ALEXANDRE MELLO

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RECOBRIMENTOS CRISTALINOS E BIOATIVOS DE
HIDROXIAPATITA UMA ABORDAGEM ORIGINAL COM
MAGNETRON SPUTTERING EM ÂNGULO RETO (RAMS)
CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FÍSICAS
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Dep. Ciências dos
Materiais
(INOVAÇÃO)
ALEXANDRE MELLO
05/09/2007
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DEMANDA E IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA
IMPLANTES METÁLICOS E POLIMÉRICOS NO MERCADO
AISI 316L, Ti, TiAlV , UHMWPE , NiTi APLICAÇÃO
CLÍNICA
ORTOPEDIA, ODONTOLOGIA E
CARDIOLOGIA
TOLERADOS PELO CORPO FORMAÇÃO DE TECIDOS FIBROSOS
METAIS E POLÍMEROS BIOINERTES
REDUZ VIDA ÚTIL NOVA CIRURGIA
PROMOVEM A INTEGRAÇÃO ÓSSEA E A ÓSSEO CONDUÇÃO
RECOMPÕEM PARTES ÓSSEAS PERDIDAS
MATERIAIS BIOATIVOS OU BIOCOMPATÍVEIS
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POSSÍVEL SOLUÇÃO
RECOBRIR O IMPLANTE COM UM MATERIAL BIOATIVO OU
BIOCOMPATÍVEL QUE TENHA ALTA ADESÃO E
PROPRIEDADES FÍSICAS E CLÍNICAS ESPECÍFICAS PARA
O FIM A QUE SE DESTINA
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MATERIAL MAIS UTILIZADO HIDROXIAPATITA

• HIDROXIAPATITA (HAP) Ca10(PO4)6(OH)2
• BIOMATERIAL Implantes Metálicos e Poliméricos
  ? Regeneração óssea e Recobrimentos metálicos
• ABSORVEDOR DE METAIS PESADOS (Pb, Cd, Hg, V,
  etc.)
• DESPOLUIDOR AMBIENTAL E INDUSTRIAL Absorção e
  Fixação
• CATALISADOR Grande área de superfície dopada
  com metais (Desidrogenação de álcoois)
• DOSÍMETRO INDUSTRIAL Candidato a aplicação

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MÉTODOS DE RECOBRIMENTO
Plasma Spray (já comercial) Métodos biomiméticos
de imersão em soluções simuladoras de fluidos
corpóreos (SBF) Deposição eletroquímica
Deposição física por laser pulsado (Laser
ablation) Deposição por feixe de elétrons
(electron beam) Deposição por feixe iônico
(Ion-beam deposition) sol-gel
EM GERAL RECOBRIMENTOS COM BAIXA ADESÃO AOS
IMPLANTES
AMORFOS (MAIOR DISSOLUÇÃO
e MENOR INDUÇÃO ÓSSEA),
OUTROS COMPOSTOS ALÉM DA HAP (ALGUNS TÓXICOS)
ALGUNS MÉTODOS POSSUEM ALTO CUSTO OPERACIONAL
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PLASMA SPRAY

• IMPLANTES METÁLICOS RECOBERTOS POR PLASMA SPRAY
• Comercialmente disponível mas com resultados
  clínicos negativos
• Alta velocidade de produção
• Recobrimentos espessos, (baixa adesão)
• Material com baixa cristalinidade e
  desenvolvimentos de outras fases de fosfatos de
  cálcio além da HAP
• Baixa adesão aos substratos metálicos

• TÉCNICA ALTERNATIVA
• PULVERIZAÇÃO CATÓDICA REATIVA ASSISTIDA
• POR CAMPO MAGNÉTICO CONSTANTE e RADIO FREQUÊNCIA
• RF MAGNETRON SPUTTERING REATIVO (RFMS)

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RFMS x PLASMA SPRAY
O PLASMA SPRAY PRODUZ RECOBRIMENTOS DE HAP COM
DECOMPOSIÇÃO EM FASES INFERIORES QUANTO A
BIOCOMPATIBILIDADE E SOLUBILIDADE EM MEIO AQUOSO
E FISIOLÓGICO
Ca/P Nome Fórmula Sigla Toxidade Bio- compatibilidade Solubilidade
2,0 Tetracálcio Fosfato Ca4P2O9 TTCP Nenhuma Boa Alta
1,67 Hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 HAP Nenhuma Excelente Baixa
1,5 Tricálcio Fosfato (a, ß, ?) Ca3(PO4)2 TCP Nenhuma Boa Média
1,0 Pirofosfato de Cálcio (a, ß, ?) Ca2P2O7 PYR Nenhuma Boa Baixa
- Óxido de Cálcio CaO - Alta Ruim Alta
TAB. 3.1 Propriedades químicas de alguns
compostos de cálcio
Adaptado de Ozeki et al, (2002)
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RFMS TRADICIONAL

• RESULTADOS
• FILMES MAIS ADERENTES E HOMOGÊNEOS
• BAIXAS TAXAS DE DEPOSIÇÃO (custo)
• MAIORIA DOS FILMES OBTIDOS SÃO AMORFOS
• CRISTALINIDADE APÓS RECOZIMENTOS DE 6000C A
  10000C
• ALGUNS FILMES POLICRISTALINOS (MAS NÃO
  MONOFÁSICOS) COM ALTA POTÊNCIA DE
  SPUTTERING
• PRINCIPAL CAUSA DOS RESULTADOS
• ALVOS COMERCIAIS FEITOS POR PLASMA SPRAY !
• RETROPULVERIZAÇÃO DO MATERIAL DEPOSITADO
  (BACKSPUTTERING) ALTERAÇÃO QUÍMICA DO
  RECOBRIMENTO
• CONCLUSÃO
• MÉTODO TRADICIONAL DE ALTA TECNOLOGIA, ALTO
  CUSTO E AINDA SEM SUCESSO NA OBTENÇÃO DE UM
  RECOBRIMENTO CONTROLADO PARA APLICAÇÕES MÉDICAS.

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SOLUÇÃO PARA O RFMS ? DIMINUIR OU ELIMINAR O
BACKSPUTTERING ? AUMENTAR TAXAS DE DEPOSIÇÃO ?
MODIFICAR A GEOMETRIA DO RFMS INOVAÇÃO
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MAGNETRON SPUTTERING POR RADIO FREQÜÊNCIA (RFMS)
MAGNETRON COMERCIAL
O alvo de HAP é cerâmico e não condutor
elétrico Requer campo elétrico Oscilante F
13,56MHz Capacitor desbalanceado
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RFMS EM ÂNGULO RETO (RAMS) ABORDAGEM ORIGINAL
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VANTAGENS DA GEOMETRIA DO SISTEMA RAMS

• Maior confinamento do plasma
• Evita a perda de oxigênio e íons PO4-
  (backsputtering) Restaura a estequiometria
• Aproxima o substrato dos alvos
• Aumenta taxa de deposição
• Aumenta o carregamento das partículas
• Não permite a aglomeração desordenada com
  produção de filmes amorfos ( devido a repulsão
  eletrostática)
• Não permite o crescimento das partículas antes
  de chegarem ao substrato (partículas
  nanométricas)
• PRODUZ RECOBRIMENTOS CRISTALINOS DE HAP A
  TEMPERATURA AMBIENTE
• Sistema mais compacto e de MENOR CUSTO

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PROTÓTIPO
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PLASMA
SUBSTRATO
PLASMA Ar O2
ALVOS DE HAP EM PÓ ALTAMENTE PURA PRENSADA E
SINTERIZADA
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CARACTERIZAÇÃO DOS RECOBRIMENTOS OBTIDOS

• XRD de alto ângulo CBPF, NU
• SXRD e SXRR ( difração e refletividade c/ Luz
  Síncrotron)LNLS
• FTIR IME, NU e CBPF
• SEM IME , NU, UFRJ
• EDS (SEM) IME
• XPS e AFM NU
• Testes de Dissolução em Meio Aquoso e em Solução
  Biomimética CBPF
• Testes In-Vitro Cultura de Células e
  Bioatividade Inst. Ciências Biomédicas UFRJ

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SDRX RECOBRIMENTO DE HAP CRISTALINA PRODUZIDA
POR RAMS A TEMPERATURA AMBIENTE
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MORFOLOGIA DA SUPERFÍCIE DOS FILMES
MEV
Recozido a 900oC
Como produzido
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AFM
TOPOGRAFIA RUGOSIDADE(RMS) 3nm ESPESSURA DE
930nm
CONTRASTE DE FASE MATERIAL HOMOGÊNEO
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FTIR
Bandas de OH FINGERPRINT DA HAP
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CULTURA DE CÉLULAS EM DIFERENTES MORFOLOGIAS DE
SUBSTRATO
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CONTAGEM DE CÉLULAS
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LINHAS DE ATUAÇÃO
INSTRUMENTAÇÃO PATENTE (em andamento)
BIOLOGIA TESTES IN-VIVO
FÍSICA DAS SUPERFÍCIES
INOVAÇÃO
INSTRUMENTAÇÃO PARA UMA SISTEMA DE PRODUÇÃO
SERIADA NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO PROTOCOLO DE
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DO PLASMA E DOS
RECOBRIMENTOS REPRODUTIBILIDADE ESTUDO DE
CUSTOS, PROCESSO E ASS. JURÍDICA DO NÚCLEO DE
INOVAÇÃO TECNOLÓGICA (NIT) DO CBPF TRANSF.DE
TECNOLOGIA
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• Mapeamento e prospecção interna à ICT
• Identificação de clientes atuais
• Mapeamento e prospecção de mercado
• Segmentação de mercado
• Clientes novos e potenciais
• Criação e levantamento de oportunidades de
  parcerias
• Planejamento de ações de comunicação, mídia e
  eventos
• Criação do Banco de Dados

Viabilidade de Transferência de Tecnologia e
Serviços Estruturação de Produtos e
Serviços Levantamento de custos do produto, da
pesquisa, de equipamentos Levantamento de preço
de mercado/demanda
Avaliação de patenteabilidade Elaboração,
acompanhamento e depósito do pedido de patentes
Assessoramento jurídico em propriedade
intelectual Elaboração de contratos
NITRIO
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INDICADORES ACADÊMICOS
3 TRABALHOS JÁ PUBLICADOS 1 PATENTE EM
ANDAMENTO 1 TESE DE DOUTORADO
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CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FÍSICAS A. Mello,
A.M. Rossi LABIOMAT Laboratório de
Biomateriais, (Projeto CIAM-CNPq)

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Dep. Ciências dos
Materiais A. Mello, C.L. Ferreira
D.E. Ellis, J.B. Ketterson Northwestern
University, Evanston IL-USA (NSF)
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