléculas maiores do sangue, ajudando assim a eliminar os produtos residuais. A Figura 31 ilustra essa ideia. As células do sangue são mantidas do lado de fora da membrana (laranja), enquanto os solutos dos produtos residuais (pontos violeta e amarelos) a atravessam. Os avanços da bioengenharia e dos aspectos técnicos das máquinas de diálise tornaram a hemodiálise um procedimento seguro e eficaz.
Figura 29. A membrana de cuprofane deixa passar os resíduos do sangue (pontos violeta e laranja) pelos poros e bloqueia a passagem das hemácias
[Numeração conforme a página; a lista de figuras remete a Figura 31.]
O projeto de dialisadores é, antes de tudo, um exercício de seleção de biomateriais. Os materiais de biomembrana desempenham o papel crítico de limpar o sangue, mas não devem danificá-lo nem provocar trombos. O biomaterial mais comum nos dialisadores é uma membrana semipermeável de acetato de celulose, de nome comercial Cuprophane™. As membranas de dialisadores vêm com diferentes tamanhos de poros. A nanotecnologia está sendo usada em algumas das membranas de alto fluxo mais recentes para criar um tamanho de poro uniforme. O objetivo das membranas de alto fluxo é deixar passar moléculas relativamente grandes, como a beta-2-microglobulina (massa molecular de 11.600 dáltons), mas não a albumina (massa molecular de cerca de 66.400 dáltons). Os materiais das membranas de diálise são cruciais para o desempenho prático dos sistemas médicos de hemodiálise. Esses sistemas e materiais sustentam a sobrevivência de milhões de pessoas com insuficiência renal que se submetem a diálise de rotina, em geral por várias horas durante o dia e três a quatro vezes por semana.
Resumo e recomendações
O desempenho dos biomateriais está na base do sucesso de muitos dispositivos médicos que precisam ser aceitáveis para os tecidos do corpo. Esses materiais muitas vezes cumprem funções críticas, talvez de vida ou morte e, por isso, exigem grandes quantias de dinheiro e de tempo para serem testados com rigor. Essa parece ser a razão de a indústria biomédica ser lenta em produzir e aceitar novos materiais.
Os materiais existentes para implantes baseiam-se, em geral, em materiais disponíveis há mais de 20 anos. Os materiais biodegradáveis, em particular o polilactídeo e o glicolídeo, têm longo histórico de uso seguro e eficaz. Com base nessa fundação sólida, a maior parte da inovação está ocorrendo na criação de novas maneiras de dar forma aos materiais e aplicá-los a novas aplicações. Assim, os mercados de biomateriais estão se expandindo, e os médicos podem esperar novos produtos que ajudarão a acelerar a recuperação dos pacientes.
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25Nota editorial: Funcionamento das membranas de diálise (legenda numerada Figura 29) e a seção final, Resumo e recomendações.
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UNCLASSIFIED/ /FOR. Ol'l'ICIAL USE ONLY
Dialysis works on the principles of
natural diffu sion of metabolic waste
products in the blood across a
semipermeable membrane . Waste
products in high concentration in the
blood will diffuse across the
membrane. The membrane allows the
passage of certain-sized molecules
across it but prevents the passage of
other, larger molecules of the blood,
thus helping to get rid of waste
products. Figure 31 illustrates this
idea. The blood cells are kept on the
outside of the membrane (orange)
while waste product solutes (violet
and yellow dots) pass through .
Advances in bioengineering and in the
technical aspects of dialysis machines have made hemodialys is a safe and effective
procedure.
The design of dialyzers is primarily an exercise in biomaterial selection. Biomembrane
materials play the critical role in cleansing the blood, but they must not damage the
blood or provoke thrombus. The most common biomaterial used in dialyzers is a
semipermeable membrane made of cellulose acetate trade-named Cuprophane ™.
Dialyzer membranes come with different pore sizes. Nanotechnology is being used in
some of the most recent high-flux membranes to create a uniform pore size. The goal
of high-flux membranes is to pass relatively large molecules, such as beta-2-
microglobulin (MW 11,600 daltons), but not albumin (MW ~66,400 daltons). Dialysis
membrane materials are crucial to the practical performance of medical hemodialysis
systems. These systems/materia ls support the survival of milli ons of people in kidney
failure that undergo routine dialysis, usually for several hours during the day and three
to four times a week.
Summary and Recommendations
The performance of biomaterials underl ies the success of many medical devices that
must be acceptable to body tissues. These materials often serve critical-perhaps life
and-death-functions and, so, require large amounts of money and time to rigorously
test. This appears to be the reason the biomedical industry is slow to produce and
accept new materials.
Existing materials for implants are generally based on materials that have been
available for more than 20 years. Biodegradable materials, particularly the polylactide
and glycolide, have a long history of safe and effective use. Building on this solid
foundation, most of the innovation is occurring in devising new ways to embody the
materials and apply them to new applications. Thus, the markets are expanding for
biomateri als, and physicians can look forward to new products that will help speed
patient recovery.
UNCLASSIFIED/ {FOR OFFICIO ls. Ulilii &HLY
Figure 29. Cuprophane Membrane Passes Blood Waste
Products (Violet and Orange Dots) Through Pores and
Blocks Passage of Red Blood Cells
25Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 32, contando a capa.
TRECHO 27 · PÁGINA FÍSICA 4
página inteira
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Biomateriais na diálise ........ 24
Resumo e recomendações ........ 25
Figuras
Figura 1. Aplicações de biomateriais em dispositivos médicos ........ vi
Figura 2. Dispositivos médicos comuns que usam biomateriais ........ viii
Figura 3. Biomateriais como policarbonatos, celulose e silicones usados em membranas para sensores, dialisadores e oxigenadores ........ 1
Figura 4. Fotografia de implantes biomédicos de silicone (polidimetilsiloxano) usados em cirurgia reconstrutiva da mama ........ 3
Figura 5. Grupos químicos do silicone ........ 4
Figura 6. Tubo de traqueostomia de silicone ........ 5
Figura 7. Folhas de silicone usadas sob a pele como camada de sustentação física para o reparo de tecido cicatricial ........ 5
Figura 8. Estrutura do Teflon ........ 6
Figura 9. PTFE expandido (Gore-Tex ou ePTFE) usado em implantes labiais ........ 7
Figura 10. Polímeros biodegradáveis ........ 7
Figura 11. Estrutura do ácido polilático (um polímero biodegradável) ........ 9
Figura 12. PLA biodegradável como barreira antiaderência após cirurgia cardíaca aberta ........ 9
Figura 13. Polímeros biodegradáveis baseados em copolímeros de ácido polilático e polietilenoglicol (Polysciences Inc) ........ 10
Figura 14. Pontos de hidrogel ........ 10
Figura 15. Diversos componentes de titânio usados em prótese de articulação do quadril ........ 11
Figura 16. Estrutura porosa semelhante a osso, de hidroxiapatita, após processamento comercial ........ 12
Figura 17. Biocerâmica usada em componente de prótese de quadril ........ 12
Figura 18. Dentes de cerâmica esculpidos por computador ........ 13
Figura 19. Regeneração de tecido guiada por arcabouço ........ 14
Figura 20. Material biodegradável CSLG depositado em estrutura de favo de mel para permitir a infiltração por células vivas em cultura celular submersa ........ 15
Figura 21. Alguns dos dispositivos biomédicos mais populares e a duração de seu contato com o sangue ........ 16
Figura 22. Espuma de Teflon da Gore Medical usada em enxertos vasculares ........ 16
Figura 23. Ilustração do tratamento de um defeito do septo atrial com um produto à base de Teflon fabricado pela Gore, Inc. ........ 17
Figura 24. Válvula cardíaca Bjork Shiley de aço inoxidável e Teflon ........ 18
Figura 25. Ilustração da colocação de um stent ........ 18
Figura 26. Stent de nitinol ........ 19
Figura 27. Lente de contato ........ 20
Figura 28. Representação esquemática de um dispositivo de liberação de medicamento biodegradável (bioerodível) ........ 21
Figura 29. Fotomicrografia de titânio metálico (aparece em preto nesta foto) em íntima integração com osso vivo ........ 23
Figura 30. Ilustração (à esquerda) e fotografia (à direita) de um dialisador de sangue como usado em medicina ........ 24
Figura 31. A membrana de cuprofane deixa passar os resíduos do sangue (pontos violeta e laranja) pelos poros e bloqueia a passagem das hemácias ........ 25
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vNota editorial: Continuação do sumário e lista das 31 figuras do relatório, com as páginas em que aparecem.
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UNCLASSIFIED/ /fQR &FFIEJIAL YSI!! 8HL'f
Biomaterials in Dialysis .................................................................................... 24
Summary and Recommendations ......................................................................... 25
Figures
Figure 1. Biomaterial Applications in Medical Devices ............................................ vi
Figure 3. Biomaterials Such as Polycarbonates, Cellulose, and Silicones Used in
Figure 4. Photograph of Silicone (polydimethyllsiloxane) Biomedical Implants
Figure 7. Silicone Sheets Used Under the Skin as a Physical Supporting Layer for
Figure 12. Biodegradable PLA as an Antiadhesion Barrier after Open-Heart
Figure 13. Biodegradable Polymers Based on Copolymers of Polylactic Acid and
Figure 16. Hydroxyapatite Porous Bone-Like Structure After Commercial
Figure 20. Biodegradable Material CSLG Deposited in a Honeycomb Structure to
Figure 21. Some of the More Popular Biomedical Devices and Duration of Their
Figure 23. Illustration of Treatment of an Atrial Septal Defect Using a
Figure 28. Schematic Representation of Biodegradable (Bioerodible) Drug
Figure 29. Photomicrograph of Titanium Metal (Appears Black in This Photo)
Figure 30. Illustration (Left) and Photograph (Right) of a Blood Dialyzer as
Figure 31. Cuprophane Membrane Passes Blood Waste Products (Violet and
Figure 2. Common Medical Devices That Use Biomaterials ................................... viii
Membranes for Sensors, Dialyzers, and Oxygenators .............................. 1
Used in Breast Reconstructive Surgery ....... ............................................ 3
Figure 5. Silicone Chemical Groups ........................................................................ 4
Figure 6. Silicone Tracheostomy Tube .................................................................... 5
Repair of Scar Tissue ............................................................................... 5
Figure 8. Teflon Structure ...................................................................................... 6
Figure 9. Expanded PTFE (Gore-Tex or ePTFE) Used in Lip Implants ...................... 7
Figure 10. Biodegradable Polymers ........................................................................ 7
Figure 11. Structure of Polylactic Acid (a Biodegradable Polymer) ........................ 9
Surgery ................................................................................................. 9
Polyethylene Glycol (Polysciences Inc) ............................................... 10
Figure 14. Dots of Hydrogel .................................................................................. 10
Figure 15. Various Titanium Components Used in Hip Joint Replacement ............ 11
Processing .......................................................................................... 12
Figure 17. Bioceramic Used in Artificial Hip Replacement Component .................. 12
Figure 18. Computer-Based Sculpted Ceramic Teeth ............................................ 13
Figure 19. Scaffold-Guided Tissue Regeneration .................................................. 14
Allow Infiltration by Living Cells While in a Submerged Cell Culture ... 15
Blood Contact ...................................................................................... 16
Figure 22. Gore Medical Teflon Foam Used in Vascular Grafts .............................. 16
Teflon-Based Product Manufactured by Gore, Inc ............................... 17
Figure 24. Stainless Steel and Teflon Bjork Shiley Heart Valve ............................ 18
Figure 25. Illustration of Stent Placement ........................................................... 18
Figure 26. Nitinol Stent ........................................................................................ 19
Figure 27. Contact Lens ........................................................................................ 20
Delivery Device ................................................................................... 21
in an Intimate Integration With Living Bone ....................................... 23
Used in Medicine ................................................................................. 24
Orange Dots) Through Pores and Blocks Passage of Red Blood Cells .. 25
UNCLASSIFIED/ /f81l err1e1J1ct U:!I!! eHt f
VConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 4, contando a capa.
TRECHO 28 · PÁGINA FÍSICA 5
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Biomateriais
Introdução
Biomateriais são metais, cerâmicas, polímeros, vidros, carbonos e materiais compósitos destinados a fazer interface com sistemas biológicos. Costumam ser usados para tratar, aumentar ou substituir tecidos, órgãos ou funções do corpo. Esses materiais são empregados em várias formas, incluindo peças moldadas ou usinadas, revestimentos, fibras, filmes, espumas e tecidos. Os biomateriais geralmente não são vivos, mas definições recentes incluem também a pele viva e tecidos produzidos em cultura.
Um material biocompatível é diferente de um material biológico produzido por um sistema biológico, como o osso. Quadris artificiais, stents vasculares, marca-passos artificiais e cateteres são todos feitos de materiais biocompatíveis que, em geral, têm origem sintética. Uma gama extraordinariamente ampla de dispositivos médicos é feita de biomateriais. A Figura 1 mostra alguns exemplos representativos de dispositivos médicos que usam biomateriais.
[Figura: articulação de dedo, implante mamário, válvula cardíaca, borracha de silicone, articulação de quadril, coração artificial, polímero]
Figura 1. Aplicações de biomateriais em dispositivos médicos
Reunindo elementos de medicina, biologia, química e ciência dos materiais, a ciência dos biomateriais teve um crescimento constante e forte ao longo de sua história de aproximadamente meio século.
Embora os biomateriais sejam usados principalmente em aplicações médicas, eles também são usados para cultivar células, para dosar proteínas do sangue no clínico
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viNota editorial: Início da introdução: define biomateriais e biocompatibilidade; traz a Figura 1, com exemplos de dispositivos médicos.
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Biomaterials
Introduction
Biomaterials are metals, ceramics, polymers, glasses, carbons, and composite
materials intended to interface with biological systems. They are often used to
treat, augment, or replace bodily tissues, organs, or functions. Such materials
are used in various forms, including molded or machined parts, coatings,
fibers, films, foams, and fabrics. Biomaterials are usually nonliving, but recent
definitions also include living skin and tissues produced in culture.
A biocompatible material is different from a biological material produced by a
biological system, such as bone. Artificial hips, vascular stents, artificial
pacemakers, and catheters are all made of biocompatible materials that
typically have a synthetic origin. An extraordinarily wide range of medical
devices are made from biomaterials. Figure 1 shows some representative
examples of medical devices that use biomaterials.
Finger joint Breast implant Heart valve
.lloooe rubber
Hip j int tifi ial heart
poly\lr
Figure 1. Biomaterial Applications in Medical Devices
Encompassing elements of medicine, biology, chemistry, and materials science,
biomaterials science has experienced steady and strong growth over its
approximately half-century history.
Although biomaterials are used primarily for medical applications, they are
also used to grow cells in culture, to assay for blood proteins in the clinical
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viConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 5, contando a capa.
TRECHO 29 · PÁGINA FÍSICA 6
página inteira
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laboratório, no processamento de biomoléculas em biotecnologia, em implantes de regulação da fertilidade em bovinos, em matrizes de genes para diagnóstico, na aquicultura de ostras e em "biochips" experimentais de células e silício. O elo comum dessas aplicações é a interação entre sistemas biológicos e materiais sintéticos ou naturais modificados.
Os materiais biomiméticos, em contraste, não são feitos por organismos vivos, mas têm composição e propriedades semelhantes às de materiais feitos por organismos vivos. Por exemplo, o revestimento de hidroxiapatita de cálcio encontrado em muitos quadris artificiais, usado como cimento de interface metal-osso para facilitar a fixação dos implantes ao osso, é semelhante ao revestimento das conchas de moluscos.
IMPORTÂNCIA DA BIOCOMPATIBILIDADE
A biocompatibilidade é uma questão importante em implantes e sensores biomédicos. Uma interação material-tecido resultante da implantação de um objeto estranho no corpo é um grande obstáculo ao desenvolvimento de dispositivos e sensores implantáveis estáveis e de longa duração.
Os processos que ocorrem quando sensores são colocados no ambiente vivo complexo do corpo humano são às vezes conhecidos como bioincrustação (biofouling). Na bioincrustação, a parte física ou quimicamente sensível da interface do sensor fica recoberta por proteínas, elementos formados do sangue, células imunológicas aderentes e, às vezes, formas de tecido cicatricial que tendem a isolar o sensor do restante do ambiente do corpo. Essa resposta do tecido é uma reação de corpo estranho a qualquer objeto introduzido no tecido que não exiba características de superfície que o identifiquem como parte dos tecidos do hospedeiro.
A experiência de muitos pesquisadores (mais de 600 estudos relatados desde 1996) com a biocompatibilidade de biomateriais relacionada ao funcionamento de biossensores implantados tem sido ruim, a ponto de muitas empresas terem abandonado por completo os dispositivos sensores implantáveis. A tendência recente em biossensores médicos é, antes, colocá-los fora do corpo. Os sensores mais novos costumam se basear em princípios ópticos, num esforço para evitar os problemas de biocompatibilidade e de biomateriais de se colocar sensores dentro do corpo humano.
CIÊNCIA DOS BIOMATERIAIS
O estudo e o uso de biomateriais reúnem pesquisadores de formações acadêmicas diversas, que precisam se comunicar com clareza. As profissões que se cruzam no desenvolvimento, no estudo e na aplicação de biomateriais incluem bioengenheiro, químico, engenheiro químico, engenheiro eletricista, engenheiro mecânico, cientista de materiais, biólogo, microbiologista, médico, veterinário, especialista em ética, enfermeiro, advogado, especialista em regulação e investidor de capital de risco.
O número de dispositivos médicos usados a cada ano em seres humanos é muito grande. A Figura 2 estima o uso de dispositivos comuns, todos eles empregando biomateriais.
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viiNota editorial: Continuação da introdução: biomiméticos, bioincrustação em sensores implantáveis e as profissões envolvidas na ciência dos biomateriais.
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UNCLASSIFIED// FOR OFFICl"L l:191!!! 9HLY
laboratory, in processing biomolecules in biotechnology, for fertility regulation
implants in cattle, in diagnostic gene arrays, in the aquaculture of oysters, and
for investigational cell-silicon "biochips." The common thread in these
applications is the interaction between biological systems and synthetic or
modified natural materials.
Biomimetic materials, in contrast, are not made by living organisms but have
compositions and properties similar to materials made by living organisms.
For example, the calcium hydroxyapatite coating found on many artificial
hips-used as metal-bone interface cement to make it easier to attach
implants to bone-is similar to the coating found in mollusk shells.
IMPORTANCE OF BIOCOMPATIBILITY
Biocompatibility is an important issue in biomedical implants and sensors. A
material-tissue interaction that results from implanting a foreign object in the
body is a major obstacle to developing stable and long-term implantable
devices and sensors.
The processes that occur when sensors are placed in the complex living
environment of the human body are sometimes known as biofouling. In
biofouling, the physical or chemically sensitive portion of the sensor interface
becomes coated with proteins, blood-formed elements, adherent
immunological cells, and sometimes forms of scar tissue that tend to isolate
the sensor from the rest of the body environment. This response of tissue is a
foreign body reaction to any object introduced in tissue that does not express
surface characteristics that identify it as part of the host tissues.
Experiences of many investigators (more than 600 reported studies since 1996)
with the biocompatibility of biomaterials related to the function of implanted
biosensors have been poor such that many companies have abandoned
implantable sensor devices altogether. Rather, the recent trend in medical
biosensors is toward placing them outside the body. Newer sensors are often
based on optical principles in an effort to obviate the biocompatibility and
biomaterial issues of placing sensors inside the human body.
SCIENCE OF BIOMATERIALS
The study and use of biomaterials bring together researchers from diverse
academic backgrounds who must communicate clearly. Professions that
intersect in the development, study, and application of biomaterials include
bioengineer, chemist, chemical engineer, electrical engineer, mechanical
engineer, materials scientist, biologist, microbiologist, physician, veterinarian,
ethicist, nurse, lawyer, regulatory specialist, and venture capitalist.
The number of medical devices used each year in humans is very large. Figure
2 estimates usage for common devices, all of which employ biomaterials.
UNCLASSIFIED/ /FOlil OFFICiI>~ U&ili Qt11 X
viiConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 6, contando a capa.
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Número de dispositivos médicos por ano, no mundo
lente intraocular: 7.000.000
lente de contato: 75.000.000
enxerto vascular: 400.000
próteses de quadril e joelho: 1.000.000
cateter: 300.000.000
válvula cardíaca: 200.000
stent (cardiovascular): mais de 2.000.000
implante mamário: 300.000
implante dentário: 500.000
marca-passo: 200.000
dialisador renal: 25.000.000
dispositivos de assistência ventricular esquerda: 100.000
Milhões de vidas salvas. A qualidade de vida melhorada para milhões de outras pessoas.
Uma indústria de 100 bilhões de dólares
Figura 2. Dispositivos médicos comuns que usam biomateriais
O desenvolvimento de biomateriais é a junção da ciência dos materiais com a química. Os dispositivos médicos podem ser compostos de um único biomaterial ou de uma combinação de vários materiais. Uma válvula cardíaca pode ser fabricada com polímeros, metais e carbonos. Uma articulação de quadril pode ser fabricada com metais e polímeros (e, às vezes, cerâmicas) e será ligada ao corpo por meio de um cimento ósseo polimérico.
Os biomateriais, por si sós, não constituem uma terapia clínica útil; é preciso fabricá-los na forma de dispositivos. Essa costuma ser a função de um engenheiro, mas o engenheiro pode trabalhar em estreita colaboração com químicos de síntese, para otimizar as propriedades do material, e com médicos, para garantir que o dispositivo seja útil em aplicações clínicas.
Os biomateriais precisam ser compatíveis com o corpo, e muitas vezes há questões a resolver antes que um produto possa ser colocado no mercado e usado em ambiente clínico. Por isso, os biomateriais costumam estar sujeitos aos mesmos requisitos rigorosos de segurança que as novas terapias medicamentosas.
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viiiNota editorial: Quadro com estimativas anuais de dispositivos médicos no mundo (Figura 2) e comentário sobre o desenvolvimento e a regulação de biomateriais.
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UNCLASSIFIED// POI\ OPPICl"L U.!E! Oflt (
Numbers of Medical Devices/yr. Worldwi,.,......--
intraocular lens 7,000,
contact lens 75,000,000
vascular graft 400,000
hip and knee prostheses 1,000,000
catheter 300,000,000
heart valve 200,000
stent (cardiovascular) >2,000,000
breast implant 300,000
dental implant 500,000
pacemaker 200,000
renal d ialyzer 25,000,000
left ventricular assist devices 100,000
Millions of lives saved. The quality of Life improved for millions more.
A $100 billion industry
Figure 2. Common Medical Devices That Use Biomater ials
The development of biomaterials is the junction of materials science and
chemistry. Medical devices may be composed of a single biomaterial or a
combination of several materials. A heart valve might be fabricated from
polymers, metals, and carbons. A hip joint might be fabricated from metals
and polymers (and sometimes ceramics) and will be interfaced to the body
through a polymeric bone cement.
Biomaterials by themselves do not make a useful clinical therapy but rather
have to be fabricated into devices. This is typically an engineer's role, but the
engineer might work closely with synthetic chemists to optimize material
properties and with physicians to ensure the device is useful in clinical
applications .
Biomaterials must be compatible with the body, and there are often issues
that must be resolved before a product can be placed on the market and used
in a clinical setting. Because of this, biomaterials are usually subjected to the
same very stringent safety requirements as those of new drug therapies.
UNCLASSIFIED/ ,,roA &FFI@IAL U:!E: Oflt I
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Biomateriais para biossensores
Os biossensores implantáveis no corpo humano impõem aos biomateriais algumas das maiores exigências funcionais. Os biossensores monitoram o estado fisiológico dos tecidos, seja para terapias médicas, seja para avaliar o desempenho humano. Sensores de glicose, oxigênio, pH do sangue, hormônios da adrenal, atividade nervosa, desempenho cardíaco e monitores de pressão arterial são todos de interesse.
Os sensores de bioquímica do sangue são os mais difíceis de manter em funcionamento ao longo do tempo, principalmente porque os materiais da interface do sensor provocam reações de corpo estranho de baixa intensidade nos tecidos. Esse tipo de resposta não tem importância específica para dispositivos implantáveis de função estrutural, e não de sensoriamento, como as válvulas cardíacas, mas pode tornar completamente inútil, após poucos dias, um biossensor de glicose no sangue, por exemplo.
As interfaces quimicamente sensíveis dos biossensores com os tecidos e o ambiente do corpo empregam membranas, na tentativa de proteger a superfície ativa de sensoriamento das possíveis reações do corpo. A membrana permite que pequenas moléculas de interesse passem por seus poros e exclui proteínas maiores, elementos formados do sangue e células como os macrófagos, que engolfariam o sensor.
A composição do biomaterial da membrana, o tamanho dos poros e a integridade física de longo prazo são componentes críticos para o funcionamento do sensor. Se o biomaterial escolhido retardar a adesão de proteínas e não provocar resposta biológica, isso melhora a longevidade do sensor. A Figura 3 mostra algumas biomembranas representativas.
Nenhum biomaterial é o melhor para todas as aplicações em sensores, principalmente porque biomateriais diferentes se comportam de modo diferente em relação à substância que se quer detectar. Membranas que deixam passar a glicose, por exemplo, podem não deixar passar o oxigênio de que o sensor precisa para funcionar. A bioincrustação da membrana começa imediatamente após o contato do sensor com as células do corpo. Proteínas e outros componentes biológicos aderem à superfície do sensor e, em alguns casos, impregnam os poros do material. Esse processo retarda a difusão das moléculas de interesse até a superfície do sensor e ou torna mais lenta a resposta do sensor às mudanças de concentração, ou reduz a resposta geral a ponto de o sensor sair da calibração.
Verificou-se que o projeto dos materiais de membrana para sensores depende de forma crítica de características sutis da química da membrana, da espessura do material e da porosidade, bem como, de modo mais geral, do local do corpo humano onde o sensor está. A corrente sanguínea é
[Figura 3. Biomateriais como policarbonatos, celulose e silicones usados em membranas para sensores, dialisadores e oxigenadores]
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1Nota editorial: Seção sobre biossensores implantáveis e membranas de proteção; traz a Figura 3, de biomembranas.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL USE Oiltt
Biomaterials for Biosensors
Implantable biosensors for the human body place some of the greatest functional
demands on biomaterials. Biosensors monitor the physiologic state of tissues for
medical therapeutics or for assessing human performance. Sensors for glucose, oxygen,
blood pH, adrenal hormones, nervous activity, heart performance, and blood pressure
monitors are all of interest.
Blood biochemistry sensors are the most difficult sensors to keep functioning over time
primarily because the sensor interface materials provoke low-level foreign-body
reactions in tissues. These types of responses are not specifically important to
implantable devices that have structural rather than sensing functions, such as heart
valves, but they can completely render a biosensor for blood glucose, for example,
useless after a few days.
Chemically sensitive biosensor interfaces to tissue and body environments employ
membranes in an effort to protect the biosensor active-sensing surface from possible
body reactions. The membrane allows small molecules of interest to pass through its
pores while excluding larger proteins, blood-formed elements, and cells like
macrophages that would engulf the sensor.
The membrane's biomaterial composition, pore size, and long-term physical integrity
are critical components in the functioning of the sensor . If the biomater ial chosen
retards the adhesion of proteins and does not provoke a biological response, then this
improves sensor longevity. Figure 3 shows some representative biomembranes.
No one biomaterial is best for all
sensor applications, primarily because
different biomaterials behave
differently relative to the substance
being sensed. Membranes that pass
glucose, for example, may not pass
oxygen that is needed for a sensor to
function. Membrane biofouling starts
immediately upon contact of the
sensor with the body cells. Proteins
and other biological components
adhere to the sensor surface, and in
some cases, impregnate the pores of
the material. This process retards
diffusion of the molecules of interest
to the sensor surface and either slows
the sensor's response to changes in
concentration or reduces the overall
response to the point where the
sensor falls out of calibration.
The design of sensor membrane materials has been found to be critically dependent on
subtle features of the membrane's chemistry, material thickness, and porosity, as well
as, more generally, where in the human body the sensor is located. The blood stream is
UNCLASSIFIED/ /fiiOA OFFI&IAk WSE 8rtt'f
Figure 3. Biomaterials Such as Polycarbonates,
Cellulose, and Silicones Used in Membranes for
Sensors, Dialyzers, and Oxygenators
1Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 8, contando a capa.
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o local mais hostil tanto para o desempenho do sensor quanto pelo potencial de perigo ao paciente, por provocar a coagulação do sangue.
Os materiais de biomembrana de maior sucesso têm sido formas porosas de Teflon, poliuretanos e materiais à base de celulose, como o acetato de celulose. Tão importantes quanto a composição do material para os sensores são os aspectos da estrutura e das propriedades mecânicas da membrana, como sua capacidade de resistir à abrasão e de aderir às superfícies do sensor.
Biomateriais para a biomedicina
Nesta revisão, examinamos biomateriais representativos e também aplicações representativas. Esses biomateriais estão entre os mais populares dos usados hoje na medicina, e as aplicações, em alguns casos, representam mercados de vários bilhões de dólares por ano. Alguns dos biomateriais mais conhecidos são:
• Silicone
• Teflon
• Polímeros biodegradáveis
• Hidrogéis
• Ligas de titânio
• Cerâmicas
• Construtos de tecido
Algumas das maiores aplicações são:
• Cardiovascular: stents, vasos sanguíneos sintéticos, válvulas cardíacas
• Articulações de quadril e joelho
• Lentes de contato
• Dispositivos de liberação de medicamentos
• Diálise renal
SILICONES BIOMÉDICOS: POLIDIMETILSILOXANOS
Talvez o mais conhecido de todos os biomateriais sejam os silicones, materiais macios, flexíveis e semitransparentes usados em muitas aplicações diferentes na sociedade moderna, de vedantes para água a isolamentos fibrosos.
O silicone é muitas vezes chamado erroneamente de "silício". Embora os silicones contenham átomos de silício, são um material orgânico de maior complexidade e não são feitos exclusivamente de silício. O silicone é usado em um número excepcionalmente grande de aplicações biomédicas. É compatível com o sangue, esterilizável, resistente e forte, mas flexível. Suas propriedades mecânicas
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2Nota editorial: Fim da seção sobre biossensores, lista de biomateriais e aplicações, e início da seção sobre silicones biomédicos.
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI€1Ak Ulilii ONkY
the most hostile location both for sensor performance and in terms of the potential for
danger to the patient through the provocation of blood clotting.
The most successful biomembrane materials have been porous forms of Teflon,
polyurethanes, and cellulose-based materials such as cellulose acetate. As important as
the material composition is for sensors, so are aspects of a membrane's structure and
mechanical properties, such as its ability resist abrasion and adhere to sensor surfaces.
Biomaterials for Biomedicine
In this review, we look at representative biomaterials as well as represent ative
applications. These biomaterials are among the most popular of those used in medicine
today, and the applications in some cases represent multibillion-dollar-a-year markets.
Some of the best known of the biomaterials are:
• Silicone
• Teflon
• Biodegradable polymers
• Hydrogels
• Titanium alloys
• Ceramics
• Tissue constructs
Some of the largest applications are:
• Cardiovascular - stents, synthetic blood vessels, heart valves
• Hip and knee joints
• Contact lenses
• Drug delivery devices
• Kidney dialysis
BIOMEDICAL SILICONES- POLYDIMETHYLSILOXANES
Perhaps the most well known of all biomaterials are the silicones-soft, pliable, and
semitransparent materials that are used in many different applications in modern
society, ranging from water sealants to fibrous insulations.
Silicone is often mistakenly called "silicon." Although silicones contain silicon atoms,
they are an organic material of greater complexity and are not made up exclusively of
silicon. Silicone is used in an exceptionally large number of biomedical applications. It is
blood compatible, sterilizable, rugged, and strong but flexible . Its mechanical properties
UNCLASSIFIED/ /EOR OFFICilAk W&li 8HLY
2Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 9, contando a capa.
Datas e contexto documental
- Acontecimento
- 07/01/2010 — Data de capa. Data de corte das informações (ICOD): 1º de dezembro de 2009. Número do documento: DIA-08-0912-006.
- Documento
- 07/01/2010 — Capa, página física 1.
- Publicação
- Não estabelecida — Liberado na série DOW-UAP do Departamento de Guerra dos EUA; a data de liberação não consta destas páginas.
Origem e divulgação
Defense Intelligence Agency (DIA), Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3), Escritório de Alerta de Defesa, programa AAWSA/AAWSAP; autor com nome substituído por “AAP Person 65” · DOW-UAP-D119_AAWSAP-DIRD-Biomaterials-January-7-2010.pdf
Páginas físicas 1 a 32 conferidas; a numeração impressa vai de iii a viii (páginas físicas 2 a 7) e de 1 a 25 (páginas físicas 8 a 32).
Relatos relacionados e suas diferenças
Perguntas para continuar a investigação
- Que pedido da DIA motivou a inclusão de um relatório geral sobre biomateriais na série de relatórios de tecnologia avançada de 2009?
- O relatório sobre biomateriais foi escrito para dialogar com o DIRD de biossensores e interfaces cerebrais de março de 2010, que trata de tema vizinho?
GEOGRAFIA DO CASO
Washington, D.C., EUA (sede da DIA, local de preparação do relatório)
Documento de revisão técnica, sem episódio ou local de observação. Não há ponto de mapa.
RASTRO DOCUMENTAL
Volte às fontes
As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.
- DOW-UAP-D119_AAWSAP-DIRD-Biomaterials-January-7-2010.pdf
Páginas físicas 1 a 32: relatório completo, com capa, expediente, sumário, lista de figuras, texto e resumo final
DOW · 32 páginas
Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.


