DIANA CARVALHO ASSMAR
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL DE ARCABOUÇOS DE
HIDROXIAPATITA-TITÂNIA DESENVOLVIDOS PELO MÉTODO DE
CERA PERDIDA PARA USO EM ENGENHARIA TECIDUAL ÓSSEA
SÃO MATEUS
2014
DIANA CARVALHO ASSMAR
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL DE ARCABOUÇOS DE
HIDROXIAPATITA-TITÂNIA DESENVOLVIDOS PELO MÉTODO DE
CERA PERDIDA PARA USO EM ENGENHARIA TECIDUAL ÓSSEA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial para obtenção do título de graduação em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. André Gustavo de Sousa Galdino.
SÃO MATEUS
2014
A844c Assmar, Diana Carvalho
Caracterização estrutural de arcabouços de hidroxiapatita-titânica desenvolvidos pelo método de cera perdida para uso em engenharia tecidual óssea/ Diana Carvalho Assmar.-- São Mateus, 2014.
40 f. : il; 30 cm.
Orientador: Prof. Dr. André Gustavo de Sousa Galdino
Monografia (graduação) - Instituto Federal do Espírito Santo, Coordenadoria de Curso Superior de Engenharia Mecânica, 2014. 1. Engenharia tecidual. 2. Ciências dos materiais. 3 Hidroxiapatita - aplicação. 4. Dióxido de titânio - aplicação. I. Galdino, André Gustavo de Souza. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título.
CDD 611.71 Bibliotecária responsável Sheila Guimarães Martins CRB6/ES 671
Para Rita Maria, minha mãe, que sempre me apoiou e fez seu papel. Para André Galdino, que acreditou em mim.
Agradecimentos
A realização desse trabalho foi possível graças a DEUS, que me guia e protege, e a ajuda de várias pessoas, empresas e instituições de ensino que agradeço:
Ao meu orientador Prof. Dr. André Gustavo de Sousa Galdino, por toda ajuda e paciência, por confiar em mim e me escolher para desenvolver a pesquisa.
À empresa Inside Materiais Avançados Ltda. pela doação da hidroxiapatita. Ao Labiomec da FEM/UNICAMP pela doação do dióxido de titânio.
À empresa Clariant S/A pela doação da cera polimérica.
À UNICAMP por ceder gentilmente seu laboratório de pesquisa para confecção dos corpos de prova.
Ao CEFET-MG, campus Um, por ceder gentilmente seu laboratório para realização dos testes.
A todos que me ajudaram e por algum motivo não foram citados, meu muito obrigada.
Resumo
O crescimento de células em suportes tridimensionais porosos é estudado com diferentes métodos e uso de diferentes compósitos. Esse progresso pode ser justificado, uma vez que os arcabouços guiam o crescimento celular, sintetizam uma matriz extracelular e facilitam a formação de tecidos e órgãos funcionais. O desafio da pesquisa reside em produzir biomateriais comerciais com características físico‐ químicas e morfológicas que estimulem a osteogênese. A engenharia tecidual tem sido desenvolvida para substituir, reparar ou reconstruir tecidos ou órgãos perdidos ou danificados por acidentes ou doenças graves. Os arcabouços são ferramentas utilizadas por essa engenharia e normalmente possuem propriedades osteocondutivas, além de possuírem a grande vantagem de servir de suporte mecânico. O objetivo deste trabalho é avaliar o compósito poroso de hidroxiapatita – titânia (HA- TiO2), em três composições diferentes (50%HA-50%TiO2, 60%HA-40%
TiO2 e 70%HA-30%TiO2). Os corpos de prova foram produzidos pelo método da
cera perdida e a sinterização realizada em três temperaturas: 1250ºC; 1300ºC e 1350ºC. Foram realizados os testes de microscopia eletrônica de varredura (MEV), para verificar o tamanho dos grãos formados, e difração de raios X (DRX), com o objetivo de verificar as fases presentes após a sinterização. Houve formação de titanato de cálcio, certificando a interação entre os biomateriais, e também formação de arcabouços porosos e rugosos, que garantem a ancoragem mecânica do osso e também ativam a osseointegração.
Abstract
The growth of cells in three-dimensional porous supports has been studied using different methods and with different composites. This progress may be justified, since the cell growth scaffolds guide synthesize an extracellular matrix and facilitate the formation of functional tissues and organs. The research challenge is to produce commercial biomaterials with physicochemical and morphological characteristics that stimulate osteogenesis. Bone tissue engineering has been developed to replace, repair or rebuild tissue or lost organs damaged by accident or serious illness. The scaffolds are tools used for bone tissue engineering and usually have osteoconductive properties, besides having the advantage of serving as a mechanical support. This research aimed to evaluate hydroxyapatite – titanium oxide (HA - TiO2), with three different compositions (50% HA - 50% TiO2, 60% HA - 40%
TiO2 and 70% HA - 30% TiO2). The specimens were produced by the lost wax
method and sintered at three temperatures: 1250°C, 1300°C and 1350°C. Samples structural characterization were done by scanning electronic microscopy (SEM) and x ray diffraction (XRD). It was formation of calcium titanate to certify the interaction between biomaterials, and it was formation porous and roughened scaffolds to ensure mechanical anchoring of the bone and also enable osseointegration.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Fluxograma detalhado da confecção dos corpos de prova e caracterização
estrutural. ... 21
Figura 2: Ensaio MEV realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de
1250ºC. ... 22
Figura 3: Ensaio MEV realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de
1300ºC. ... 23
Figura 4: Ensaio MEV realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de
1350ºC. ... 23
Figura 5: Ensaio DRX realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de
1250ºC. ... 24
Figura 6: Ensaio DRX realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de
1300ºC. ... 24
Figura 7: Ensaio DRX realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de
1350ºC. ... 25
Figura 8: Ensaio MEV realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura de
1250ºC. ... 26
Figura 9: Ensaio MEV realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura de
1300ºC. ... 26
Figura 10: Ensaio MEV realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura de
1350ºC. ... 27
Figura 11: Ensaio DRX realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura de
1250ºC. ... 27
Figura 12: Ensaio DRX realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura de
Figura 13: Ensaio DRX realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura de
1350ºC. ... 28
Figura 14: Ensaio MEV realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de
1250ºC. ... 29
Figura 15: Ensaio MEV realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de
1300ºC. ... 30
Figura 16: Ensaio MEV realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de
1350ºC. ... 30
Figura 17: Ensaio DRX realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de
1250ºC. ... 31
Figura 18: Ensaio DRX realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de
1300ºC. ... 31
Figura 19: Ensaio DRX realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 12 2 OBJETIVOS ... 13 2.1 OBJETIVO GERAL ... 13 2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ...13 3 REVISÃO DA LITERATURA ... 14 3.1 COMPÓSITOS ... 14 3.2 BIOMATERIAIS ... 13 3.2.1 HIDROXIAPATITA ... 14 3.2.2 TITÂNIA ... 153.3 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE CORPOS POROSOS ... 15
3.3.1 MÉTODO DA CERA PERDIDA ... 16
3.3.2 CALCINAÇÃO E SINTERIZAÇÃO ... 16
3.4 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL DOS COMPÓSITO ... 17
3.4.1 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA – MEV ... 17
3.4.2 DIFRAÇÃO DE RAIOS X – DRX ... 17
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 19
4.1 MATERIAIS ... 19
4.2 MÉTODOS ... 19
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 22
5.1 ENSAIO DE CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL ... 22
5.1.1 AMOSTRA 50-50 ... 22
5.1.2 AMOSTRA 60-40 ... 25
5.1.3 AMOSTRA 70-30 ... 29
6 CONCLUSÃO ... 33
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 34
1 INTRODUÇÃO
A expectativa de vida dos brasileiros tem aumentado ao longo dos anos e em 2012 chegou a 74,6 anos de acordo com os dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) (Portal Brasil, 2013). A idade avançada em homens e mulheres vem acompanhada da degeneração óssea, o que torna os ossos mais suscetíveis às fraturas (Portal da Educação, 2014).
Segundo senso do Departamento Nacional de Infraestrutura e Transportes (Dnit) de 2011, mais de 2500 acidentes com feridos foram registrados só no estado do Espírito Santo (Dnit, 2013). Torna-se então imprescindível o desenvolvimento da engenharia tecidual, que tem sido desenvolvida para substituir, reparar ou reconstruir tecidos ou órgãos perdidos ou danificados por acidentes ou doenças graves (Langer, 2000). O desafio é produzir biomateriais comerciais que estimulem a osteogênese (Galdino, 2011).
Os biomateriais cerâmicos são cada vez mais importantes na clínica médica para a regeneração do tecido ósseo e, mais recentemente, vem sendo utilizados como carreadores de células nas terapias celulares (Carson, 2007 apud Galdino, 2011). Os biomateriais são materiais destinados a interagir com os sistemas biológicos para tratar, aumentar ou substituir uma função do corpo que está debilitada. Podem ser de origem natural ou sintética. São classificados como: biotoleráveis, bioinertes, bioativos e absorvíveis (Galdino, 2011).
Este trabalho tem por objetivo avaliar a caracterização estrutural do compósito poroso de hidroxiapatita – titânia (HA-TiO2), confeccionado pelo método da cera
perdida, na obtenção de arcabouços para a engenharia tecidual óssea. Será avaliada a distribuição de poros das amostras e a formação de novas fases. A caracterização estrutural será realizada via Microscopia Eletrônica de Varredura e Difração de Raios- X.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
O objetivo geral desse trabalho é desenvolver arcabouços porosos de hidroxiapatita-titânia, com diferentes composições em massa, utilizando o método da adição de cera de polietileno.
2.2 Objetivo Específico
O objetivo específico desse trabalho é realizar a caracterização estrutural dos arcabouços desenvolvidos para utilização em engenharia tecidual óssea, através dos ensaios de microscopia eletrônica de varredura e difração de Raios- X.
3 REVISÃO DA LITERATURA
3.1 Compósitos
Callister (2008) define compósitos como qualquer material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, desse modo, consegue-se a melhor combinação de propriedades.
Um compósito é então um material multifásico feito artificialmente, diferente dos materiais que se formam naturalmente. Ambos podem apresentar múltiplas fases, mas o último é devido a fenômenos naturais.
Para confecção de compósitos são combinados metais, cerâmicas e polímeros com o principal objetivo de melhorar suas características mecânicas como rigidez, tenacidade, rugosidade e outras.
Muitos materiais compósitos são constituídos de duas fases: a matriz e a fase dispersa. É chamada de matriz a fase que envolve a fase dispersa. Os compósitos possuem três divisões principais: compósitos reforçados com partículas; reforçado com fibras; e estruturais (Callister, 2008).
3.2 Biomateriais
Os biomateriais são destinados a interagir com os sistemas biológicos para tratar, aumentar ou substituir uma função do corpo que está debilitada.
A associação dos biomateriais com materiais de origem natural é automática, no entanto, os biomateriais de origem sintética também são largamente utilizados. Dependendo da aplicação, os biomateriais precisam possuir características específicas, no entanto, a característica geral a todos é a biocompatibilidade, que pode ser definida como a capacidade do material ter uma resposta apropriada numa aplicação específica, com o mínimo de reações alérgicas, inflamatórias ou tóxicas, quando em contato com tecidos vivos ou fluidos orgânicos (Knoow, 2012).
Os biomateriais podem ser classificados como (Hench et al, 1993; Ramakrishna et
al, 2004; Wise, 2000 apud Galdino, 2011):
I. Biotoleráveis: São materiais tolerados pelo organismo que são isolados dos tecidos por meio de uma camada envoltória de tecido fibroso, proveniente da liberação de íons, compostos químicos e outros vindos do próprio material implantado.
II. Bioinerte: Materiais tolerados pelo organismo, no entanto, há formação da camada envoltória, que é muito menor que nos materiais biotoleráveis. O material implantado libera quantidades baixíssimas de íons, compostos e outros.
III. Bioativos: Materiais onde ocorre a osseointegração, que é a ligação de natureza química entre o material e o tecido do osso. Em função da similaridade química entre estes materiais e a parte mineral óssea, os tecidos ósseos se ligam a eles, permitindo a osteocondução.
IV. Absorvíveis: Materiais que após certo período são degradados, solubilizados ou fagocitados pelo organismo.
3.2.1 Hidroxiapatita
Os materiais cerâmicos são utilizados por conta de suas características, como: boa biocompatibilidade, resistência à corrosão e alta resistência à compressão. As desvantagens desses materiais são, entre outras, a fragilidade, dificuldade de fabricação, baixa resistência à fratura, baixa confiabilidade mecânica. Para aplicação da engenharia de tecidos, os pesquisadores tentam desenvolver biomateriais na forma de compósitos como alternativa para solucionar as desvantagens (Ramakrishna et al, 2004 apud Galdino, 2011).
Dentre os materiais sintéticos utilizados, a hidroxiapatita (fosfato de cálcio - Ca10(PO4)6(OH)) é o mais utilizado, por ser idêntico à parte mineral encontrada dos
No entanto, este material possui resposta fraca sobtensão mecânica. Devido a isso, vários compósitos têm sido desenvolvidos com esse biomaterial a fim de aumentar a resposta quando submetidos a tensões mecânicas.
Em seu estudo, Camilo (2006) desenvolveu arcabouços de alumina impregnados de biovidro e hidroxiapatita para utilização na Engenharia de Tecidos. Os corpos de prova foram submetidos a ensaios de caracterização estrutural, mecânica e sofreram análise de interação in vitro. A combinação, segundo a autora, foi promissora e com viabilidade econômica.
Trommer (2006) empregou a técnica de deposição química de vapor assistida por chama (DQVAC) para obter revestimentos de hidroxiapatita sobre substratos de aço inoxidável 316L. Os revestimentos foram satisfatórios do ponto de vista do autor. As amostras foram caracterização estruturalmente. No entanto, não foi possível aferir sua biocompatilidade, sugestão do autor para trabalhos futuros.
Neste trabalho, foi desenvolvido o compósito constituído de hidroxiapatita com titânia (dióxido de titânio), onde a titânia entra como elemento estrutural, ou seja, possui elevada resistência à compressão, não havendo problema quanto à biocompatibilidade, uma vez que esse material é bioinerte (Hench et al, 2000; Navarro et al, 2008).
A estrutura da hidroxiapatita permite substituições com grande facilidade, o que pode alterar sua cristalinidade, parâmetros de rede, textura superficial, estabilidade e solubilidade, entre outras características.
A hidroxiapatita já é utilizada no tratamento de tumores, na área odontológica em revestimento de pinos ou para evitar perda óssea após restauração/extração, vem sendo estudada como catalisador na decomposição de compostos orgânicos, regeneração guiada de tecidos entre outras (Mavropoulos, 1999).
3.2.2 Titânia
O dióxido de titânio (também chamado de titânia) é um sólido cristalino estável, biocompatível, atóxico, quimicamente inerte e apresenta características ácidas.
Apresenta três formas cristalinas: rutilo, anatase e bruquita, sendo as duas primeiras mais comerciáveis (Guerreiro, 2012).
O óxido de titânio ocorre naturalmente em diversos minerais, um dos quais o rutilo, que possui um índice de refração maior que o diamante, mas é muito macio para ser usado como pedra preciosa. Seu índice de refração também é maior que o da fase anatase, além de apresentar maior estabilidade e densidade quando comparado à fase anatase (Galdino, 2011).
Combinado com a hidroxiapatita espera-se conseguir um biomaterial com uma estrutura superficial rugosa e porosa para garantir a ancoragem mecânica do osso e também ativar a osseointegração, além de um compósito com baixa densidade, resistência a tração, corrosão e alta biocompatibilidade.
3.3 Processos de Fabricação de Corpos Porosos
Existem diversos métodos de fabricação de corpos porosos como, por exemplo, o método da esponja polimérica, que consiste na imersão da esponja em uma pasta cerâmica, após a queima da esponja, o resultado é o corpo cerâmico poroso. Também o método espumante que, resumidamente, consiste em uma mistura química contendo o componente cerâmico misturada com uma variedade de constituintes orgânicos, tratada para desenvolver um gás que cria bolhas e, consequentemente, a espuma (Galdino, 2011).
No entanto, para este trabalho foi utilizado o método da adição de cera.
2.3.1 Método da cera perdida
O método da adição de cera, natural ou sintética, é utilizado com a função de criar poros para facilitar a saída de outros componentes. O processo ocorre a partir dos seguintes passos:
a) Seleção da cera; deve estar em forma de pó para ser misturada com o compósito.
b) Preparação do compósito; as duas fases do compósito devem ser misturadas.
c) Preparação da pasta cerâmica; deve-se misturar a cera com o compósito, adicionar os aditivos, se necessário, e o ligante.
d) Compactação da pasta; Deve-se conformar a pasta resultante com o formato do corpo de prova desejado;
e) Remoção da cera: O material deve ser levado ao forno para calcinar, nesse processo ocorre a volatização da cera. Importante frisar que a cera selecionada deve possuir ponto de fusão menor que o do compósito, assim a cera irá volatizar e restará o corpo cerâmico.
f) Sinterização: O material resultante é sinterizado a uma temperatura maior que a de calcinação.
g) O resfriamento pode acontecer no forno até alcançar a temperatura ambiente (Galdino, 2003).
3.3.2 Calcinação e sinterização
A calcinação é um processo que consiste no aquecimento da amostra a uma temperatura inferior a temperatura de fusão do material de interesse, com o objetivo de eliminar compostos orgânicos e volatizar o material de base, no caso do método de adição de cera, a cera é volatizada.
O aquecimento deve ser controlado e lento para não colapsar a estrutura da cerâmica. Pode ser combinada com a etapa de sinterização, entretanto, na maioria dos casos, as etapas são separas para o controle preciso da estrutura reticulada final.
O processo de sinterização utiliza calor e diversos mecanismos de transporte de material para converter pós-cerâmicos em sólidos policristalinos densos. A uniformidade da amostra compactada à verde depende de vários fatores como a qualidade do pó, da composição química, do refinamento das partículas. Essa
homogeneidade permite que a sinterização ocorra a uma temperatura mais baixa e de maneira mais uniforme.
A sinterização promove alterações significantes nos corpos de prova como a redução da área específica total, a redução do volume aparente total e o aumento da resistência mecânica (Galdino, 2011).
3.4 Ensaios de Caracterização Estrutural dos Compósitos
Para fazer a caracterização de corpos porosos podem ser feitos diversos ensaios como a espectroscopia de Raios- X, a microscopia eletrônica de varredura e a difração de Raios- X. Para o presente trabalho, serão realizados os dois últimos citados, que serão descritos nos tópicos a seguir.
3.4.1 Microscopia eletrônica de varredura – MEV
O microscópio eletrônico de varredura é utilizado para observar, analisar e explicar corretamente os fenômenos que ocorrem na escala micrométrica ou submicrométrica. O MEV consegue alcançar aumentos superiores ao da microscopia ótica, sua escolha depende então do estudo que está sendo feito.
O teste consiste na emissão de um feixe de elétrons que interage com a superfície da amostra, o resultado é uma série de radiações que quando captadas corretamente fornecem informações sobre a amostra, como topografia, composição, cristalografia e outras (Maliska, 2014).
3.4.2 Difração de Raios- X – DRX
O Raio- X é uma radiação eletromagnética com a mesma natureza da luz visível, no entanto, possui comprimento de onda muito menor. Os Raios- X são utilizados para avaliar uma estrutura cristalina por meio da difração das ondas que interagem com os átomos. O resultado da difração mostra detalhes da estrutura interna dos materiais, podendo chegar a ordem de 10-7mm de tamanho (UFSC, 2014).
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Materiais
Para elaboração deste trabalho foram utilizados os seguintes materiais:
a) Hidroxiapatita- A hidroxiapatita (HA) utilizada neste trabalho foi gentilmente cedida pela empresa Inside Materiais Avançados Ltda., localizada em Belo Horizonte, MG.
b) Dióxido de titânio- A titânia comercial utilizada neste trabalho foi doada pelo Labiomec da FEM/UNICAMP.
c) Cera polimérica- A cera de polietileno utilizada neste trabalho foi a Licowax PE 520, gentilmente cedida pela empresa Clariant S/A, que volatiliza em temperaturas acima de 120ºC.
4.2 Métodos
As etapas realizadas nesse trabalho podem ser vistas na Figura 1.
Figura 1: Fluxograma detalhado da confecção dos corpos de prova e caracterização
estrutural.
A metodologia é divida então em cinco etapas:
1º Preparação das composições utilizadas nas amostras:
As composições de 50%HA - 50%TiO2, 60%HA - 40%TiO2 e 70%HA - 30%TiO2,
volume de 30% de cera de polietileno e as temperaturas de trabalho foram escolhidas de acordo com Galdino (2011), que realizou os ensaios de caracterização estrutural, físico- mecânico e in vitro para compósitos de hidroxiapatita-titânia confeccionados pelo método da esponja polimérica.
Os corpos de prova foram feitos com 12mm de diâmetro e 10mm de altura. As amostras foram feitas na proporção em massa de 50%HA - 50%TiO2, 60%HA -
40%TiO2 e 70%HA - 30%TiO2, e volume de 30% de cera de polietileno. A
determinação das massas que foram utilizadas para confecção das amostras foi feita a partir da Equação 1, volume do cilindro e da Equação 2, densidade dos materiais.
Vc= A.h (Equação 1)
onde:
Vc é o volume do cilindro [cm³];
A é a área da seção transversal [cm²]; h é a altura do cilindro [cm]. ρ= m.V-1 (Equação 2) onde: ρ é a densidade do material [g/cm³]; m é a massa [g]; V é o volume [cm³].
De acordo com Galdino (2011), a densidade da hidroxiapatita é 3,156g/cm³, da titânia é 4,35g/cm³ e a partir do catálogo da Clariant (2011), a densidade da cera de polietileno é 0,93g/cm³. Após aplicação da Equação 1, chega-se ao volume total do corpo de prova (Vc=1,131cm³) e também ao volume que deverá ser ocupado pela cera de polietileno (Vcera=0,339cm³) e pela mistura de hidroxiapatita-titânia (V=0,792cm³).
Utilizando a Equação 2 chega-se que a massa de cera de polietileno é 0,315g, e a massa da mistura de hidroxiapatita-titânia é: 2,972g para amostra 50%HA - 50%TiO2 (Com 1,250g de hidroxipatita e 1,722g de titânia); 2,878g para amostra
60%HA - 40%TiO2 (Com 1,500g de hidroxiapatita e 1,378g de titânia); e 2,783g para
amostra 70%HA - 30%TiO2 (Com 1,750g de hidroxiapatita e 1,033g de titânia).
2º Mistura, Peneiramento e Prensagem:
A hidroxiapatita, a titânia e a cera de polietileno foram misturadas e peneiradas com peneira ABNT nº80. Três diferentes composições do compósito foram preparas conforme composição descrita: 50%HA - 50%TiO2, 60%HA - 40%TiO2 e 70%HA -
Foram confeccionados 15 corpos de prova para cada composição. Os corpos de prova foram prensados uniaxialmente com pressão de 40MPa, alcançando as dimensões de 12mm de diâmetro e 10mm de altura. Os valores de pressão e temperaturas deste trabalho foram selecionados a partir do estudo de Galdino (2011).
3º Calcinação:
Os corpos de prova foram calcinados a 550ºC em rampa de aquecimento de 0,5ºC/min, para retirada da cera de polietileno.
4º Sinterização:
Os corpos de prova foram sinterizados nas temperaturas de 1250ºC, 1300ºC e 1350ºC, em rampa de aquecimento de 10ºC/min. Os corpos de prova permaneceram no forno por duas horas em tais temperaturas. O resfriamento até a temperatura ambiente aconteceu dentro do forno.
Foram utilizados 5 corpos de prova para cada composição e temperatura de sinterização, totalizando 15 corpos de prova para cada temperatura.
5º Caracterização Estrutural:
Os arcabouços foram avaliados por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de Raios- X (DRX).
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Resultado do ensaio de caracterização estrutural
Foram realizadas as seguintes caracterizações estruturais: microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de Raios- X (DRX).
5.1.1 Amostra 50%HA - 50%TiO
2A morfologia e distribuição dos poros do compósito após a sinterização a 1250ºC, 1300ºC e 1350ºC podem ser vistas nas Figuras 2, 3 e 4.
Figura 2: Ensaio MEV realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de 1250ºC. Aumento: 10µm.
Figura 3: Ensaio MEV realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de 1300ºC. Aumento: 10µm.
Figura 4: Ensaio MEV realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura de 1350ºC. Aumento: 10µm.
Para avaliar a composição química presente no compósito a 1250ºC, 1300ºC e 1350ºC, realizou-se o ensaio de difração de Raios- X. Os resultados podem ser vistos nas Figuras 5, 6 e 7.
Figura 5: Ensaio DRX realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura 1250ºC.
Figura 7: Ensaio DRX realizado na amostra 50%HA-50%TiO2 à temperatura 1350ºC.
Os resultados do MEV mostram a presença de poros. A diferença no tamanho dos poros pode ser devido à formação de gases durante a calcinação ou sinterização. Também pode ser devido a uma ineficiente homogeneização da mistura de hidroxiapatita, titânia e a cera de polietileno, formando grandes poros nos locais com concentração de cera. A partir da difração de Raios- X é possível comprovar que houve transformação de fases: a hidroxipatita passou para fosfato de cálcio; houve combinação do cálcio com o titânio e oxigênio, formando o titanato de cálcio. A fase dióxido de titânio permaneceu presente no compósito.
5.1.2 Amostra 60%HA - 40%TiO
2A morfologia e distribuição dos poros do compósito após a sinterização a 1250ºC, 1300ºC e 1350ºC podem ser vistas nas Figuras 8, 9 e 10.
Figura 8: Ensaio MEV realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura 1250ºC. Aumento: 10µm.
Figura 9: Ensaio MEV realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura 1300ºC. Aumento: 10µm.
Figura 10: Ensaio MEV realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura 1350ºC. Aumento: 10µm.
Para avaliar a composição química presente no compósito a 1250ºC, 1300ºC e 1350ºC, realizou-se o ensaio de difração de Raios- X. Os resultados podem ser vistos nas Figuras 11, 12 e 13.
Figura 12: Ensaio DRX realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura de 1300ºC.
Figura 13: Ensaio DRX realizado na amostra 60%HA-40%TiO2 à temperatura de 1350ºC.
Os resultados do MEV são semelhantes ao da amostra de 50% HA- 50% TiO2. No
entanto, com o aumento da temperatura nota-se um pequeno crescimento entre as partículas, isso ocorre porque os átomos das partículas pequenas são transferidos
para as maiores de hidroxiapatita. Há então, uma redução no tamanho dos poros, já que o aumento da energia térmica permite uma maior difusão dos átomos. Ainda há presença de grandes poros, que podem ter sido causados devido a geração de gases ou baixa homogeneização da mistura.
Os resultados da difração de Raios- X também são semelhantes ao da amostra 50%HA -50% TiO2, sendo possível comprovar que houve transformação de fases: a
hidroxiapatita passou para fosfato de cálcio; houve combinação do cálcio com o titânio e oxigênio, formando o titanato de cálcio. A fase dióxido de titânio permaneceu presente no compósito.
5.1.3 Amostra 70%HA - 30%TiO
2A morfologia e distribuição dos poros do compósito após a sinterização a 1250ºC, 1300ºC e 1350ºC podem ser vistas nas Figuras 14, 15 e 16.
Figura 14: Ensaio MEV realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de 1250ºC
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Aumento: 10µm.Figura 15: Ensaio MEV realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de 1300ºC
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Aumento: 10µm.Figura 16: Ensaio MEV realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de 1350ºC
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Aumento: 10µm.Para avaliar a composição química presente no compósito a 1250ºC, 1300ºC e 1350ºC, realizou-se o ensaio de difração de Raios- X. Os resultados podem ser vistos nas Figuras 17, 18 e 19.
Figura 17: Ensaio DRX realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de 1250ºC.
Figura 19: Ensaio DRX realizado na amostra 70%HA-30%TiO2 à temperatura de 1350ºC.
Os resultados do MEV são semelhantes aos das amostras de 50% HA- 50% TiO2 e
60% HA- 40% TiO2. No entanto, com o aumento da temperatura houve maior
crescimento dos grãos devido à migração dos átomos das partículas pequenas para as maiores de hidroxiapatita. Por esse motivo ocorreu redução no tamanho dos poros. Todavia, ainda há poros grandes, que podem ser devido à formação de gases ou uma ruim homogeneização da mistura.
Os resultados da difração de Raios- X também são semelhantes aos das amostras anteriormente citadas, sendo possível comprovar que houve transformação de fases: a hidroxipatita passou para fosfato de cálcio; houve combinação do cálcio com o titânio e oxigênio, formando o titanato de cálcio. A fase dióxido de titânio permaneceu presente no compósito. As amostras sinterizadas a 1350ºC são consideradas melhores devido à presença de grãos maiores.
6 CONCLUSÕES
As três amostras apresentam boa porosidade, sendo que o tamanho dos poros reduziu com o aumento da temperatura devido ao aumento da energia térmica e consequente difusão dos átomos, o que ocasionava o crescimento dos grãos.
Não houve resíduo de cera polimérica em nenhuma amostra, já que a cera volatizou na calcinação com temperatura de aproximadamente 120ºC. Houve transformação de fases com a presença de fosfato de cálcio e titanato de cálcio. A fase dióxido de titânio esteve presente em todas as amostras após a sinterização.
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Para avaliar melhor a composição química do compósito, sugere-se realizar o ensaio de espectroscopia de raios X por dispersão de energia, assim os pontos identificados pelo MEV poderão ser estudados, determinando as distribuições percentuais em massa dos elementos químicos presentes nas amostras.
De forma geral, todas as amostras são indicadas para utilização em estudos futuros para aplicação em engenharia tecidual óssea. É necessário realizar a caracterização físico-mecânica do compósito, para então realizar os ensaios in vitro e depois os ensaios in vivo.
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