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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4 - A CIÊNCIA DOS MATERIAIS

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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4 - A CIÊNCIA DOS MATERIAIS

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MOMENTO 1 – BIOMATERIAIS – ELES ESTÃO POR TODA PARTE

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Os biomateriais são materiais, de origem natural ou sintética, que desempenham um papel-chave na medicina moderna, restaurando a função e facilitando a cura para as pessoas após ferimentos ou doenças. São utilizados ​​em aplicações médicas para apoiar, melhorar ou substituir o tecido danificado ou funções biológicas específicas. Os biomateriais também podem ser definidos como dispositivos que entram em contato com os sistemas biológicos. Assim, eles são aplicados em diagnósticos, vacinas, cirurgias ou terapias.

O primeiro uso histórico de biomateriais data da Antiguidade, quando os antigos egípcios usavam suturas feitas de tendões de animais no corpo humano. Já o campo moderno dos biomateriais combina medicina, biologia, física e química e influências mais recentes da engenharia de tecidos e ciência dos materiais. Metais, cerâmicas, plástico, vidro e até células e tecidos vivos podem ser usados ​​na criação de biomateriais.

Esses materiais podem ser reprojetados em peças moldadas ou usinadas, revestimentos, fibras, filmes, espumas e tecidos para uso em produtos e dispositivos biomédicos. Isso pode incluir válvulas cardíacas, próteses de quadril, implantes dentários ou lentes de contato.

Muitas vezes eles são biodegradáveis ​​e alguns são bioabsorvíveis, o que significa que são eliminados gradualmente do corpo após cumprir uma função. O uso de biomateriais é feito em suturas, placas, tendões, válvulas cardíacas, lentes, dentes, marca-passos, próteses para vasos sanguíneos, construção de tecido mole, órgãos artificiais, substitutos ósseos e muito mais

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a)  Biopesticidas como por exemplo o uso de arruda para afastar insetos e manjericão para deixar os mosquitos longe do quarto;

R: O uso de biopesticidas para afastar insetos do quarto pode ser uma boa para regiões com muitos insetos, como mosquitos vetores de doenças e outros insetos que causam perturbação na vida das pessoas, como pernilongos.bOs biopesticidas são substâncias orgânicas e naturais que podem repelir os insetos e combater pragas, tendem a serem mais caros do que os pesticidas químicos que são comercializados comumente. Além disso, a vida útil dos biopesticidas é bem menor, mas ele também é bem menos tóxico e não agride o meio ambiente.

b) Sistemas de obtenção de energia elétrica inspirados na fotossíntese;

R: Pesquisadores estão utilizando o processo de fotossíntese como inspiração para criar uma nova maneira, mais eficiente, de capturar e armazenar energia solar.bDurante a fotossíntese, as plantas utilizam a luz solar para a obtenção de energia, através da quebra de moléculas de água em moléculas de oxigênio e hidrogênio. Esse processo é extremamente complexo e difícil de reproduzir em laboratório.

c) Braço biônico inspirado em movimento da tromba do elefante;

R: Uma dessas inspirações, fez com que a empresa Festo criasse um assistente robótico que tem movimentos flexíveis e alta precisão para agarrar objetos. A inspiração para criar o mecanismo se deu na movimentação da tromba do elefante no momento em que ele se alimenta. O braço biônico foi produzido por meio do processo de sintetização a laser, parecido com a impressão em 3D e a composição de seu material contém poliamida, que é suficientemente forte para realizar a movimentação manual e também executar procedimentos delicados, como pegar uma fruta sem a despedaçar e colocar no prato

d) Uso do velcro;

R: velcro (aquele fecho de duas partes que “grudam” uma na outra). Seu criador, o engenheiro eletrônico suíço Georges de Mestral, decidiu entender como carrapichos aderiam aos pelos de seu cachorro. Por uma análise microscópica, percebeu que a semente dessa planta tem filamentos entrelaçados, com pequenos ganchos na ponta, e aplicou a mesma lógica em material plástico, dando origem ao velcro em 1907.

e) Diminuição do uso de energia do ar-condicionado em grandes edifícios, uma vez que os engenheiros estão se baseando no modo de refrigeração de cupinzeiros;

R: A morada dos cupins se mantém sempre úmida e a uma temperatura quase constante independentemente da variação da temperatura externa. Isso devido a uma complexa rede de câmaras e passagens. Respiradores inferiores permitem a entrada de ar fresco, enquanto o ar quente escapa por uma abertura no topo.

f) Arquitetura biomimética;

R: A arquitetura biomimética é uma corrente contemporânea que busca soluções sustentáveis na natureza, sem simplesmente replicar suas formas, mas através da compreensão das normas que a regem. Este enfoque multidisciplinar busca seguir uma série de princípios ao invés de se concentrar em códigos estilísticos.  Estes mecanismos naturais parecem funcionar melhor que algumas das tecnologias mais avançadas da atualidade, necessitam de menos energia e não produzem resíduos nem deixam marcas. O desafio está em como os arquitetos estão concretizando estes mecanismos... e se realmente funcionam como os sistemas que os inspiraram.

g) Seda de aranha é o biomaterial do futuro.

R: A seda de aranha por muito tempo tem sido o Santo Graal da inovação de matéria-prima. Ela é forte, biodegradável e pode ser usada em tudo, de cosméticos a roupas. Muitos têm tentado desenvolver essa seda em laboratório, mas poucas companhias forma bem-sucedidas. Uma delas é a AMSilk, que produz seda sintética de aranha, biodegradável e 100% vegana.

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bio = vida, mimesis = imitação

O princípio da biomimética é observar a natureza como um exemplo e fonte de inspiração.

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tartaruga Septimus, que foi atacada por ratos enquanto hibernava, e não foi capaz de se defender. Quando a encontraram, os ratos lhe tinham provocado tanto dano nas patas dianteiras que só houve a opção de amputar.

Por sorte, seu dono tinha um par de rodas de aeromodelismo em casa. Adaptou-as ao tamanho do corpo da tartaruga e o veterinário a colocou debaixo do casco. Septimus sobreviveu, e, além disso, é capaz de se deslocar com mais rapidez do que antes.

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Por causa de um tiro dado por um caçador clandestino, esta águia calva perdeu quase todo o seu bico. Essa parte do corpo é imprescindível para ela poder se alimentar e se limpar; apesar disso, a veterinária que a acolheu se propôs a criar um novo bico.

Em colaboração com uma empresa de engenharia que nunca havia feito nada parecido, conseguiram reconstruir o bico de Beauty. Agora, ela pode ter uma vida normal, comer sozinha e se limpar como qualquer outra águia de sua espécie. Esse tipo de reconstrução abriu um novo caminho para os animais que usam próteses, especialmente, para as aves.

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O gato Oscar, também conhecido como o gato biônico, sofreu um acidente com uma colheitadeira e tiveram que amputar duas patas dele. Quando o encontraram, estava tão ferido que pensaram que não havia esperança para ele.

No entanto, o veterinário que primeiro o atendeu, viu que havia chances. Graças à colaboração entre diferentes universidades, não só conseguiram dar a Oscar duas patas novas com as quais vive normalmente, como também agora a técnica que usaram nele se aplica a humanos.

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Winter, uma golfinho-fêmea com uma barbatana especial

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Winter, uma golfinho-fêmea com uma barbatana especial

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Winter é um golfinho-fêmea que foi acolhida muito jovem, ferida no litoral da América do Norte. Os veterinários tentaram de tudo, mas Winter tinha a barbatana traseira muito danificada e acabou perdendo-a. Um tempo depois fizeram uma nova para ela, a primeira desse tipo em todo o mundo.

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Por causa de problemas de nascença ou lesões graves, existem animais que perdem partes de seu corpo que são necessárias para continuar vivendo. Patas, carapaças, e, inclusive, bicos foram reconstituídos graças à bondade das pessoas e aos avanços da tecnologia

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Exercício:

Antônio, um senhor de 55 anos, chega ao consultório de um dentista, com o desejo de implantar alguns dentes.
Ao fazer a avaliação das condições bucais de Antônio, o dentista conclui que será necessário utilizar algum material que estimule o crescimento dos ossos na região em que os implantes serão feitos.
Escolha o biomaterial a ser utilizado (polímero, cerâmico ou metal), justifique essa escolha e discorra sobre quais os parâmetros deveriam ser pensados, ao produzir uma matriz tridimensional, visando o sucesso do tratamento.

R: O biomaterial a ser utilizado pode ser o polímero ou o cerâmico.

Como o desejo do paciente é realizar um implante dentário, e nesse caso, será necessário um estimulo para o crescimento dos ossos, é comum vermos o tratamento com um enxerto ósseo ser utilizado.

O principal motivo para a utilização de tal técnica é a estabilização do implante, além de também estimular o crescimento ósseo a médio/longo prazo dependendo da saúde também do paciente em questão.

Os parâmetros a serem analisados para a produção dessa matriz são: tempo de inserção, tamanho, confortabilidade, estética e estimulo de crescimento ósseo.

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Além disso, os biomateriais podem ser classificados com relação a compatibilidade que apresentam com os tecidos adjacentes, sendo as classes:

Bioativos: São os biomateriais em que o implante tem interação com os tecidos naturais. Assim, ele provoca reações que vão permitir a formação de tecidos na sua superfície e então favorecer processos como a regeneração e a fixação de implantes. Muitas cerâmicas fazem parte de tal classe.

Bioinertes: São os materiais que estão em contato direto com os tecidos, porém não causam nenhuma reação entre implante e organismo, devido à sua alta estabilidade química. No caso dos implantes ósseos, eles participam da osteogênese. Como exemplos, temos: titânio, alumínio e zircônia.

Bioabsorvíveis: Estes biomateriais também ficam em contato direto com o organismo, no entanto, depois de um certo período de tempo são solubilizados, degradados, absorvidos e incorporados pelo próprio organismo. Eles atuam de forma ativa no processo de recuperação dos pacientes, e evitam intervenções médicas para a retirada dos implantes. O fosfato tricálcico (TCP) é um exemplo de bioabsorvível.

Biotolerantes: Nessa classe, o biomaterial é separado por uma camada de tecido mole ao longo de sua interface, não tendo contato direto com o tecido a ser tratado. A camada é então induzida pela liberação de íons por parte do implante, auxiliando no desempenho do mesmo. Os polímeros sintéticos são, em grande parte, representantes desta classe.

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A aplicação destes materiais também é diversa dentro da área da saúde, sendo eles muito utilizados por médicos, dentistas, bioengenheiros e pesquisadores.

Sendo assim, algumas das principais aplicações destes materiais são:

Implantes médicos (ligamentos, tendões, articulações, enxertos, etc);

Implantes dentárias

Regeneração de tecidos humanos;

Deposição de medicamentos no organismo (Drug delivery);

Próteses;

Sondas moleculares para tratamento de câncer;

Cicatrização de tecidos;

Biossensores para controle e detecção de substâncias;

Pesquisas no estimulo de células imunológicas;

Pesquisas na geração de superfícies antivirais.

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Metais:

Exemplos de biomateriais metálicos são as próteses, placas de titânio e implantes dentários.

Os metais utilizados em tais casos devem possuir a biocompatibilidade e apresentar uma boa resistência à corrosão.

Cerâmicas:

No caso dos materiais cerâmicos, características como a resistência ao desgaste e à compressão, assim como a baixa condutividade térmica e elétrica, tornam a classe interessante para diversas aplicações na área da saúde. Outro ponto importante é a alta compatibilidade química das cerâmicas com os tecidos mais rígidos, tendo grande destaque na odontologia.

Polímeros:

Os polímeros são os biomateriais mais fáceis de serem fabricados e pelo fato de apresentarem propriedades variadas, cada aplicação específica exige um determinado tipo de polímero. A característica de destaque desses materiais é a sua baixa densidade, que permite a substituição de tecidos moles, assim como flexibilidade e biodegradação.

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biomaterial é qualquer substância ou combinação de substâncias, naturais ou não,  utilizadas em aplicações biomédicas e que interagem com sistemas biológicos, que tratam, aumentam ou substituem quaisquer tecidos, órgãos ou funções do corpo

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Substâncias que compõem peças, que podem ser implantadas ou substituir tecidos nos seres vivos, no geral, sem causar inflamações e/ou infecções. Um biomaterial é algo que entra em contato com os tecidos vivos, geralmente para restaurar, substituir ou tratar alguma parte do corpo. Hoje com os avanços nos estudos nessa área, a cada dia um novo biomaterial é apresentado ao mundo e não é só no campo da medicina, temos o uso de biomateriais na indústria têxtil por exemplo. Existem vários tipos de materiais que são utilizados de acordo com as propriedades físicas, químicas e mecânicas do material, como já estudou no Ensino Fundamental e irá aprofundar nos componentes curriculares de Química e Física.