Biocerâmicas são usadas para reparar, reconstruir e substituir partes do corpo humano, pois se integram bem com o tecido ósseo vivo, estimulando seu crescimento. Entre as biocerâmicas, um fosfato cerâmico denominado hidroxiapatita, por ser o principal constituinte da fase inorgânica dos ossos e dentes, tem sido muito estudado. A hidroxiapatita sintética é biocompatível, não é carcinogênica e nem alergênica. Dessa forma, suas características químicas e estruturais possibilitam seu uso na área médica como material biocompatível em implantes e próteses [33], já que a HA desencadeia uma reação química direta na interface implante-osso, formando uma ligação muito forte com o tecido ao seu redor [34].
Nas aplicações tecnológicas, a HA é usada no preenchimento de cavidades, na forma de grãos densos ou porosos, bem como no revestimento de implantes metálicos, estes geralmente feitos de titânio. Neste último caso, procura-se melhorar as características dos implantes, combinando-se a resistência mecânica do metal à biocompatibilidade e à atividade biológica do material cerâmico.
A hidroxiapatita é formada por átomos dos elementos químicos cálcio, fósforo, oxigênio e hidrogênio, arranjados conforme mostra sua fórmula: Ca10(PO4)6(OH)2. Esses átomos organizam-se espacialmente em uma conformação hexagonal, como pode ser visualizado na Figura 2.4. Os parâmetros de rede são a = b =0,9423 nm e c = 0,6875 nm [35].
Figura 2.4 Rede cristalina da hidroxiapatita [36].
As propriedades químicas da HA podem ser modificadas através do método de sua preparação. Para implantes ósseos ou dentários, duráveis por muitos anos, utiliza-se um material pouco solúvel, constituído por hidroxiapatita pura. Quando se deseja que o implante seja reabsorvido pelo corpo, cedendo lugar ao tecido ósseo novo, usa-se uma cerâmica mais solúvel, geralmente constituída por uma mistura de hidroxiapatita com outros fosfatos [35].
Outra característica da HA é sua capacidade de adsorção, isto é, de fixar em sua superfície moléculas de outra substância. Essa propriedade faz com que ela possa ser usada em implantes, como suporte para antibióticos e drogas anticancerígenas, além de poder ser empregada também em tratamentos prolongados de infecções e doenças ósseas, liberando a medicação aos poucos na região afetada.
Recentemente, a utilização do processo sol-gel para a síntese de HA tornou-se objeto importante de pesquisa. Este processo é um método químico via úmida, o qual dispensa a utilização de alto vácuo e temperaturas elevadas, sendo considerada uma das técnicas mais flexíveis e promissoras. Por este método, é possível a obtenção de um pó de elevada pureza devido à possibilidade de um controle cuidadoso dos parâmetros do processo, favorecido por uma mistura em nível molecular dos íons cálcio e fósforo que é capaz de melhorar a homogeneidade química e física, resultando geralmente em uma microestrutura de granulação fina que contem uma mistura de cristais de tamanho sub-mícron a nano, sendo muito importante para melhorar a reação de contato e a estabilidade da interface implante/tecido [37].
No processo sol-gel parte-se originalmente de uma solução química (sol) que atua como precursora de uma rede integrada (gel) de partículas discretas. Os precursores típicos do processo sol-gel são alcóxidos e cloretos metálicos, os quais sofrem diversos tipos de reações de hidrólise e policondensação. A hidrólise é a principal reação química que conduz à transformação dos precursores aos produtos finais, ou seja, os óxidos. Uma das formas de sintetizar a nanohidroxiapatita é a partir dos reagentes químicos hidrogeno fosfato de di-amônio, nitrato de cálcio e uréia [38]. Neste processo de síntese, é preparada uma solução com o hidrogeno fosfato de di-amônio na qual o nitrato de cálcio é adicionado. A solução fica sob agitação magnética por 3 horas, quando então é adicionada a ureia para remoção dos íons NO3-. Dessa forma, o estado “sol” da solução complexa é formado regulando-se o pH para 9, na condição de ambiente alcalino. Após dois dias, a sol torna-se um gel branco, o qual é colocado em um forno de micro-ondas para secar por cerca de 10-20 minutos e é repetidamente lavado para remover o nitrato de amônia (NH4NO3). O material residual é sinterizado a 1100ºC por duas horas, produzindo-se assim um pó puro de nanohidroxiapatita. O processo de sinterização é necessário para aumentar as propriedades mecânicas e a estabilidade estrutural devido à densificação e crescimento de grão. A principal vantagem desse método quando comparado com as técnicas convencionais de processamento de cerâmicas é que a densificação é atingida em temperaturas muito inferiores.
As biocerâmicas convencionais, ou seja, em escala micrométrica, já são utilizadas para implantes dentários e ortopédicos devido à sua biocompatibilidade; no entanto, novas formulações de materiais que promovem e sustentam a ósseo- integrações do implante com os tecidos ao seu redor são necessárias para melhorar o desempenho dos mesmos. Por esta razão, cerâmicas nanofásicas representam uma classe única de materiais que prometem ligação reforçada dos implantes dentários ou ortopédicos com o tecido justaposto, aumentando assim a eficácia do implante [6].
Webster et al. [6] investigaram a função de osteoblastos em partículas cerâmicas de alumina, titânia e hidroxiapatita em escala micrométrica e
nanométrica (abaixo de 100nm) e obtiveram a primeira evidência do aumento da adesão, diferenciação e proliferação dos osteoblastos (ósseointegração) em cerâmicas nanométricas quando comparadas com as cerâmicas convencionais (micrométricas).
O uso da HA pura em implantes de suporte de carga é, no entanto, muito restrito devido às inadequadas propriedades mecânicas deste material (fragilidade e baixa tenacidade à fratura) [18]. Foram feitas tentativas para formar corpos de HA com alta resistência [39,40]. No entanto, as suas fracas propriedades mecânicas limitaram suas aplicações. Por isso, com a produção comercial recente de HA em escala nanométrica, espera-se que a adição de pequenas quantidades desta carga em matrizes poliméricas resulte em bio- nanocompósitos com níveis adequados de biocompatibilidade, que suportem as cargas fisiológicas com boas propriedades mecânicas [41] e que sejam fabricáveis pelos métodos convencionais de processamento de polímeros.
As partículas de hidroxiapatita podem existir em diferentes morfologias (acicular, esférica, bastonetes, etc.), dependendo do processo de síntese utilizado. Quando produzidas em dimensões nanométricas, um dos principais problemas é a aglomeração das partículas. Sendo assim, o desafio durante o processamento de um nanocompósito contendo como nanocarga a nHA é conseguir distribuir esses aglomerados e, com a deformação e o cisalhamento, conseguir quebrar os aglomerados e dispersar as nanopartículas em meio à matriz polimérica.